深基坑钢支撑围护结构方案设计知识分享.doc

南水北调东干渠八标盾构始发井混凝土支撑变更钢支撑方案设计
张海虎 中铁六局北京铁建第十五项目部
摘 要 深基坑施工是目前城市道路、地铁隧道、房屋建筑等施工领域经常遇见的问题，为适应不同的地质情况及施工环境采用不同类型的围护结构及支撑形式，保证基坑的稳定及基坑施工期间的安全，深基坑施工往往受限于各种条件而具有一定的危险性；同时，深基坑施工在不同的支撑体系选择上也会产生不同的效果，为了尽量节约工期，减少对周边环境的影响，同时考虑施工材料的方便及重复利用，应该对支撑系统进行合理科学的设计。本文结合南水北调东干渠工程盾构始发井深基坑的钢支撑设计施工，总结出适合城镇地铁车站及其它深基坑施工过程中的钢支撑体系设计方案，通过该设计方案的顺利实施，进一步推进钢支撑体系在深基坑中的运用，对同类工程施工具有良好的参考借鉴作用。
关键词 深基坑、钢支撑设计、钢支撑安装、稳定性计算
作者简介：张海虎 男 助理工程师 2008年毕业于北京航空航天大学 电话[phone]
前 言 基坑内支撑体系一般由各种型钢撑、钢管撑、钢筋混凝土撑等构成支撑系统，而在深基坑的施工支护结构中，常用的支撑系统按其材料可分为现浇钢筋混凝土支撑体系和钢支撑体系两类。南水北调东干渠工程施工因拆迁进地导致了工期滞后两个半月，在业主要求采取技术措施抢回工期的前提下，本标段针对基坑支撑形式提出了采用钢支撑代替原钢筋混凝土支撑的方案设计，并委托设计院进行了钢支撑稳定性的计算和复核，确认了采用钢支撑体系完全能满足原设计使用要求，得到了业主方的认可，在全线始发井深基坑开挖中采用钢支撑开了先例，起了带头作用，极大的缩短了工期。
一、工程概况
北京市南水北调配套工程东干渠第八标段，主要工作内容为1条内径4600mm的钢筋砼圆涵（盾构双层衬砌结构），埋深在20～26m，最大埋深30m。
13#盾构始发井开挖深度为22.73m，开挖土方数13067.4m3。盾构始发井基坑围护结构由地下连续墙+水平支撑体系组成，地连墙厚度为1m，采用C30W8F150水下混凝土浇筑，墙顶设置1200×1400mm的钢筋砼冠梁，槽段划分共22幅，基坑内由上往下共设置五道支撑，其中第一至第四道为C30钢筋砼支撑，第五道为钢支撑，钢支撑在底板混凝土浇筑完成并达到设计强度后进行拆除，原设计施加主动轴力200KN，盾构进出口四周设置混凝土板撑。

图1-1 始发井原支撑结构平面图

图1-2 始发井原支撑结构立面图
二、钢支撑围护结构设计方案
13#盾构井变更后的支撑系统由钢筋砼冠梁、钢围檩、钢管支撑、钢管斜撑等组成，整个基坑共6道支撑系统。其中第一道至第三道为一种形式，基坑哑铃的中间段由7根钢管（Φ600mm，δ12mm）支撑组成，两端由8道标准钢管角撑组成。第四道支撑数量变成11根，间距2.5m。第五层支撑为11根钢管（Φ800mm，δ12mm），第六层直撑19根钢管，角撑4根钢管。变更后钢支撑布置平面图见下图。

钢支撑立面布置图

第二至第四层钢支撑平面布置图

第五层钢支撑平面布置图

2.1、钢支撑设计原则及依据
2.1.1、钢支撑设计原则
（1）满足始发井开挖过程中基坑稳定性要求，各项监测指标满足设计要求；
（2）钢支撑体系自身具备足够的强度和刚度，地连墙围护结构变形满足设计要求；
（3）钢支撑安装方便，便于拼装和拆除。
2.1.2、钢支撑设计依据
（1）《南水北调东干渠施工第八标段施工图设计及技术要求》
（2）《钢结构设计与施工规范》
（3）《建筑工程材料手册》
（4）《盾构掘进隧道工程施工及验收规范》（GB50446-2008）
2.2、钢支撑系统设计方案
（1）钢围檩牛腿托架安装设计
钢围檩牛腿托架由∠75×8角钢制成，托架安装间距1.5m，其尺寸大小及设计形式见下图：
图2-1 牛腿设计示意图
牛腿托架采用在地连墙内植入钢筋或打入膨胀螺栓进行固定，用于安放钢围檩。
（2）钢围檩的安装设计
第一道支撑安装在冠梁上，其余支撑安装在钢围檩上。钢围檩由I45B工字钢与钢板焊接组成，工字钢中间焊接加劲板，增强其刚度，防止受力变形，钢围檩长度根据基坑内尺寸及形状采用不同长度的标准；以标准段2.5m钢围檩为例，其设计断面及形式见下图：

图2-2 钢围檩正面图

图2-3 钢围檩立面图
钢围檩和钢管柱支撑在加工厂按要求进行加工。当基坑开挖到一定深度时，停止开挖。采用龙门吊和人工配合下放，吊装钢围檩就位并连接，钢围檩之间连接采用8.9级高强螺栓，拼装简单快捷。
（3）钢支撑的制作安装设计
钢支撑分段制作，采用直径600mm（壁厚12mm）、直径800mm（壁厚12mm）材质Q235钢管，分段之间采用法兰盘和螺栓联接，螺栓采用8.9级高强螺栓。为方便吊装，钢支撑上焊接吊点，钢支撑分为直支撑和斜支撑，又分为标准段和连接段。其中，用于施加预应力的一端为活动端，另一端为固定端。相关的设计图纸见下图。

图2-4 标准段钢支撑示意图

图2-5 活动端支撑示意图
（4）施加预应力
钢支撑安装完毕后，在活动端采用2台100t施加钢支撑预应力，在活动端逐级加压。当达到设计压力，无明显衰减时，采用特制定型钢楔子锁定钢支撑。钢管轴力监测通过焊接轴力计。测点布设原则为角撑上从第一层到第六层都进行布设，横向钢管支撑前2层选取2根钢管进行监测，第三层到第六层每层选取4根钢管进行监测。完成该阶段的基坑支撑结构的施工，随即进行下一阶段的基坑开挖作业。
三、钢支撑体系安全性验算
3.1计算概况
基坑开挖深度为22.73m，采用厚度为1000mm的地下连续墙围护结构，墙长度为34.73m，墙顶标高为0m。计算时考虑地面超载20kPa。

共设6道支撑，见下表。
中心标高（m）
刚度（MN/m2）
预加轴力（kN/m）
0
422.94
50
-5.5
451.63
50
-9.25
592.76
50
-13.13
528.68
50
-17.23
632.28
50
-22.73
10909.09
底板混凝土
3.2、工程地质条件
场地地质条件和计算参数见表1。地下水位标高为-2m。
表1
土层
层底标高(m)
层厚(m)
重度(kN/m3)
j(°)
c(kPa)
渗透系数
(m/d)
压缩模量
(MPa)
m(kN/m4)
kmax(kN/m3)
天然土
-2
2
20
8
20

4960

粉质粘土
-5
3
19.2
10
30

8000

砂土
-8.3
3.3
20.2
25
1

20200

粉质粘土
-15.8
7.5
20
10
30

8000

粉质粘土
-25.6
9.8
19.1
10
30

8000

砂土
-29.9
4.3
20.2
1
25

4840

粉质粘土
-33.8
3.9
20
10
30

8000

砂土
-43.5
9.7
20.4
30
1

30200

粉质粘土
-63.5
20
19.9
15
35

13000

坑内进行加固，加固土层的计算参数见表2。
表2
土层
层底标高(m)
层厚(m)
重度(kN/m3)
j(°)
c(kPa)
渗透系数
(m/d)
压缩模量
(MPa)
m(kN/m4)
kmax(kN/m3)
天然土
-2
2
20
8
20

4960

粉质粘土
-5
3
19.2
10
30

8000

砂土
-8.3
3.3
20.2
25
1

20200

粉质粘土
-15.8
7.5
20
10
30

8000

粉质粘土
-25.6
9.8
19.1
10
30

8000

砂土
-29.9
4.3
20.2
1
25

4840

粉质粘土
-33.8
3.9
20
10
30

8000

砂土
-43.5
9.7
20.4
30
1

30200

粉质粘土
-63.5
20
19.9
15
35

13000

3.3、施工工况
工况编号
工况类型
深度(m)
支撑刚度
(MN/m2)
支撑编号
预加轴力
(kN/m)
1
加撑
0
422.94
4
50
2
开挖
5.5

3
加撑
5.5
451.63
5
50
4
开挖
9.25

5
加撑
9.25
592.76
6
50
6
开挖
13.13

7
加撑
13.13
528.68
7
50
8
开挖
17.23

9
加撑
17.23
632.28
8
50
10
开挖
22.73

11
加撑
22.73
10909.09
9

12
拆撑

8

工况简图如下：

3.4、稳定性验算

抗管涌验算:
按砂土，安全系数K=1.145
按粘土，安全系数K=2.133

3.5、钢支撑稳定性计算
根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003），钢管计算参数如下；

查附录表C-2

稳定承载力
=0.92529792215=5924.95
基坑各支撑力表如下：
支撑编号
轴力（/m）
间距(m)
总支撑轴力（）
1
84.4
4
337.6
2
466.4
4
1865.6
3
702.3
4
2809.2
4
1953.2
2.66
5195.5
5
1778.3
3
5334.9

表中各道支撑轴力均小于钢管极限稳定承载力5924.95，稳定性满足规范要求。
四、实际应用实例
目前本工程已经完成了盾构始发井的基坑开挖施工，根据优化后的钢支撑体系，基坑开挖过程安全可靠，基坑变形及基坑周边地表沉降均满足设计要求，轴力监测结果表明钢支撑轴力受力合理，支撑体系可靠安全。
相对比原现浇钢筋混凝土支撑，本设计方案安装方便，施工周期短，大大减少了开挖基坑暴露的时间，保证了基坑卸荷后及时得到支护，极大的缩短了工期（见表4-1施工工期对比表）
表4-1 施工工期对比表
钢筋混凝土支撑施工工期安排
钢支撑施工工期安排
项目
天数
项目
天数
第一道钢筋砼支撑钢筋绑扎
2天
支撑安装
2天
模板支立
1天
浇注和养护
7天
支撑受力
1天
第二道钢筋砼钢围檩、支撑钢筋绑扎
2天
钢围檩安装
3天
模板支立
1天
支撑安装
3天
浇注和养护
7天
支撑受力
1天
第三道钢筋砼钢围檩、支撑钢筋绑扎
2天
钢围檩安装
3天
模板支立
1天
支撑安装
3天
浇注和养护
7天
支撑受力
1天
第四道钢筋砼钢围檩、支撑钢筋绑扎
2天
钢围檩安装
3天
模板支立
1天
支撑安装
4天
浇注和养护
7天
支撑受力
1天
钢筋砼拆除
30天
钢管柱拆除
5天
合计
70天
合计
30天
钢支撑的设计方案更加经济环保，钢支撑材料可重复使用，钢支撑体系在该工程中的顺利实施，在南水北调东干渠项目全线的基坑支撑施工中起到了示范性作用，并得到了业主和设计的认可，在全线进行了推广，取得了良好的经济和社会效益。
相关施工图片如下：

首层钢支撑安装

已完成钢支撑安装

牛腿细部图
钢围檩安装图

参考文献
1、陈骥，《钢结构稳定理论与设计》.科学出版社.2001；
2、刘新佳，《建筑工程材料手册》 化学工业出版社，2010年；
3、傅裕寿、张正威，《土力学与地基基础》清华大学出版社，2012年；