深大基坑钢支撑支护体系教学提纲.doc

深大基坑钢支撑支护体系
在国贸二期工程中的应用与研究
一、 工程概况
北京中国国贸中心二期工程地处东三环中路与建国门外大街交会处国贸建筑群内，与中国大饭店、国贸饭店、国贸南北公寓等建筑物相毗邻。国贸二期工程为综合性建筑物，地下四层，地上38层。基坑长253.7米，宽51.8米，深度18.6米。
二、 深基坑支护方案分析
1、 常用深基坑支护方案分析：
北京地区常用的深基坑支护形式有：
悬臂式钻孔灌注桩（用于基坑深度较小的情况）
土钉墙
桩锚体系
连续墙+锚杆体系
连续墙+内横支撑体系
围护结构+止水帷幕
2、 深基坑环境条件与基坑条件分析：
国贸二期工程位于现国贸中心院内，周围是密集的建筑群。南有38层的国贸中心写字楼和16层的中国大饭店，北临10层的国贸饭店、10层的职工宿舍和15层的信息中心大楼，西侧为30层的国贸南北公寓，东侧为住宅楼。周围的建筑群与本工程深基坑之最小距离仅有5-6米。
国贸二期深基坑长约256米，宽约51米，面积约13000平方米。基坑深18.6米，整个工程支护面积约11400平方米。其规模及开挖深均罕见。临近建筑物的基础埋深只有8米和14米，远小于本工程的基础埋深。本工程周围还有密布的地下管道和管线。

3、支护方案的确定
根据国贸二期工程深基坑的环境条件和基坑条件，在地下8米和地下14米以上由于邻近建筑物的影响，土层锚杆或土钉无法实施，即采用北京地区常用的基坑支护体系在本工程已不适用，必须寻求一种新的支护形式。经过认真的计算分析，国贸二期深基坑支护采用如下方案：
1、 围护结构：采用φ800@1600的钻孔灌注桩；
2、 内支撑体系：在-2.5米和-8米处设二道钢支撑，沿基坑横向设三排型钢立柱；
3、 外支撑体系：在-14.5米处设锚杆一道
4、 -2.5米处设钢筋混凝土帽梁，-8米处设型钢帽梁
5、 -2.5米以上采用带钢筋混凝土构造柱的砖砌挡土墙

本工程是北京地区以至全国首例在深大基坑中采用钢支撑+锚杆的支撑体系。
三、 设计分析：
深基坑支护结构的设计是一项复杂的岩土工程设计，影响它的因素很多，因此必须充分考虑各种因素，并采取一定的对策。一般其设计原则为：
1. 深基坑支护结构虽然是临时结构，但它是保证主体结构施工和基坑周围环境安全的重要结构。因此必须合理的选择其安全度。
2. 深基坑支护要求安全可靠，稳定性好，确保基坑周围高大建筑物的安全和保证主体结构的施工。
3. 深基坑支护设计要充分考虑方便土方开挖和主体结构的施工，对钢支撑要注意便于安装和拆卸，利于钢材的回收，降低工程造价。
因此本工程在长253.7米，宽51.8米的基坑中，钢支撑的布置考虑了主体结构的立柱和剪力墙位置，每隔8米左右布一道横撑，角部采用斜撑，横向设三排型钢立柱，以减少钢支撑的自由长度。纵向布置三道系杆，端部布置有剪力撑。立柱、支撑、系杆、剪力撑构成了空间作用的刚度较大的稳定性好的支撑体系。钢结构支撑及锚杆布置见钢支撑平面布置示意图。

钢筋混凝土灌注桩围护结构和土层锚杆在近年来的工程实践中已相当普及，其技术已趋成熟在此不进行阐述。所以本工程中的技术关键是钢支撑体系。
1. 钢支撑体系的内力分析
国贸二期工程的基坑长256m，宽51m，基坑开挖深18.6m。长宽深比较大，深基坑的空间效应不明显。本设计将钢支撑简化为平面问题来计算分析，每道钢支撑可简化为相互独立的受压杆件。（详细计算结果略）
2. 钢支撑的杆件设计

考虑业主的要求和施工单位现有材料以及内力的分析结果，进行综合选择，得出钢支撑体系的杆件材料。钢支撑及腰梁等主要材料均选用日产H型钢（H488x300x18x11），纵向系杆为2[28a热轧槽钢；与工字钢连接的拼接板、加劲板、端头板选用16锰钢板，与热轧槽钢连接的拼接板、加劲板、端头板选用A3钢板，焊条为E4303碳钢焊条。
3. 钢支撑体系的节点设计
考虑现场的施工情况，对钢支撑的连接采用法兰连接，可保证质量，且便于操作，容易调节对中。为减少钢支撑的自由长度，加强支撑体系的整体刚度，采用了临时立柱嵌固的办法。由于系杆是沿基坑的纵向布置，其温度变形对钢支撑的侧向稳定影响较大因此在设计中系杆的接长采用螺栓连接，接头处留20mm间隙。
4. 钢支撑预压力接头设计
为了保证钢支撑对围护结构的支撑作用，在钢支撑安装就位后需施加预压力。钢支撑与围护结构的水平构件的连接一端为固定，另一端可自由伸缩，即为“活接头”（见活接头图）。

5. 钢支撑、系杆、临时立杆连接的三维节点设计
为了将钢支撑、系杆、临时立柱三个构件连成整体，协同工作，成为稳定的支撑体系。根据钢支撑的受力特点，此节点要求既有三向约束作用，又允许钢支撑、系杆在各自轴线方向有变形。因此设计了一个采用摩擦力为传力机理的三向U形螺栓套箍连接的三维节点。
在深基坑的开挖和支护的计算过程中，常遇到一些经典土力学理论无法解决的问题，因此在进行计算时往往进行简化处理。
在本工程的深基坑的结构计算中使用了结构通用程序SAP84和二维有限元程序2D-σ软件，通过对不同假设时的计算结果进行比较，为以后同类工程设计与施工方案制定提供了参考依据。
（具体计算过程略）
四、 施工分析
国贸二期钢支撑支护体系在深大基坑中的应用在北京尚属首次，在施工中存在如下技术难点：
1、 钢支撑作为基坑内支护体系尚无国家和行业标准作为组织施工和验收的统一规范。
2、 钢支撑内支护体系在北京应用尚属首次，无经验可循。
3、 国贸二期工程位于建筑物密集区，为确保周围建筑物安全，变形控制要求严格，需要较高的施工质量和技术上较为灵活的应变能力才可保证。
在本工程施工过程中，根据本工程的施工实际并结合以往的深基坑支护施工经验，深入研究，解决了施工技术的关键。
1、 制定合理的总体施工工艺流程
-3米以上一层土方开挖


帽梁及预埋件砖挡土墙施工
护坡桩和型钢立柱施工


一层钢支撑型钢立柱牛腿施工


-8.5米以上二层中部土开挖


一层钢支撑安装和施加预压力


降水井施工
-8.5米以上二层两端土开挖


二层钢支撑型钢立柱牛腿施工


-15米以上三层中部土开挖


二层钢支撑安装和施加预压力


-15米以上三层两端土开挖


二层钢支撑施工和施加预压力


 锚杆施工和施加预压力


四层土方开挖到底


2、 降水方案及其施工
根据国贸二期的工程地质资料，对基坑开挖造成影响的地下水有两层,一层为埋深-11.8 -20.5m的粉细砂、中砂、粗砂、砾石层中的潜水层，另一层为-24.0 -34.0m的中砂、砾石层中的承压含水层，-20.5 -24.0m为不透水层。
由于基坑开挖深度为18.6m，基坑四周满布管线，且周围高层建筑较多，若将降水井布置在基坑外，势必会使周围高层建筑物的沉降量加大，建筑物的安全将产生隐患；另外降水井的深度也会加深，降水效果有可能不理想。因此考虑将降水井布置在基坑内，但需解决如下问题：一是降水停止后井口的封堵问题，二是解决可能出现的由护坡桩之间向基坑内渗水的现象，三是在挖土过程中如何防止降水井被土方埋没。为不让承压水对基坑施工产生较大影响，设计拟不打穿隔水层，这样即可减少因降水对周围建筑物沉降的影响，又可减少出水量。根据地质资料地下水位最高可能在-12.0m，因此降水井施工安排在土方开挖至-9.0m时进行。根据降水计算若将水位降至基底下0.5米，降水井需井深14.0m（从-9.0m起），井身直径0.6米，井数量38口，井距约15米，降水周期28天。
1) 根据基础底板结构图进行降水井平面布置，避开结构柱、墙和钢支撑立柱。
2) 由于土方开挖，降水井井管需逐节随即拆除，所以降水井要注意保护，井口周围土方采用人工清除，避免降水井被土埋死。
3) 封井措施：由于降水井位于基坑内，当地下室结构的载荷能抵消地下水的浮力时方可停止降水，降水井井口位于底板内，因此，封井时井口需做特殊处理，处理方法见附图。
4）盲沟降排水措施
土方开挖至基底时，在基坑周边条形基础下粘土层中挖一条盲沟，与降水井相连，沟宽2000 mm，深1000 mm，坡度1%，顶面低于条基底面300 mm。沟内填以30-50mm卵石，用振捣器或小型压路机振实，承载力大于200Kpa。
盲沟施工的同时，用装满沙砾土的草袋填充由于沙土流失而形成的桩间孔洞，根据水量大小，在草袋中插入白塑料管，引导外来水流入盲沟中，再排入降水井内。水量稳定后挂钢丝网片，抹水泥砂浆。
经过施工实际检验，以上降排水措施效果很有效，周围建筑物的沉降量在规范允许的范围内，垫层施工在干槽的状态下进行。
3、 钢支撑施工工艺流程
构件加工编号 构件运输 型钢立柱、预埋件、腰梁安装 钢支撑安装，钢支撑的安装是确保整个支护体系安全和稳定的关键，其工艺流程如下： 
测量放线
构件返修
构件复验
不合格

钢支撑安装
专职质检员
合格 不合格

校正
测量

安装验收申请
专职质检员
不合格

端头焊接
合格
焊接验收申请
专职质检员
不合格

测量监测
施加预压力
合格
合格
验收申请
专职质检员
不合格

后续过程
合格

4、钢支撑安装施工要点
由于现场场地紧张，构件加工在第二场地进行。成品运输，使用10m长半挂托车运输。钢支撑的安装分为上下两层，分别跟随土方开挖进行安装，安装方向与土方开挖方向相同，均由西向东依次进行。根据主撑的重量(一般在2吨左右)和上下两层撑的间距。选QL3-16吨轮胎式吊车进行钢支撑的吊装(吊臂10-13m)，卸车采用一台30～50吨履带吊车，钢支撑由临时马道运进基坑。
钢支撑安装步骤及要求：
1)钢支撑安装前，对护坡桩上予埋件进行复查，必要时进行调整。
2)钢支撑安装前，根据设计尺寸安装腰梁及中间立柱的支托。
3)钢结构的安装顺序必须确保结构的稳定性和牢固性。
4)在中间柱四周要搭设工作台，以便于钢支撑的就位和焊接。
5)主支撑就位后，要进行找正，必要时支托位置进行调整。
6)主支撑与腰梁及中间柱结点焊接时，按设计予留焊缝，焊缝间隙要符合质量标准。
主支撑两端予应力施工要点：
1) 每根水平支撑一端制作活头，施加预应力，并加焊置放千斤顶的位置，另一端焊死。
2)安装千斤顶，在水平支撑一端加予应力，采用钢楔子固定，并焊牢。
3) 千斤顶采用4个50吨的液压千斤顶，利用油表控制压力。横撑施加预应力为500KN，施加预应力时要监测邻近支撑预应力的损失情况，当损失50%以上时，应重新施加。
5、钢支撑拆除
地下室结构自下而上施工至第二道钢支撑下1.0米，即地下二层楼板（-9.25米）混凝土及底板后浇带混凝土浇注完毕，混凝土强度达到80%以上时，可拆除第二道钢支撑。第一道钢支撑需在地下一层楼板及地下三层、地下二层楼板和外墙的后浇带施工完毕时拆除。拆除时将钢支撑范围内的纵向系杆、八字撑、剪刀撑、缀条、柱箍等首先拆除，然后用千斤顶将钢支撑卸载，撤除撑端的钢楔。用塔吊将钢支撑吊出基坑。
6、 施工检测技术
在国贸二期深基坑施工过程中，我们建立了一套严密的观测系统。检测内容包括：
护坡桩水平位移检测
相邻建筑物沉降观测
支护结构临近地面裂缝观测
钢支撑施加预压力时侧向挠度控制
钢支撑侧向挠度长期观测
钢支撑分级预压力试验
锚杆预拉力试验

钢支撑轴力测试
系杆和斜撑的轴力测试
土体水平位移的监测
锚杆受力监测
通过对以上监测数据的分析，使工程技术人员及时了解基坑开挖各阶段的变化情况和趋势，分析可能出现的不安全因素及时采取措施，防患于未然。
大跨度的钢支撑在北京是首次应用，许多控制参数需要在施工中逐步摸索，尤其是钢支撑预压力的施加是整个系统安全的关键，在预压力的过程中，通过对钢支撑挠度，腰梁同护坡桩的顶紧程度，土体开挖后护坡桩顶位移的监测数据的整理分析，逐步摸索到了一个合适的预压力施加值。
 预压力的施加首先从基坑西侧第一层角撑开始，施加值逐级递增，从81KN 162KN 243KN 324KN，钢支撑对应挠度为0 0.5MM 1MM 1.5MM，属于弹性变形阶段。活接头用楔子锁定以后，拆除千斤顶，钢支撑残余挠度为1MM，施加预压力后，随着土体的逐步开挖，不断用经纬仪进行监测，第二天土体开挖完毕后，护坡桩顶位移最大达1.2CM。根据观测结果，与有关单位分析后，推断是由于预压力施加较小和中部节点焊接使预压力传递受阻所致，在以后的钢支撑施加预压力过程中，预压力确定为设计值的50%，考虑到压力损失，预压力的施加值提高到810KN。活接头用楔子锁定后，撤除千斤顶，钢支撑残余挠度为1-3MM，随着土方的开挖，通过对护坡桩顶位移的监测，土体开挖后有的护坡桩基本不动，大部分位移仅为2-3MM，这样通过合理的预压力的施加，达到有效控制支护结构位移的作用。
五、 经济效益分析
在北京地区基坑支护中，一般采用锚杆支护方案，即“护坡桩+锚杆”或“地下连续墙+锚杆”的方案。但在国贸二期工程的特定条件下无法采用锚杆方案而只能采用钢支撑等内支撑支护体系。
钢支撑作为一种支护方法在北京地铁施工中采用过，但一般用在跨度较小的地铁车站（不超过20米）。对于大跨度（超过50米）的深基坑而从未应用过。国贸二期的实践解决了钢支撑体系在特大基坑支护中遇到的技术难点，如用料、布杆、节点、活接头以及施加预压力、施工工艺、监测手段等等一系列问题，为钢支撑的应用积累了经验。
与锚杆体系相比，钢支撑支护体系具有施工方便，安全可靠，不给周围环境带来污染的特点。锚杆的施工受到一些限制，一是锚杆的施工会越过红线给周围建筑物施工带来困难，二是周围建筑物的基础较深时将无法施工。在这种情况下应用钢支撑施工技术将很好的解决上述问题。
与地下连续墙等混凝土支撑体系比较，钢支撑体系具有施工速度快，施工成本低的特点。
国贸二期工程几种支护方案的比较
方案类别
连续墙+锚杆
护坡桩+锚杆
护坡桩+钢支撑+锚杆
主要工程量
连续墙643米（宽800、深23600）三层锚杆约1200根
ф800护坡桩401根（桩长20米）三层锚杆约1200根
ф800护坡桩401根（长20米）钢支撑两层（约1400吨钢材）一层锚杆400根
工程造价
约3150万元
约1435万元
约1410万元
注：a、挖土和降水费用不在计算之内
b、假定锚杆施工不受限制
从以上三种方案比较看出，采用“地下连续墙+锚杆”方案工程造价最高。“护坡桩+钢支撑+锚杆”造价较低。钢支撑虽然一次性投资较高，但其支护结构拆卸后可周转使用3-5次，从而降低费用。本工程引进了拥有现成H488工字钢桩的城建道桥公司作为分包单位，节约了工程成本。
六、 总结
在国贸二期钢支撑支护体系施工过程中，很多专家和大学师生，兄弟单位前来参观学习。工程得到了专家和有关人员的一致好评。国贸二期的钢支撑支护体系成功应用为北京地区同类型工程的施工积累了丰富的经验。在目前建筑施工环境越来越狭小，锚杆施工技术受到限制的情况下，钢支撑支护体系的应用有着广泛的应用前景。