浅谈钢结构支撑在深基坑支护中的应用

  摘要：本文介绍了深基坑中的支撑体系，进而说明了钢结构支撑体系内力的计算方式、地下水控制及其基坑土方开挖的措施和原

  近年来，城市里高层建筑迅速兴起，市政设施建设工程大量建设，这些大规模的工程建设都涉及到深基坑的土方开挖与支护，即基坑工程，它包括基坑支护结构的设计和施工、地下水控制、基坑土方开挖、工程监测和周围环境保护等。影响基坑工程的不确定 因素很多，如周围环境的多样性，因此基坑工程是一项风险性较大的工程，它涉及到工程地质、土力学和基础工程、结构力学、工程结构、实施工程技术等学科，是一门综合性学科。近几年来在支护结构中钢结构支撑体系被广泛采用。

  深基坑支护体系由两部分所组成，一是维护墙，还有是内支撑或者土层锚杆。他们与挡土桩墙一起，增强维护结构的整体稳定，不仅必然的联系到基坑的安全和土方开挖，对基坑的工程建设价格 和施工进度影响也很大。作用在挡墙上的水、土压力可以由内支 撑有效地传递和平衡，也可以由坑外设置的土锚维持其平衡，它 们还能减少支护结构的位移 内支撑可以直接平衡两端维护墙上所受到的侧压力，构造简单，受力明确。土锚设置在维护墙的 背后，为挖土、结构施工创造了空间，有利于提高施工效率。在软土地区，特别是在建筑密集的城市中，应用比较多的还是支撑。

  目前在一般建筑工程和市政设施建设工程中采用的支撑系统，按其材料可分为钢管支撑、型钢支撑和钢筋混凝土支撑，依据工程情况，有时在同一个基坑中采用钢结构和钢筋混凝土的组合支撑。

  现浇钢筋混凝土结构支撑具有较大的刚度，适用于各种复杂平面形状的基坑。现浇节点不会产生松动而增加墙移。工程实践表明，在钢结构支撑实施工程技术水平不高的情况下，钢筋混 凝土支撑具有更高的可靠性。但混凝土支撑自重大、材料不能重复使用，安装和拆除要比较长工期等缺点。当采用爆破方法拆除 支撑时，会出现噪声、振动以及碎块飞出等危害，在闹市区施工 应予注意。由于混凝土支撑从钢筋、模板、浇捣至养护的整个施工全套工艺流程要比较长的时问，因此不能够做到随挖随撑，这对控制墙体变形是不利的对于大型基坑的下部支撑采用钢筋混凝土时应特别慎重。

  钢结构支撑具有自重小、安装和拆除都很方便，还能够重复使用等优点。根据土方开挖进度，钢结构支撑能做到随挖随撑，并可施加预应力，这对控制墙体变形是十分有利的。因此，在正常的情况下，应优先选用钢结构支撑。然而钢结构支撑整体刚度较差，安装节点比较多，当节点构造不合理，或施工不当不契合设计要求，往往容易造成因节点变形与钢结构支撑变形，进而造成基坑过大的水平位移。有时甚至由于节点破坏，造成断一点而破坏整体的后果。对此应通过合理设计、严格现场管理和提高施工技术水平等措施加以控制。下面主要讲述钢结构内支撑体系的设计与施工，包括设计采用的计算方法，施工中应注意的问 题，如土方开挖时应遵循的时空效应理论，支撑架设的要求及信息施工监测等等。

  钢支撑常用的材料有钢管和型钢两种。钢管多用609钢管有多种壁厚(1Omm，12mm，14mm)可供选择。型钢支撑多用H型钢，组合型钢也可作为钢支撑。平面布置常用的有对撑、角撑、边桁架、边框架、圆拱形撑等。一般情况下对于平面形状接近方形且尺寸不大的基坑，宜采用角撑；对于形状接近方形但尺寸较大的基坑，宜采用环形、边桁架支撑：对于长方形基坑，宜采用对撑或对撑加角撑。支撑布置要综合考虑下列因素：①基坑平面形状、尺寸和开挖深度；②基坑周围的环境保护要求和邻近地下工程的施工情况：③主体工程地下结构的布置线；④土方开挖和主体工程地下结构的施工顺序和施工方法。支撑轴线应避开主体工程的柱网轴线，水平及竖向支撑布置要考虑便于挖土、结构楼盖布置、拆撑和换撑的方便。相邻支撑间的水平距离较大时，宜在支撑端部设置八字撑以减少支撑点间距：立柱一般应设置在纵横向支撑的交点处或平面桁(框)架式支撑的节点处，并应避开主体工程梁、柱及承重墙位置，立柱的间距取决于支撑杆件的稳定和竖向荷载的大小，一般不宜超过15m。

  常用的计算方法有平面抗力法和空问弹性抗力法两大类，平面抗力法是将围护结构简化为平面问题后的变形及内力计 算。包括：①等值梁方法：假定支护结构为1根在侧压力作用下 的梁，以弯矩为零处作为假想铰支点，计算假想铰支点以上部分内力，同时求得支座反力。该方法的不足之处为支撑系统只是假 想为一个没有变形的竖向链杆，而支撑体系采用的材料、截面尺寸、布置形式等均不能以参数的形式在计算中体现出来，等值梁方法计算中下端的铰支座位置是按经验公式进行估算的。因此无论是支座的形式还是支座的位置，都不能准确反映此处支护结构的实际受力状态。②弹性地基杆法：该方法将支护结构假设 为竖放弹性地基杆系，结构外侧作用的侧压力按照朗肯理论或库仑理论进行计算，支撑系统和坑底以下的土抗力假设为弹簧支座，对支护结构根据需要划分为有限单元体，通过形成梁、链杆系统的整体刚度矩阵用数值分析方法求解。③连续梁法：该方法将支撑体系的某一段帽梁隔离出来作为结构设计的控制段建立多跨连续梁的计算模型，假定一定的荷载条件，从静力平衡法或弹性抗力法中得到帽梁对围护结构的作用力，将支撑按支座条件处理，求得帽梁内力和支座反力，然后，根据支座反力求得支撑内力。这种方法忽略了支撑本身的变形，也没有考虑维护结构与帽梁的相互作用。④均布力法：是把支撑系统从支护体系中隔离出来，认为周围作用着均布荷载，其荷载值可从围护结构半面计算中得到，并根据支撑体系的实际受力和变形特点，对其添加一定的边界条件。使之成为几何不变体。这种方法在整个支撑系统的平面上进行受力和变形分析，在工程中应用较为普遍。该方法同连续梁法相比在计算精度上有很大的提高，更符合基坑支撑实际受力情况。但也有其本身的缺陷，只考虑了帽梁与支撑的相互作用，而没有考虑帽梁与支护结构的相互作用，因此也具有很大的近似性。

  对帽梁、挡墙、内支撑作为整体计算，荷载就是土压力及水压力，作用方向垂直于挡墙所构成的平面。空间弹性抗力法是将支护体系完全从土体中隔离出来所进行的计算。由于帽梁、支撑一起参与计算，不再需要像平向弹性抗力法那样将支撑系统的作用以弹簧模拟，对支护体系本身而言，计算基本是精确的。但这种方法也有其近似性，主要体现在如何反映支护体系与土体的相互作用上。在坑底以上土体对支护体系的作用体现为主动土压力，坑底以下利用m法分布的土弹簧来模拟坑底以下土体对支护结构的作用。空间弹性抗力法解决了平面弹性抗力法中对支撑刚度确定较为困难的问题，支撑系统直接参与计算。对于复杂基坑支撑系统宜按空间弹性抗力法进行计算支护结构的内 力和变形及支撑内力，同时还应考虑开挖的不同阶段及地下结构施工过程中对换撑的各种工况进行计算，从中找出最d，N的内力组合和最大变形，据此进行设计构件。

  节点构造是钢支撑设计中需要充分注意的一个重要内容，不合适的连接构造容易使基坑产生过大变形。H钢和钢管的拼接方法主要有：螺栓连接和焊接。焊接连接一般可以达到截面等强度要求，传力性能较好，但现场工作量较大。螺栓连接的可靠性不如焊接，但现场拼接方便。用H钢作围檩时，虽然在它的主平面内抗弯性能很好，但抗剪和抗扭性能较差，需要采取合适的构造措施加以弥补。H钢围檩和支撑连接时在围檩和维护墙之间填充细石混凝土可以使围檩受力均匀，避免受偏心力作用和产生扭转；在围檩和支撑的腹板上焊接加劲板可以增强腹板的稳定性和提高截面的抗扭刚度，防止局部压弯破坏。纵横向水平支撑交叉点的连接有平接和叠接两种。一般说，平接节点比较可靠，可以使支撑体系形成较大的平面刚度。叠接连接施工方便，但是这种连接能否有效限制支撑水平面内的压弯变形是值得怀疑的。

  (1)地下水控制土方开挖之前必须对地下水进行控制，常用的方法有排水、降水和回灌等。基坑内降水时，由于围护墙有挡水作用，不影响基坑外的地下水位，可减少基坑内土壤含水量，使土壤产生周结，便于机械下基坑挖土和运土，在地下水位高的软土地区，于基坑开挖之前大多进行预降水。基坑外降水，亦可使土壤产生固结，降低地下水位，减少土压力和水压力，对支护结构设计有利，但坑外降水如基坑附近有建(构)筑物、道路等设施，要防止因土壤固结产生过大沉降而带来的危害，必要时应采取回灌措施来控制附近的地下水位。深基坑工程降水多采用喷射井点和线)基坑土方开挖基坑土方开挖的基本原则：必须遵循时空 效应的原则(在基坑开挖施工过程中，每个开挖步骤的开挖空间 几何尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数对基坑变 形都具有明显的相关性)，做到随挖随撑、先撑后挖、分层开挖、 限时开挖，尽量缩短基坑无支撑暴露时间，有效控制基坑变形量。

  (1)架设速度要快。为提高钢支撑架设速度，可采取以下几种技术措施：合理设计钢支撑活络端的活动量，在基坑开挖前即 进行支撑预拼装，其活络端的理论活动量控制在20～36cm之间。配件设计的基本要求实用合理，钢楔应设计得简单实用、安装方便， 其布置的长度尺寸在满足受力要求的基础上，能够适合活络端 活动量在15～36cm之间各种尺寸的长度要求。托架安装提前安排，支撑附加式承托架的焊接可以提前安排在土方开挖尚未完 成，但支撑与连续墙的支撑点位置已开挖结束时进行。钢支撑吊 装的方法，钢支撑吊放安装时可采用钢扁担两点吊放法，即先安装一端就位，再安装另一端，这样可避免上面一道或几道钢支撑的影响，速度大大加快，一次性成功率得到很大的提高。

  (2)架设质量要高。为提高钢支撑架设的质量，可采取以下几种措施：支撑架设前，充分准备好支撑材料，在地面进行钢支撑的预拼装。钢支撑安装就位后，要求支撑位置(平面与高程)误差不大于15mm，支撑就位校正后，用千斤顶将支撑稍微顶紧， 安放钢楔，钢楔要求两面刨光，且安放位置要保证与支撑轴线重合，并确保钢楔为而接触而非点接触，以便更好地传力和防止应力集中。施加支撑预应力阶段，顶紧活络头的两台千斤顶、油泵站、压力表(经标定)应有专人负责操作和日常维修，确保两台千斤顶同步正常运行，避免产生钢支撑偏心受压发生事故。

  支撑体系拆除的过程其实就是支撑的“倒换”过程，即把由钢管横支撑所承受的侧土压力转至永久支护结构或其他临时支护结构。支撑体系的拆除施工应特别注意以下两点：

  （2）利用主体结构换撑时，主体结构的楼板或底板混凝土强度应达到设计强度的80％以上。

  （3）增加支撑的道数能有效地降低桩的内力和位移峰值，但支撑道数过多，会影响基坑开挖进度，增加支护成本。支撑道数应根据工程实际情况，经过方案经济技术比较分析确定。

  （4）支撑刚度达到某一值以后，支撑刚度对桩的内力和位移无明显影响。支撑刚度主要取决于其截面尺寸。因此在支撑系统设计时，应尽量避免支撑截面尺寸越大越好的错误思想。

  （5）支撑预应力能有效地减小桩身向基坑中的位移，但会使桩的内力明显地增加，所以支撑预应力应适当，避免支撑预应力过大而引起支护桩被破坏。

  钢支撑自重轻，装拆方便且迅速，可减少围护墙由于无支撑时间长、土体蠕变而增大变形，减少时问效应；可施加预压力，且能根据围护墙变形的发展及时调整预压力值，以控制其变形；钢支撑是工具式结构，可多次重复使用；钢管内支撑施工质量较易 控制，不受地层限制，适用于各种地质条件下的基坑工程。由于钢支撑同混凝土相比有着非常明显的优越性，使得其在基坑支护结构中越来越被广泛采用。