大跨度钢支撑技术在深基坑工程中的应用.pdf

福建材第7 期（总第2 6 7 期）技术应用大跨度钢支撑技术在深基坑工程中的应用刘强（福州第七建筑工程有限公司，福建福州35 0 0 0 1）摘要在大跨度深基坑工程中，钢筋混凝土、钢支撑等传统支撑形式难以同时满足安全性、工期和成本的要求。结合实际工程项目，介绍了大跨度钢支撑技术的设计方案、组合结构、施工要点及质量控制措施，为大跨度异形基坑支撑工程设计和施工提供一定的有益借鉴。关键词大跨度钢支撑；深基坑；预应力施加；钢支撑拆除0引言基坑支护是为保护地下主体结构施工和基坑周边环境安全，对基坑侧壁及周围环境采取的临时性支挡、加固和保护措施。随着城市人口密度增大和人均建设用地的减少，城市空间不断向空中或地下扩展，建筑发展呈现高层、超高层、大挖深、地下大空间等趋势,基坑开挖也随之呈现大深度、大广度趋势，因此对施工技术特别是深基坑支护技术的要求越来越高。目前，深基坑支护通常采用围护桩+内支撑形式，其中内支撑按材料主要有钢筋混凝土支撑和钢支撑两种 2)。钢筋混凝土材料刚度较大，但施工工期长、造价高，而传统钢支撑材料受结构稳定影响，承载力不高、支撑间距小、跨度小，难以用于大跨度的深基坑。大跨度钢支撑能够结合混凝土支撑和传统钢支撑的优点，实现大刚度、大跨度的支撑结构，造价低、工期短，在深基坑特别是大跨度深基坑支护工程领域有较好的应用前景。1二工程概况1.1基坑概况金峰花园北区安置房项目位于漳州市城芗区胜利西路南侧,金峰南路东侧,其中南侧临近已建的金峰花园，主要建设4 幢层数为2 6 2 9 层的框剪结构住宅楼，总建筑面积约5 6 0 8 0 m,其中地下面积约8 8 6 2 m。该工程项目基坑安全等级为一级,周边环境复杂,西侧和北侧紧邻市政道路，东侧距离三相江2 6.5 m，南侧距离已建作者简介：刘强（1 9 9 3一），男，本科，学士，工程师，主要从事房建施工技术管理工作。的3幢6 层PHC管桩基础住宅楼。基坑呈现刀片状异形结构，西宽东窄，开挖深度约1 0 m，面积约为8 7 2 2 m,周长约为4 8 0 m，南北跨度最宽6 5 m，东西长1 9 3m，属于大跨度异形深基坑。1.2地质水文条件根据地勘报告，工程区域自上而下的地层分别为：杂填土层、淤泥质粉质黏土层、粉质黏土层、中砂层、残积黏性土层、全风化花岗岩层，岩土物理力学参数如表1 所示。根据地层剖面图，基坑开挖区域内主要为粉质黏土层，局部存在淤泥质粉质黏土，存在潜水、微承压水和上层滞水。表1 主要岩土物理力学参数直剪快剪（标准值）渗透系数天然重度层号及名称黏聚力内摩擦角综合建议值r/(kN/m)Ck/kPa杂填土17.5淤泥质粉质黏土粉质黏土中砂残积黏性土全风化花岗岩19.02大大跨度钢管支撑结构设计2.1原设计方案工程基坑支护原设计方案为围护桩+2 道钢筋混凝土内支撑，第1 道混凝土支撑如图1 所示，围护桩采用钢筋混凝土灌注桩结合高压旋喷桩挡水，直径为8 0 0 mm900mm，间距1.2 1.5 m，长度为1 7 m、2 1 m；钢筋混凝土支撑结构包括主对撑及角撑、主对撑八字腿、主对撑连系杆、角撑连系杆，截面尺寸分别为800mm 900mm、7 0 0 mm 8 0 0 mm、6 0 0 mm 7 0 0 mm85K/(cm/s)8.015.017.110.918.524.519.03.018.119.125.03.00 10-36.64.15 10-715.04.79 10-820.0一17.1一25.0福建材2023年技术应用800mm700mm。混凝土支撑从钢筋、模板、浇捣至养护的整个施工过程需要较长的时间，且安装和拆除需要较长工期，导致在第1 道混凝土支撑施工完后进度严重滞后,难以满足施工工期的要求。为加快施工进度，施工单位提出将第2 道混凝土支撑改为钢支撑，并提请设计单位变更设计方案。9469558参考剖面图7-7ZC22wv9=L=43mWZS=72C3上下STAWS=7032c2面图5-5300ZC25580参考面图3-3请：款0 0 30 0，#市量9 2 长，手长1 8.4 m2.2工程设计难点为满足工程工期和安全性要求，主要存在以下难点：传统钢支撑施工方便，施工工期短，但材料刚度小，整体支撑性不足，难以满足工程大跨度基坑的支撑强度要求；基坑南北两侧土压存在偏差，支撑结构承载力不足时容易向一侧偏移，有引起基坑倾覆的风险；基坑形状不规则，不规则支撑与冠梁交接节点竖向弯矩容易出现异常，导致支撑变形、脱落，引发基坑支撑失效。因此，传统钢支撑不满足该工程基坑支撑安全性要求，应进行结构设计和施工技术的改进。经反复论证，工程最终选用大跨度钢支撑技术，即根据基坑结构对单根钢管尺寸规格及支撑组合进行特别设计，同时采用多点同步预应力施加系统。新方案能大幅度提高钢支撑系统的刚度，安拆方便，施工工期短，人工机械投人少，能较好地满足大跨度基坑对支撑强度和施工工期的要求。2.3大跨度钢支撑设计方案采用的大跨度钢支撑结构由钢管标准件、法兰盘、活络头、固定端、斜支座、单八字撑等部件组成，如图2 所示。其中，主支撑采用800mm16mm钢管，系杆采用H400mm400mm型钢，托梁采用H488mm300mm型钢。活络头可同时承受压力和拉8623902533558028400图1 第1 道混凝土支撑平面图力且安全稳定，解决常规活络头不能抗拉的短板。单八字撑结构上分竖向和斜向，构成八字形，竖向部分采用与主支撑钢管相同规格的钢管；斜向部分起支撑作用，一端采用焊接H型钢方式与竖向钢管连接，另一端端部设置法兰盘。单根主支撑钢管、系杆型钢和托梁型钢的长度及支撑组合根据所处基坑跨度和承载力要求确定,对钢支撑体系的强度和稳定性有关键影响,其中主支撑单根钢管长度有9.5 m、1 0 m、1 0.5 m、1 1 m、1 2 m不等，系杆型钢长度有7.5 m、8.0 m、8.3m 不等，托梁型钢长度为1 2 m。此外，大跨度钢支撑结构预应力施加采用多点同步加力系统，可一次性实现8 个支撑点预应力一键同步施加，避免不均衡施压造成的次生应力和上一根支撑应力消散的情况。图2 大跨度钢支撑结构1257128221278022+400 _ 5767 4274.7128 46320495参考剖面图4-471287128福建材技术应用第7 期（总第2 6 7 期）选择最大跨度6 4 m支撑处对应的剖面3-3 进行验算，内力包络图如图3 所示。由图3 可知，在第2 道钢支撑对应标高-5.0 5 -5.90 m处，最大土反力为2 0 7.4 kN/m，最大位移为1 6.5 mm，最大弯矩为5 7 1.1 kNm，最大剪力为3 0 1.2 kN,最大跨度处钢支撑所受轴力设计值为3552kN。经验算，800mm16mm钢管支撑的强度和稳定性均满足安全要求，因此方案满足基坑最大跨度处支撑强度及基坑安全等级要求。0-200.600长度，主要作用是确定钢支撑安装高度和水平位置在对撑安装前,应使用测量仪器在连系梁（托梁）上将对撑边线（中线）标出，使用1 0 cm长的L80mm10mm角钢做好对撑边线限位，然后施工班长根据对撑边线限位进行安装，否则无法保证对撑顺直度。3.2钢管支撑安装根据设计图纸委托加工或租赁钢支撑构件，并按安装顺序进行统一编号。构件进场后应逐一检查规格0-6000.000尺寸、外观数量、产品合格证等，并在场内地面进行预-400拼装，检验构件尺寸数量和加工精度是否满足设计要510152025-0.216.5（a）位移包络图（b）弯矩包络图（c）剪力包络图图3 音剖面3-3 处的内力包络图2.4设计方案经济性及工效对比大跨度钢支撑安装和拆除施工方便，可以随挖随撑，不需要养护，施工工期短，造价较低。经测算，第2道支撑若采用原钢筋混凝土方案，考虑拆除费用下，混凝土浇筑方量为8 2 6 m,基坑每延米合计单价为2 8 91元；800mm16mm钢管支撑方案，钢支撑安装和拆除每延米单价为1 5 8 7 元，钢支撑租赁每延米价格为7 3 0元，基坑每延米合计单价为2 3 1 7 元。在施工工期上，若考虑投人1 个班组,工时8 h/d,钢支撑施工工期约为14d；混凝土支撑养护天数2 8 d，加上模板安拆、混凝土浇筑，混凝土支撑总施工工期至少2 8 d。综合对比，第2道采用大跨度钢支撑节约造价2 0%左右，缩短工期50%以上，可解决施工进度滞后的问题，一定程度上降低工程造价。3施工工艺及质量控制要点3.1测量放线测量放线是大跨度钢支撑顺利安装的前提和基础，在立柱施工、预埋件安装、托架安装、围標安装、支撑安装等施工不同阶段都发挥重要作用。测量放线一般采用全站仪和水准仪，测量项目主要为标高和轴线510152025位移/mm-281.9571.1求 4 。在土方开挖至设计要求标高后,即可在第2 道围上安装预埋件，以连接钢支撑的活络头，然后在第110道混凝土支撑的立柱上安装长度为1 2 m的托梁作为竖向支承构件，最后用吊车按构件编号顺序安装主支撑15钢管、八字撑、连接系杆，其中八字撑竖向部分位于活20络头、主支撑钢管之间，斜向支撑部分与围连接，法兰盘部分与系杆连接。主支撑钢管、八字撑、系杆间用25弯矩/(kNm）-301.2206.7剪力/kN螺栓进行连接，且安装过程中应不断进行标高和轴线测量，以确保支撑位置安装精确。为增加钢支撑结构的稳定性和受力能力，工程采用双排钢管支撑,并在2根平行钢管之间布置型钢系杆，再通过抱箍将系杆与支撑钢管连接。同时，为避免产生较大偏心并降低立柱对钢支撑节点的约束作用，严格控制抱箍内尺寸，使其接近钢管直径8 0 0 mm。3.3预应力施加钢支撑刚度小，需施加预应力提高其表观刚度。当钢支撑安装就位并用系杆和抱箍连接后，就可以按设计要求对钢支撑施加预应力。预应力的施加应遵循对称、均匀、分层原则，当八字撑之间长度L50m时,可以采用一端加压；当八字撑之间长度L50m时,则宜采用两端加压。施加预应力时，千斤顶压力的合力点应与支撑轴线重合，多台千斤顶应在支撑轴线两侧对称、等距放置，且应同步平衡施加压力。预应力加至设计要求的额定值后，应对所有螺栓进行二次复紧并检查各连接节点情况，必要时对节点进行加固，待额定压力稳定后锁定。该工程所采用的多点同步加压系统可实现2 4 h不间断实时监控钢支撑系统轴力变化，当支撑轴力低于设计值时，系统自动补偿；当支撑轴力超出设计值时，系统可报警并根据指令自动卸载。系统通过调节基坑支撑体系的轴力，能较好地保障基坑安全。（下转第1 0 6 页）87福建材建设经济与管理2023年去处一般都是分发员工工资、原材料和设备的购买等。在这期间应尽量将收支维持在一个平衡的状态，对日后的进账和出账都应有一个合理的预测，预防资金链断裂。在工程施工中,不确定性因素太多,因此要做好万全的准备，使流动资金能够足够支配，不影响工程项目的正常进度。3.2加强施工材料管理建筑工程项目在建设过程中，材料的管理也是其施工进度管理的一个重要环节,把材料管理合理地融人到进度管理中去，才能有效地提高施工进度管理效率，进而提高施工单位的经济效益。在工程项目的建设中,施工材料与工程项目的施工质量紧密相连，只有加强材料管理，保护材料性能，才能进一步保证工程质量。原材料的采购人员需要加强自身的责任意识，严格把控原材料的采购。在采购过程中应多选择几家供货商进行对比，最好选择性价比高、质量好、信誉好的畅销货，必要时还可以与供货商建立长期合作关系，以保证稳定货源的供应，杜绝为了节约成本购买质量不达标的劣质原材料。另外，对于采购之后的原材料,应该合理存放，防止材料发生变质。如果出现此类问题，应及时查明原因，避免再次发生这种情况，以提高进度+.（上接第8 7 页）3.4钢支撑拆除支撑拆除过程是把由支撑承受的侧土压力转至永久支护结构或其他临时支护结构的过程,因此必须在基坑回填至基坑位置或主体结构混凝土强度达到设计要求的强度值时，方可进行支撑拆除。由于钢支撑拆除过程中围护结构将产生应力重分布，可能造成围护结构局部变形过大，危及基坑及周边环境的安全，故拆除前