深基坑鋼支撐圍護結(jié)構(gòu)方案設計

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南水北調(diào)東干渠八標盾構(gòu)始發(fā)井混凝土支撐變更鋼支撐方案設計 張海虎 中鐵六局北京鐵建第十五項目部 摘 要 深基坑施工是目前城市道路、地鐵隧道、房屋建筑等施工領(lǐng)域經(jīng)常遇見的問題，為適應不同的地質(zhì)情況及施工環(huán)境采用不同類型的圍護結(jié)構(gòu)及支撐形式，保證基坑的穩(wěn)定及基坑施工期間的安全，深基坑施工往往受限于各種條件而具有一定的危險性；同時，深基坑施工在不同的支撐體系選擇上也會產(chǎn)生不同的效果，為了盡量節(jié)約工期，減少對周邊環(huán)境的影響，同時考慮施工材料的方便及重復利用，應該對支撐系統(tǒng)進行合理科學的設計。本文結(jié)合南水北調(diào)東干渠工程盾構(gòu)始發(fā)井深基坑的鋼支撐設計施工，總結(jié)出適合城鎮(zhèn)地鐵車站及其它深基坑施工過程中的鋼支撐體系設計方案，通過該設計方案的順利實施，進一步推進鋼支撐體系在深基坑中的運用，對同類工程施工具有良好的參考借鑒作用。 關(guān)鍵詞 深基坑、鋼支撐設計、鋼支撐安裝、穩(wěn)定性計算 作者簡介：張?；?男 助理工程師 2008年畢業(yè)于北京航空航天大學 電話13911458580 前 言 基坑內(nèi)支撐體系一般由各種型鋼撐、鋼管撐、鋼筋混凝土撐等構(gòu)成支撐系統(tǒng)，而在深基坑的施工支護結(jié)構(gòu)中，常用的支撐系統(tǒng)按其材料可分為現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐體系和鋼支撐體系兩類。南水北調(diào)東干渠工程施工因拆遷進地導致了工期滯后兩個半月，在業(yè)主要求采取技術(shù)措施搶回工期的前提下，本標段針對基坑支撐形式提出了采用鋼支撐代替原鋼筋混凝土支撐的方案設計，并委托設計院進行了鋼支撐穩(wěn)定性的計算和復核，確認了采用鋼支撐體系完全能滿足原設計使用要求，得到了業(yè)主方的認可，在全線始發(fā)井深基坑開挖中采用鋼支撐開了先例，起了帶頭作用，極大的縮短了工期。 一、工程概況 北京市南水北調(diào)配套工程東干渠第八標段，主要工作內(nèi)容為1條內(nèi)徑4600mm的鋼筋砼圓涵（盾構(gòu)雙層襯砌結(jié)構(gòu)），埋深在20～26m，最大埋深30m。 13#盾構(gòu)始發(fā)井開挖深度為22.73m，開挖土方數(shù)13067.4m3。盾構(gòu)始發(fā)井基坑圍護結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻+水平支撐體系組成，地連墻厚度為1m，采用C30W8F150水下混凝土澆筑，墻頂設置12001400mm的鋼筋砼冠梁，槽段劃分共22幅，基坑內(nèi)由上往下共設置五道支撐，其中第一至第四道為C30鋼筋砼支撐，第五道為鋼支撐，鋼支撐在底板混凝土澆筑完成并達到設計強度后進行拆除，原設計施加主動軸力200KN，盾構(gòu)進出口四周設置混凝土板撐。 圖1-1 始發(fā)井原支撐結(jié)構(gòu)平面圖 圖1-2 始發(fā)井原支撐結(jié)構(gòu)立面圖 二、鋼支撐圍護結(jié)構(gòu)設計方案 13#盾構(gòu)井變更后的支撐系統(tǒng)由鋼筋砼冠梁、鋼圍檁、鋼管支撐、鋼管斜撐等組成，整個基坑共6道支撐系統(tǒng)。其中第一道至第三道為一種形式，基坑啞鈴的中間段由7根鋼管（Φ600mm，δ12mm）支撐組成，兩端由8道標準鋼管角撐組成。第四道支撐數(shù)量變成11根，間距2.5m。第五層支撐為11根鋼管（Φ800mm，δ12mm），第六層直撐19根鋼管，角撐4根鋼管。變更后鋼支撐布置平面圖見下圖。 19 鋼支撐立面布置圖 第二至第四層鋼支撐平面布置圖 第五層鋼支撐平面布置圖 2.1、鋼支撐設計原則及依據(jù) 2.1.1、鋼支撐設計原則 （1）滿足始發(fā)井開挖過程中基坑穩(wěn)定性要求，各項監(jiān)測指標滿足設計要求； （2）鋼支撐體系自身具備足夠的強度和剛度，地連墻圍護結(jié)構(gòu)變形滿足設計要求； （3）鋼支撐安裝方便，便于拼裝和拆除。 2.1.2、鋼支撐設計依據(jù) （1）《南水北調(diào)東干渠施工第八標段施工圖設計及技術(shù)要求》 （2）《鋼結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)范》 （3）《建筑工程材料手冊》 （4）《盾構(gòu)掘進隧道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50446-2008） 2.2、鋼支撐系統(tǒng)設計方案 （1）鋼圍檁牛腿托架安裝設計 鋼圍檁牛腿托架由∠758角鋼制成，托架安裝間距1.5m，其尺寸大小及設計形式見下圖： 圖2-1 牛腿設計示意圖 牛腿托架采用在地連墻內(nèi)植入鋼筋或打入膨脹螺栓進行固定，用于安放鋼圍檁。 （2）鋼圍檁的安裝設計 第一道支撐安裝在冠梁上，其余支撐安裝在鋼圍檁上。鋼圍檁由I45B工字鋼與鋼板焊接組成，工字鋼中間焊接加勁板，增強其剛度，防止受力變形，鋼圍檁長度根據(jù)基坑內(nèi)尺寸及形狀采用不同長度的標準；以標準段2.5m鋼圍檁為例，其設計斷面及形式見下圖： 圖2-2 鋼圍檁正面圖 圖2-3 鋼圍檁立面圖 鋼圍檁和鋼管柱支撐在加工廠按要求進行加工。當基坑開挖到一定深度時，停止開挖。采用龍門吊和人工配合下放，吊裝鋼圍檁就位并連接，鋼圍檁之間連接采用8.9級高強螺栓，拼裝簡單快捷。 （3）鋼支撐的制作安裝設計 鋼支撐分段制作，采用直徑600mm（壁厚12mm）、直徑800mm（壁厚12mm）材質(zhì)Q235鋼管，分段之間采用法蘭盤和螺栓聯(lián)接，螺栓采用8.9級高強螺栓。為方便吊裝，鋼支撐上焊接吊點，鋼支撐分為直支撐和斜支撐，又分為標準段和連接段。其中，用于施加預應力的一端為活動端，另一端為固定端。相關(guān)的設計圖紙見下圖。 圖2-4 標準段鋼支撐示意圖 圖2-5 活動端支撐示意圖 （4）施加預應力 鋼支撐安裝完畢后，在活動端采用2臺100t施加鋼支撐預應力，在活動端逐級加壓。當達到設計壓力，無明顯衰減時，采用特制定型鋼楔子鎖定鋼支撐。鋼管軸力監(jiān)測通過焊接軸力計。測點布設原則為角撐上從第一層到第六層都進行布設，橫向鋼管支撐前2層選取2根鋼管進行監(jiān)測，第三層到第六層每層選取4根鋼管進行監(jiān)測。完成該階段的基坑支撐結(jié)構(gòu)的施工，隨即進行下一階段的基坑開挖作業(yè)。 三、鋼支撐體系安全性驗算 3.1計算概況 基坑開挖深度為22.73m，采用厚度為1000mm的地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)，墻長度為34.73m，墻頂標高為0m。計算時考慮地面超載20kPa。 共設6道支撐，見下表。 中心標高（m） 剛度（MN/m2） 預加軸力（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、工程地質(zhì)條件 場地地質(zhì)條件和計算參數(shù)見表1。地下水位標高為-2m。 表1 土層 層底標高(m) 層厚(m) 重度(kN/m3) j() c(kPa) 滲透系數(shù) (m/d) 壓縮模量 (MPa) m(kN/m4) kmax(kN/m3) 天然土 -2 2 20 8 20 4960 粉質(zhì)粘土 -5 3 19.2 10 30 8000 砂土 -8.3 3.3 20.2 25 1 20200 粉質(zhì)粘土 -15.8 7.5 20 10 30 8000 粉質(zhì)粘土 -25.6 9.8 19.1 10 30 8000 砂土 -29.9 4.3 20.2 1 25 4840 粉質(zhì)粘土 -33.8 3.9 20 10 30 8000 砂土 -43.5 9.7 20.4 30 1 30200 粉質(zhì)粘土 -63.5 20 19.9 15 35 13000 坑內(nèi)進行加固，加固土層的計算參數(shù)見表2。 表2 土層 層底標高(m) 層厚(m) 重度(kN/m3) j() c(kPa) 滲透系數(shù) (m/d) 壓縮模量 (MPa) m(kN/m4) kmax(kN/m3) 天然土 -2 2 20 8 20 4960 粉質(zhì)粘土 -5 3 19.2 10 30 8000 砂土 -8.3 3.3 20.2 25 1 20200 粉質(zhì)粘土 -15.8 7.5 20 10 30 8000 粉質(zhì)粘土 -25.6 9.8 19.1 10 30 8000 砂土 -29.9 4.3 20.2 1 25 4840 粉質(zhì)粘土 -33.8 3.9 20 10 30 8000 砂土 -43.5 9.7 20.4 30 1 30200 粉質(zhì)粘土 -63.5 20 19.9 15 35 13000 3.3、施工工況 工況編號 工況類型 深度(m) 支撐剛度 (MN/m2) 支撐編號 預加軸力 (kN/m) 1 加撐 0 422.94 4 50 2 開挖 5.5 3 加撐 5.5 451.63 5 50 4 開挖 9.25 5 加撐 9.25 592.76 6 50 6 開挖 13.13 7 加撐 13.13 528.68 7 50 8 開挖 17.23 9 加撐 17.23 632.28 8 50 10 開挖 22.73 11 加撐 22.73 10909.09 9 12 拆撐 8 工況簡圖如下： 3.4、穩(wěn)定性驗算 抗管涌驗算: 按砂土，安全系數(shù)K=1.145 按粘土，安全系數(shù)K=2.133 3.5、鋼支撐穩(wěn)定性計算 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50017-2003），鋼管計算參數(shù)如下； 查附錄表C-2 穩(wěn)定承載力 =0.92529792215=5924.95 基坑各支撐力表如下： 支撐編號 軸力（/m） 間距(m) 總支撐軸力（） 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 表中各道支撐軸力均小于鋼管極限穩(wěn)定承載力5924.95，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。 四、實際應用實例 目前本工程已經(jīng)完成了盾構(gòu)始發(fā)井的基坑開挖施工，根據(jù)優(yōu)化后的鋼支撐體系，基坑開挖過程安全可靠，基坑變形及基坑周邊地表沉降均滿足設計要求，軸力監(jiān)測結(jié)果表明鋼支撐軸力受力合理，支撐體系可靠安全。 相對比原現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，本設計方案安裝方便，施工周期短，大大減少了開挖基坑暴露的時間，保證了基坑卸荷后及時得到支護，極大的縮短了工期（見表4-1施工工期對比表） 表4-1 施工工期對比表 鋼筋混凝土支撐施工工期安排 鋼支撐施工工期安排 項目 天數(shù) 項目 天數(shù) 第一道鋼筋砼支撐鋼筋綁扎 2天 支撐安裝 2天 模板支立 1天 澆注和養(yǎng)護 7天 支撐受力 1天 第二道鋼筋砼鋼圍檁、支撐鋼筋綁扎 2天 鋼圍檁安裝 3天 模板支立 1天 支撐安裝 3天 澆注和養(yǎng)護 7天 支撐受力 1天 第三道鋼筋砼鋼圍檁、支撐鋼筋綁扎 2天 鋼圍檁安裝 3天 模板支立 1天 支撐安裝 3天 澆注和養(yǎng)護 7天 支撐受力 1天 第四道鋼筋砼鋼圍檁、支撐鋼筋綁扎 2天 鋼圍檁安裝 3天 模板支立 1天 支撐安裝 4天 澆注和養(yǎng)護 7天 支撐受力 1天 鋼筋砼拆除 30天 鋼管柱拆除 5天 合計 70天 合計 30天 鋼支撐的設計方案更加經(jīng)濟環(huán)保，鋼支撐材料可重復使用，鋼支撐體系在該工程中的順利實施，在南水北調(diào)東干渠項目全線的基坑支撐施工中起到了示范性作用，并得到了業(yè)主和設計的認可，在全線進行了推廣，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。 相關(guān)施工圖片如下： 首層鋼支撐安裝 已完成鋼支撐安裝 牛腿細部圖 鋼圍檁安裝圖 參考文獻 1、陳驥，《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設計》.科學出版社.2001； 2、劉新佳，《建筑工程材料手冊》 化學工業(yè)出版社，2010年； 3、傅裕壽、張正威，《土力學與地基基礎》清華大學出版社，2012年；