深基坑鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

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南水北調(diào)東干渠八標(biāo)盾構(gòu)始發(fā)井混凝土支撐變更鋼支撐方案設(shè)計(jì) 張海虎 中鐵六局北京鐵建第十五項(xiàng)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(jiàn)的問(wèn)題，為適應(yīng)不同的地質(zhì)情況及施工環(huán)境采用不同類(lèi)型的圍護(hù)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(xiǎn)性；同時(shí)，深基坑施工在不同的支撐體系選擇上也會(huì)產(chǎn)生不同的效果，為了盡量節(jié)約工期，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)考慮施工材料的方便及重復(fù)利用，應(yīng)該對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行合理科學(xué)的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)施工，總結(jié)出適合城鎮(zhèn)地鐵車(chē)站及其它深基坑施工過(guò)程中的鋼支撐體系設(shè)計(jì)方案，通過(guò)該設(shè)計(jì)方案的順利實(shí)施，進(jìn)一步推進(jìn)鋼支撐體系在深基坑中的運(yùn)用，對(duì)同類(lèi)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(shè)計(jì)、鋼支撐安裝、穩(wěn)定性計(jì)算 作者簡(jiǎn)介：張?；?男 助理工程師 2008年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué) 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(hù)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(lèi)。南水北調(diào)東干渠工程施工因拆遷進(jìn)地導(dǎo)致了工期滯后兩個(gè)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(biāo)段針對(duì)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(shè)計(jì)，并委托設(shè)計(jì)院進(jìn)行了鋼支撐穩(wěn)定性的計(jì)算和復(fù)核，確認(rèn)了采用鋼支撐體系完全能滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)使用要求，得到了業(yè)主方的認(rèn)可，在全線始發(fā)井深基坑開(kāi)挖中采用鋼支撐開(kāi)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?hào)|干渠第八標(biāo)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(kāi)挖深度為22.73m，開(kāi)挖土方數(shù)13067.4m3。盾構(gòu)始發(fā)井基坑圍護(hù)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(shè)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(shè)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行拆除，原設(shè)計(jì)施加主動(dòng)軸力200KN，盾構(gòu)進(jìn)出口四周設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)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(shè)計(jì)原則及依據(jù) 2.1.1、鋼支撐設(shè)計(jì)原則 （1）滿(mǎn)足始發(fā)井開(kāi)挖過(guò)程中基坑穩(wěn)定性要求，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求； （2）鋼支撐體系自身具備足夠的強(qiáng)度和剛度，地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求； （3）鋼支撐安裝方便，便于拼裝和拆除。 2.1.2、鋼支撐設(shè)計(jì)依據(jù) （1）《南水北調(diào)東干渠施工第八標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)及技術(shù)要求》 （2）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》 （3）《建筑工程材料手冊(cè)》 （4）《盾構(gòu)掘進(jìn)隧道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50446-2008） 2.2、鋼支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 （1）鋼圍檁牛腿托架安裝設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)形式見(jiàn)下圖： 圖2-1 牛腿設(shè)計(jì)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(jìn)行固定，用于安放鋼圍檁。 （2）鋼圍檁的安裝設(shè)計(jì) 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(qiáng)其剛度，防止受力變形，鋼圍檁長(zhǎng)度根據(jù)基坑內(nèi)尺寸及形狀采用不同長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)；以標(biāo)準(zhǔn)段2.5m鋼圍檁為例，其設(shè)計(jì)斷面及形式見(jiàn)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(jìn)行加工。當(dāng)基坑開(kāi)挖到一定深度時(shí)，停止開(kāi)挖。采用龍門(mén)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(jí)高強(qiáng)螺栓，拼裝簡(jiǎn)單快捷。 （3）鋼支撐的制作安裝設(shè)計(jì) 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(pán)和螺栓聯(lián)接，螺栓采用8.9級(jí)高強(qiáng)螺栓。為方便吊裝，鋼支撐上焊接吊點(diǎn)，鋼支撐分為直支撐和斜支撐，又分為標(biāo)準(zhǔn)段和連接段。其中，用于施加預(yù)應(yīng)力的一端為活動(dòng)端，另一端為固定端。相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙見(jiàn)下圖。 圖2-4 標(biāo)準(zhǔn)段鋼支撐示意圖 圖2-5 活動(dòng)端支撐示意圖 （4）施加預(yù)應(yīng)力 鋼支撐安裝完畢后，在活動(dòng)端采用2臺(tái)100t施加鋼支撐預(yù)應(yīng)力，在活動(dòng)端逐級(jí)加壓。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，無(wú)明顯衰減時(shí)，采用特制定型鋼楔子鎖定鋼支撐。鋼管軸力監(jiān)測(cè)通過(guò)焊接軸力計(jì)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則為角撐上從第一層到第六層都進(jìn)行布設(shè)，橫向鋼管支撐前2層選取2根鋼管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，第三層到第六層每層選取4根鋼管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。完成該階段的基坑支撐結(jié)構(gòu)的施工，隨即進(jìn)行下一階段的基坑開(kāi)挖作業(yè)。 三、鋼支撐體系安全性驗(yàn)算 3.1計(jì)算概況 基坑開(kāi)挖深度為22.73m，采用厚度為1000mm的地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻長(zhǎng)度為34.73m，墻頂標(biāo)高為0m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa。 共設(shè)6道支撐，見(jiàn)下表。 中心標(biāo)高（m） 剛度（MN/m2） 預(yù)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(chǎng)地地質(zhì)條件和計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。地下水位標(biāo)高為-2m。 表1 土層 層底標(biāo)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(jìn)行加固，加固土層的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。 表2 土層 層底標(biāo)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(hào) 工況類(lèi)型 深度(m) 支撐剛度 (MN/m2) 支撐編號(hào) 預(yù)加軸力 (kN/m) 1 加撐 0 422.94 4 50 2 開(kāi)挖 5.5 3 加撐 5.5 451.63 5 50 4 開(kāi)挖 9.25 5 加撐 9.25 592.76 6 50 6 開(kāi)挖 13.13 7 加撐 13.13 528.68 7 50 8 開(kāi)挖 17.23 9 加撐 17.23 632.28 8 50 10 開(kāi)挖 22.73 11 加撐 22.73 10909.09 9 12 拆撐 8 工況簡(jiǎn)圖如下： 3.4、穩(wěn)定性驗(yàn)算 抗管涌驗(yàn)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(jì)算 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003），鋼管計(jì)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(hào) 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(mǎn)足規(guī)范要求。 四、實(shí)際應(yīng)用實(shí)例 目前本工程已經(jīng)完成了盾構(gòu)始發(fā)井的基坑開(kāi)挖施工，根據(jù)優(yōu)化后的鋼支撐體系，基坑開(kāi)挖過(guò)程安全可靠，基坑變形及基坑周邊地表沉降均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明鋼支撐軸力受力合理，支撐體系可靠安全。 相對(duì)比原現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，本設(shè)計(jì)方案安裝方便，施工周期短，大大減少了開(kāi)挖基坑暴露的時(shí)間，保證了基坑卸荷后及時(shí)得到支護(hù)，極大的縮短了工期（見(jiàn)表4-1施工工期對(duì)比表） 表4-1 施工工期對(duì)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(xiàng)目 天數(shù) 項(xiàng)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(hù) 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(hù) 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(hù) 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(hù) 7天 支撐受力 1天 鋼筋砼拆除 30天 鋼管柱拆除 5天 合計(jì) 70天 合計(jì) 30天 鋼支撐的設(shè)計(jì)方案更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，鋼支撐材料可重復(fù)使用，鋼支撐體系在該工程中的順利實(shí)施，在南水北調(diào)東干渠項(xiàng)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(shè)計(jì)的認(rèn)可，在全線進(jìn)行了推廣，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(xì)部圖 鋼圍檁安裝圖 參考文獻(xiàn) 1、陳驥，《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)》.科學(xué)出版社.2001； 2、劉新佳，《建筑工程材料手冊(cè)》 化學(xué)工業(yè)出版社，2010年； 3、傅裕壽、張正威，《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社，2012年；