钢支撑在深基坑支护工程中的应用

摘要：深基坑支护可以挡土、截水、保证坑底稳定、承担必要的施工荷载、保证地下结构工程的顺利施工。其在电力工程中被广泛应用，更而如何选取一种在经济技术上都合理的深基坑支护类型尤为关键。本文结合工程实例探讨了钢支撑在深基坑支护工程中的应用。

关键词：深基坑支护；钢支撑；受力分析

一 、概述

近年来随着电力工程兴建增多，在工程设计过程中会常遇到一些基础埋置较深、地质情况复杂、地理位置特殊的建(构)筑物或地下结构，由此带来大量的深基坑开挖和支护的岩土工程问题。但由于各工程地层构造变化的错综复杂，加上设计与施工管理不完善，在深基坑支护方面就很容易出现事故，从而造成巨大的经济损失，延误工期造成不良的社会影响。因此深基坑支护已成为当前建筑行业十分关注的工程热点，也是技术复杂、综合性很强的技术难点，同时也成为提高工程质量、减少事故的发生、降低工程造价的重点。

二 、深基坑工程技术的基本工程特性

(1)深基坑工程是集岩土工程和结构工程等专业于一体的系统工程，亦即包含挡土、支护、防水、降水、挖土、监测和信息化施工各环节.而其中任一环节的失效均将会导致整个工程的失败。

(2)深基坑工程经常在密集的建筑群中施工，有时地质条件不良，场地狭小，挖土不能放坡，邻近又有建筑物和其他地下管道，所以不仅要确保挡土支护结构的强度要求和边坡的稳定，还要满足变形控制的要求，因此，其施工条件往往很差，难度很大。

(3)深基坑工程的造价在整个工程造价中占有相当高的比例，一般占工程总价的10%以上。

(4)深基坑支护结构与一般挡土墙受力机理不同，其土压力计算、强度计算及稳定验算等计算理论、方法还不完善、不成熟，因此原位测试技术和信息施工法即显得更为重要。

(5)深基坑支护工程多为临时性支护工程。因此在实际工程中常常得不到建设方应有的重视，一般不愿投人较多的资金，可一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失又十分巨大。

三 、工程概况

某工程地块呈不规则长方形，东西长116m, 南北宽63m, 基坑周长310m，基坑开挖深度为10.20～12.20m。

场区地层岩性由上至下分别为填土,层厚0～2.00m;粉质粘土,层厚0.0～3.90m;瘀泥质粉质粘土,层厚0.0～7.60m;瘀泥质粘土,层厚0.00～18.10 m;粉质粘土。

四、 围护方案

当前深基坑围护绝大多数采用地下连续墙，或钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩基。基坑内设钢筋凝混土支撑，这些结构型式比较成熟、安全，但地下墙和灌注桩施工均会产生大量泥浆，巨结构占去较大地下空间，拆除钢筋混凝土支撑须进行爆破，给环境造成很大影响。

钢板桩作为基坑围护结构具有施工速度快、不产生泥浆、占用地下空间小、造价低于灌注桩与地下墙等优点，但其刚度较小，变形较大。难以在市区推广。钢支撑作为受压杆件其强度和刚度均不如钢筋混凝土支撑，但它施工速度快、发挥作用及时、拆除无须爆破、重复利用率高、综合造价也略低于钢筋混凝土支撑。

根据钢结构的优缺点，我们采取了在钢板桩内外适当进行地基加固处理和加大钢围檩高度，使钢板桩的实际跨度相应减小的弥补措施(见图1)。最后选定采用钢板桩加H型钢支撑的围护方案。

图 3 支撑平面布置

图1 结构剖面

五、结构设计

围护结构主要由下列3部份组成:

1钢板桩。按设计要求宜采用型号为LX32钢板桩，但为了节省费用，采用了施工总包商备有的GSP IV钢板桩，其刚度较小，桩长一般为21m，局部加深区为24m采取增设1道钢支撑来弥补)。

2土体加固。采用水泥上搅拌桩进行仁体加固，基坑内采用格型布置，基坑外采用双排交又形布置。

3支撑体系。支护由地下2.3 m开始, 基坑中间设一排临时立柱,立柱采钢板截面。开挖至10.20m，采用3道支撑;开挖至12.20m，采用4道支撑。支撑均采用600×200或700×300H型钢，H型钢支撑采用同一平面内的支撑交叉，交叉处用方钢穿通连接，以利于受力与支撑整体稳定(见图2)。

施工流程:施工钢板桩结合H型钢支撑围护结构及临时立柱开挖基坑土方至第1道支撑下2.30m施做第1道支撑开挖基坑土方至第1道支撑下4.40m架设第2道支撑开挖土方至第2道支撑下5.30 m架设第3道支撑施做垫层及底板混凝土。

图2支撑十字接头

支撑的平面布置根据基坑形状采用方格形结合角撑，以解决长边方向支撑不及时和局部基坑不规则等（见图3）。

六、钢板桩内力分析

1内力分析。采用朗金理论计算土压力，水土分算，地面超载沿坑边7m范围1OkN/m2计，7m以外按48kN /m2计，基坑内考虑土体加固，将侧向弹簧系数适当提高;钢板桩内力分析采用模拟施工顺序分步进行，并考虑支撑的前期变形和预顶力影响。

弹性地基杆系统理论是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伦理论进行计算,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,用数值分析方法求解。通过公式(1)进一步形成梁、链杆系统的整体刚度矩阵求解。

式中:{K}――结构整体刚度矩阵;

{Y}――结构节点位移向量;

{P}――结构节点荷载。

其中j节点上如有弹簧支座,则对应有2j-1个自由度,通过公式(1)即可求出j节点处支座反力:

P′2j-1=-Sj・Y2j-1(2)

式中:P′2j-1――弹簧支座反力;

Sj――弹簧支座刚度;

Y――水平位移。

从计算原理上,支撑处及土抗力假设成弹簧支座,一方面可将支撑系统的设计形式转化为计算参数进行受力分析，另一方面可较好的模拟支护结构的实际工作状态,对比等值梁方法可逐个单元计算出支护结构的各点变形,合理地确定支撑系统与土抗力相互间对于支护结构侧压力的分担比例，提高支撑系统的计算准确性。

2计算结果。开挖至10.20 m时，钢板桩最大弯矩M=352.9kN.m，钢板桩最大变形=45.7mm;开挖至12.20时,钢板桩最大弯矩M=356.1kN.m，钢板桩最大变形为=48.2 mm。

3支撑内力分析。第1道支撑及围擦最大轴力2168 kN,最大弯矩1169 kN.m;

第2道支撑及围檩最大轴力4045 kN，最大弯矩2341 kN.m；第3道支撑及围檩最大轴力3464 kN,最大弯矩1979kN.m。

七、 施工要点与变形

为确保围护结构质量，施工特别强调以下几点:

a.钢板桩沉桩采用屏风式、阶梯形施工，每一阶梯打入30～40根钢板桩；

b.严格控制搅拌桩水泥用量、搅拌注浆压力、提升速度和成桩数量等;

c.土方开挖要求分区、分层进行，并与钢支撑设置密切配合。首先以盆式开挖，在钢板桩附近土体开挖后24小时以内设撑，并施以预顶力;

d.严格控制降水标高，使水位保持在最佳状态。在基坑开挖过程中，围护钢板桩的最大变形基本上控制在开挖深度的6%，即最大变形为5～6cm。

支撑实测最大轴力为4340kN，与理论计算最大轴力4045kN较接近。基坑周围道路管线和居民住宅等沉降和变位均控制在容许范围以内。

八、 施工结论

钢板桩用于深基坑围护的最大问题是变形大，本工程开挖至10.20cm～12.20m，设3～4道钢支撑，支撑纵向间距3.7m ,横向为lOm。

在钢板桩围护工程中，通常实际变形是计算变形的2～3倍，而本工程在采取上述措施后，实测变形仅为计算变形的1.4倍。通常钢板桩受侧压力作用，其强度允许应力要下降80%左右，而本工程通过与帽梁结合等措施，提高了允许应力。钢板桩结合H型钢支撑作围护结构，增加了地下室有效空间、加快了施工进度、减少了环境污染、经济效益也十分可观，围护结构采用地下墙该部分的费用约330万元，采用混凝土支撑，而采用175道钢支撑，该部分的费用约115万元，

可见，围护结构采用钢板桩可比地下墙节约185万元；钢支撑可比混凝土支撑节约6万元。从变形曲线看，开挖面以上比开挖面下更吻合，这说明对土体加固的假定尚须修正。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。