深基坑工程盘扣式钢管代替钢支撑设计分析

深基坑工程盘扣式钢管代替钢支撑设计分析

林福生 殷增光

（中铁上海工程局第四工程有限公司，天津  300450）

摘要：现今地铁深基坑支护形式不断优化发展，针对某地铁车站采用格构式钢管组合桁架代替钢换撑设计进行研究，通过理论计算验证了等效代换方案的可行性，结合现场经验分析了格构式钢管组合的操作性，利用地连墙墙体深层水平位移和杆件轴力监测数据证明了此支护形式的安全稳定性。经研究证明，格构式钢管代替换撑施工技术不但在保证施工安全的前提下，取得了良好的经济效益，为加快了地铁建设提供了参考价值。

关键词：地铁基坑支护；盘扣式钢管；施工技术；监测分析。

引言

近年来，随着国民经济日益发展，发达城市均在大规模的进行着轨道交通建设，地铁车站修建中涉及越来越多的深基坑工程，基坑支护体系、支护形式复杂化、多样化。为了使车站主体结构满足更多的功能需求，地下车站必须层数加多、层高加大，为保证此类深基坑工程的安全稳定性，设计往往会加设钢支撑换撑。钢换撑施工存在工期长、成本高、操作复杂等缺点，现急切需要对此类设计方案进行优化，选择更便捷简易的方法来代替钢换撑，在保证工程安全的前提下加快建设进度、降低成本，故针对格构式钢管代替钢换撑施工技术进行研究。

1 工程概况及施工条件

1.1 工程概况

某地铁车站位于天津市，为地下两层岛式车站，车站规模270.5m*21.2m，车站中心里程顶板覆土厚3.5m，标准段基坑深度为20.78m，两端设置盾构始发井深度为22.48m，车站采用明挖顺作法施工。

围护结构采用800mm厚地下连续墙，采用工字钢板接头，在地连墙顶部设有冠梁及第一道钢筋混凝土支撑，基坑支护体系由“1道混凝土支撑＋4道钢支撑＋2道钢换撑+局部角撑”组成。2道钢支撑及钢换撑均采用φ800、t＝16mm的钢管，标准段支撑水平间距为3m，支护体系断面如图1所示。

图1  标准段基坑支护体系布置图

1.2 工程背景

本工程主体结构中板及顶板均采用盘扣式脚手架施工，立杆间排距为1.2m*1.2m（加密区为0.9m、0.6m），步距为1.0m。车站标准段及盾构段均设计两道换撑，负一层和负二层各一道，保证基坑与侧墙的稳定。实际施工中采用钢换撑存在以下问题:换撑工程量大、施工工序复杂、施工难度大等缺点彰显，针对此情况本站采用格构式钢管代替钢换撑的施工方案，在保障基坑安全施工的情况下，尽量简化工序、减小施工难度。

2 盘扣式钢管替换钢支撑设计

2.1 盘扣式钢管特性

盘扣钢管需符合国家标准规定，主要构件性能参数如下表。

2.2 模型建立

桁架模型采用盘扣钢管拼装而成，沿立杆每1.5m步距设置一道0.6m水平杆，桁架四周设置0.6m×1.5m的专用斜杆，形成整体性较好且刚度相对较大的格构式桁架水平支撑，两侧由四根水平调节支托与侧墙顶紧，格构式桁架水平支撑中间部分与满堂架体立杆，采用扣件连接，增加多点约束。

图2  格构式钢管模型图

2.3 受力验算

（1）钢管格构柱截面的力学特性

格构柱的截面尺寸为：0.6m×0.6m；

主肢选用：Φ48mm×3.2mm钢管（立杆）；

缀条选用：Φ48mm×2.5mm钢管（水平杆）、Φ33mm×2.3mm钢管（斜杆）；

主肢的截面力学参数为：A0=4.504cm2；惯性矩Ix=Iy=11.357cm4；重心距Z0=0；

缀条的截面力学参数为：A0=3.574+2.218=5.792cm2；

图3  缀条截面形心图

格构柱的Y-Y轴截面总惯性距：

==4064.957cm4；

格构柱的X-X轴截面总惯性距：

==4064.957cm4；

（2）格构式钢管的长细比计算

格构柱主肢的长细比计算公式为：

其中：H—格构柱的总计算长度，取21.2m；

I—格构柱的截面惯性距，取Ix=4064.957cm4，Iy=4064.957cm4；

A0—一个主肢的截面面积，取A0=4.504cm2；

经计算得：λx=141.135，λy=141.135；

换算长细比计算公式：

其中：A—格构柱横截面的毛截面面积，取4×4.504cm2；

A1—格构柱横截面所垂直于X-X轴或Y-Y轴的毛截面面积，取2×4.504cm2；

经计算得：λkx=141.418，λky=141.418；

（3）格构柱的整体稳定性计算            

根据格构式轴心受压构件的稳定性公式计算，

N/φA≤〔f〕

其中，〔f〕—极限强度300N/mm

2；

A—为构件的毛截面积；

φ—为轴心受压构件的稳定系数（取界面两主轴稳定系数中的较小者），应根据构件的长细比、钢材屈服强度和截面分类，按《钢结构设计规范》附录C查表取得。

轴心受压构件的截面分类为：对X轴 b类，对Y轴b类；

根据换算长细比λox=141.418，λoy=141.418，查表得φ=0.34；

标准段最大承载力N≤φA×〔f〕=0.34×4×4.504cm2×102×300N/mm2=183.763KN;

3设计方案实施

格构式钢管与钢支撑进行等效代换，原设计为φ800、t＝16mm的钢管支撑换撑，沿水平方向每3m一道，换撑设计轴力为190KN/m。采用格构式钢管代替钢换撑，每单元桁架由四组格构式钢管组成，桁架单元中心与换撑中心一致，同时考虑与现有满堂支架之间的连接，格构式钢管尽量贴紧原支架体系并每隔4.5~6m与之扣接，每隔3.6m设置一单元格构式钢管代替换撑，钢管支撑顶托必须确保与侧墙紧固，如下图所示。

图4 钢管格构式桁架代替钢换撑

格构式钢管每组承载力183.763KN，四组为一个单元，则

单元格构式桁架承载力：4×183.763KN=735.052KN，间距3.6m；

单元线荷载为：F=735.052KN/3.6m=204.181 KN/m；

格构式钢管承载力F=204.181 KN/m≥[F]=190 KN/m（设计承载力）；

4  监测分析

在实际施工中对格构式钢管代替换撑部位进行实时监测，主要针对墙体水平位移和立杆轴力进行监测，保证安全施工。

（1）地连墙墙体最大水平位移

基坑两侧各设置两点对墙体位移进行监控量测，监测点为QTC-1、QTC-2、QTC-3、QTC-4，以拆除上层钢支撑至中板（或顶板）完成7d为监测周期。此处列举首段换撑时的监测数据，自第四道支撑拆除至中板施工完成墙体水平位移如图所示。

图5 墙体位移监测分析

自8月10日拆除钢支撑至9月9日中板浇筑完成后7d的时间段内，墙体水平累计位移均控制在40mm以内，QCT-2最大位移为36.8mm，其余三处监测点最大值均小于35mm。由图6曲线分析知，侧墙位移在前5d内变化较大，并在中板施工过程中有略微增大趋势，中板浇筑完成7d后，数据趋于稳定，基坑安全无隐患。

（2）格构式钢管立杆轴力

在格构式钢管立杆端部安装轴力监测计，监测施工期间钢管变形情况，共设置4个点位ZLJ-1、ZLJ-2、ZLJ-3、ZLJ-4进行实时监测，如下图所示。

图6 墙体位移监测分析

支撑拆除后杆件轴力逐渐增大，最大值为37.8KN，小于每根钢管计算所得的设计轴力45.9KN，并有一定的安全储备。

5 效益分析

（1）施工工期

按照天津市标准车站以往换撑施工经验可知，正常换撑施工与架体搭设互相牵制、互相影响，换撑工序每天完成1~2根，按每天完成1.5根换撑计算，本车站共204根支撑，主体结构从两端向中间两个工作面同时施工，两层车站换撑至少需要204/（1.5*2）=68d方可完成。而采取附加格构式钢管顶撑随架体一同施工，增加操作人员即可。替代换撑后节约工期68d，可提前两个多月完成主体结构封顶。

（2）经济成本

经计算，204根钢换撑安拆综合费约122万元，格构式钢管桁架主要涉及增加人工费和钢管租赁费约21万元。整个车站核算直接成本可减少101万元，工期节约后钢支撑租赁费、架体租赁费、降水运行费、监测费等间接成本也随之降低，经济效果明显。

（3）安全保障

钢倒撑操作复杂，安全系数低，施工中交叉作业，极易容易引起吊装事故及架体垮塌事故。而格构式钢管与支架体系共同搭设且与原支架有效连接，安全风险较低。

（4）适用性

格构式钢管组成的桁架代替钢换撑适用性强，简化了原钢换撑的施工工艺，同时避免了多作业交叉施工。当等效代替验算轴力较大时，格构式钢管的根数、每组的间排距均可根据原有设计轴力值做出调整，可适用大多数车站施工。

6 结论

通过压杆稳定性计算确定格构式钢管代替钢换撑施工理论可行，结合施工中监测数据分析整体支护体系满足施工要求且有一定的安全系数，实际施工实践证明格构式钢管代替钢换撑取得了较好的效益，在保障安全施工前提下，简化了工艺、缩短了工期、降低了成本，取得了良好的经济效果，且有广泛的适用性，为类似工程提供借鉴和参考。

参考文献

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