地铁深基坑钢支撑内力影响因素分析

赖友君

【摘要】城市地铁的建设涉及到的明挖施工促使基坑越来越深。当前基坑是以控制变形为主的，如何确保变形基坑的安全性和稳定性是施工单位在施工过程中尤为重视的一个部分。目前，通过灌注桩进行加钢支撑是一种经济有效的方式，在地铁基坑施工中也越来越得到广泛的应用。通过加钢支撑来保障基坑的稳定性十分的重要。然而，在当前的规范中对于钢管所能达到的极限承载力还没有一致的规定，文章主要分析影响地铁深基坑钢支撑内力的因素，以为地铁深基坑的施工提供指导。

【关键词】地铁；深基坑；钢支撑内力

1.开挖步骤和方法

影响深基坑钢支撑内力的所有因素当中，开挖方法的影响程度是最大的。从国内外对深基坑施工的实践研究中我们知道，在深基坑开挖和支撑的过程当中，开发基坑的空间和围护开挖的部分是没有支撑暴露的时间的，同周围结构以及土体的位移情况都有着极大的关系。基于基坑开挖过程中的时空效应规律，可利用土体本身潜力来保障基坑周围土体的位移情况。这种规律是在基坑设计过程中进行施工主要的参数，根据其规模、尺寸以及支撑的形式等等能够得出详细的开挖和支撑参数。而其中最为主要的施工参数就是进行分层开挖的层数、低层开挖的深度和在每层中围护桩支撑前所暴露的时间以及高度等[2]。从控制变形这一方面来讲，最佳的开挖方法就是在加一道支撑的基础上，挖到第二层的时候加支撑然后挖土方。不过，目前已经实现了机械化施工，使用挖掘机在一夜之间就可以开挖数十米的深基坑。从经济的角度看，这种最佳的办法也是难以使用的。对此，这里提出基于支护方案的要求，通过盆式的挖土方式进行开挖。盆式开挖是从每层土到基坑的中间进行开挖，到标准高度后安装支撑的，等到坑边的基坑中央支撑工作完成之后，在于每根支撑的两端同时进行开挖工作，而且要在一天内完成同时施加预应力，确保每个支撑都可以发挥其功能。图1是地层情况分层图。

2.预应力施加的影响

钢材作为一种理想的弹塑性材料，其同混凝土相比，优势在于可实施预应力施加工作，进行支护措施。钢支撑施加预应力对于围护结构有以下几个作用：首先，可使得支护系统的松弛度得以消除；其次，在开挖时土体内部会产生剪应力，而钢支撑施加预应力可以减少这些剪应力；最后，钢支撑施加预应力能够减少钢支撑和围檩之间的施工间隙。相比较于钢支撑，混凝土展现的支撑能力只有在其压缩变形到一定的程度后才能够展现其抗力的优势，而且还要得到较长时间的养护强度才能实现[3]。在这个时间段中，围护结构很容易变形，而一旦围护结构出现变形就会使得周围的环境遭遇不利影响。通过给钢支撑施加一定的预应力能降低支护结构的位移量值，这是因为这样可以使得支撑紧抵支护结构而是支护系统的松弛得以消失。另外，通过施加预应力还可在开挖的过程中土体内积聚的剪应力得到减少。这也就说明土体应力应变关系可以得到很好的改善。

3.钢支撑接头形式的影响

不同的钢支撑接头形式对基坑钢支撑内力是否会产生一定的影响呢？这里作简要分析。地铁深基坑一般有两种主要的钢支撑形式。一种是整体式的（如图2所示），一种是接头式的（如图3所示）。

在整体式的钢支撑中使用的是直径较大的螺旋钢管，然后基于实际的需求进行焊接，钢管的两端都会焊接钢板，钢管的一端同钢围擦焊接在一块，另外一端则焊接牛脚。在整体式钢支撑中，每个支撑都要依据现象基坑支撑的长度进行加工，完工后要割下钢支撑，在今后使用中只要使用点焊接根据基坑的尺寸来接长或者割短。这样对后期的施工来说十分不方便。

活络接头形式的钢支撑主要在大型的基坑施工现场中较为常见，一般是用型钢或者是圆钢管加工制成，活络接头钢支撑的各个节都有模数，而且使用螺栓连接，在运输中较为便利。在施工现场中可以根据基坑的大小等情况加以组合，最关键的是，活络接头钢支撑的活动头能自由的加长或者缩短。施加预应力之后，背紧的钢锲要比整体式钢支撑的小得多。活络接头钢支撑的优势在于，能够根据卫护结构大小来调整其支撑的轴力。在开挖基坑和灌桩的过程中，中轴线的变位的时候可以对钢支撑长度进行调整，对施工来讲是十分便利的。这样就可以加快施工的速度，而且还能够及时的进行支护。相比较而言，整体式的钢支撑因为加工长度不合适等因素的影响，就要进行现场焊接，这些都会使得基坑的及时支护受到影响。

通过实测发现，一般条件下，两种结构形式对于钢支撑的内力影响并不大。但是活络接头钢支撑在施工上更为的便利而且还能够及时发挥其支撑的作用。

4.钢管自重的影响

重力对钢支撑内力产生的影响是实际存在的，主要是因为重力会使得钢支撑向下挠度[4]。钢支撑属于长细杆结构的，重力对于其的影响是难以忽视的。因为重力的影响，钢支撑的承载力也会下降到30%。在安装钢支撑的过程中，起吊钢管的时候通过三分点起吊的方式在钢管最小弯矩时进行，这样就可以最大程度的减少变形。安装固定好钢管后，在施加预应力之前通过中点单点的方式进行起吊，这样就可以使得钢管产生一定的向上反挠度，进而降低重力对钢支撑内力产生的影响。

5.温度的影响

温度变化是自然存在的。地铁施工的工期通常是很长的，这个时期中，温度的变化是难以预计的。在地铁深基坑中的钢支撑温度变化也很大，铁是导热的，温度较高时因为外界阳光的直射会使得其自身的温度要比其周围环境的温度高5摄氏度，温度较低时，因为热胀冷缩，物体的内部也会出现温度应力，温度的变化使得钢支撑出现膨胀或者收缩的现象，也就会对地铁钢支撑的轴力造成很大的影响。

6.结论

从文章中可以看出，对于地铁深基坑钢支撑内力影响因素得出以下结论：

第一，开挖方式对于钢支撑内力的影响重大，这些内力多是因为开挖造成的。

第二，钢支撑属于长细杆结构，因此重力对其也会产生一定的影响。为减少重力对钢支撑内力的影响可在其定位后通过合适的起吊反方式，提高其向上挠度来实现。

第三，温度的变化对于钢支撑内力的影响也是很大的，因而在假设钢支撑的时候要根据施工现场当时的温度情况调节钢支撑轴力。

通过对影响地铁深基坑钢支撑内力因素进行分析，可以为今后地铁的深基坑施工提供指導，最大程度的降低这些因素产生的影响。

【参考文献】

[1]高涛，刘永勤，王伟，刘会林. 地铁车站深基坑围护结构变形及内力影响因素研究[J]. 工程勘察，2010，S1：223-230.

[2]郭利娜，胡斌，李方成，徐海清. 武汉地铁深基坑围护结构钢支撑轴力研究[J]. 地下空间与工程学报，2013，06：1386-1393.

[3]冯虎，刘永辉，徐春蕾. 立柱隆起对地铁深基坑钢支撑体系稳定的影响[J]. 中国科技论文，2014，11：1301-1305.

[4]高文华，杨林德，沈蒲生. 软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J]. 土木工程学报，2001，05：90-96.