钢筋混凝土圆环内支撑支护设计及技术研究

王洪凯 王伟健

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司江苏分公司，江苏 南京 210000； 2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

0 引言

最近几年来，南京的高层建筑越建越高，其对应的地空间结构也越来越深，基坑占地面积越来越大，基坑周边环境保护要求越来越高，对变形控制要求也越来越严格。如何选用最合适的支护方案需要考虑的因素也越来越多。钢筋混凝土圆环内支撑支护结构具有施工便利、受力可靠、经济合理等特点，在基坑工程中得到广泛应用。

论文作者是多年来在一线岗位从事基坑支护设计的人员，直接参与完成的基坑支护工程设计项目已达数百项，从其中选出一些采用具有代表性的圆环形支撑的工程项目，用于总结圆环支护形式的设计经验与相关技巧。文中所涉及的工程项目主要以南京地区的实际工程为主。

1 基坑支护内支撑的分类及组成

钢筋混凝土内支撑是基坑工程中使用较为频繁支护方法[1]，内支撑的竖向设置，通常为相同高程的单层或多层的情况。水平支撑体系主要分为立柱、冠梁、水平支撑构件三个部分。冠梁作用是使围护桩形成一个整体，然后将力传给水平支撑构件[2]。水平支撑是基坑内受力的主要构件，一般为直杆或是环形。立柱是用来强化水平支撑的平面外稳定，与水平支撑形成一个空间刚度体系，承受支撑体系的竖向荷载。本文研究水平支撑的平面布置问题，将重点探讨钢筋混凝土环形水平支撑体系。

2 钢筋混凝土圆环支撑刚度问题

在基坑支护中，决定内支撑结构与支护的体内力和支护体变形的直接条件是内支撑刚度的大小[3]。而支撑刚度的大小，直接决定了基坑外侧土体的变形[4]。钢筋混凝土圆环内支撑的刚度如何确定，虽然在相关规范中找不到对应的计算方法，但是从刚度的定义来考虑，刚度是指结构在受力时抵抗弹性变形的能力，用公式表达为：k=F/s[5]。

其中，k为钢筋混凝土圆环支撑结构的刚度；F为钢筋混凝土圆环支撑结构受的力；s为钢筋混凝土圆环支撑结构在力作用下的位移。

3 钢筋混凝土圆环内支撑的变形特征

3.1 均布荷载作用下的变形

对于支护结构布置为圆环内支撑的形式，边梁的形状设置为圆环的形状，承受的荷载为均布荷载[6]。圆环支撑边梁的变形特点：

1)边梁的内力变化连续，不会发生突变[7]。

2)从理论上来说，对于构件简单的圆环支撑，构件的每一处地方的内力和变形都相同[8]。

3)圆环支撑体系应整体分析，计算内力与变形[9]。

3.2 集中荷载作用下的变形

圆环支撑与基坑边线的冠梁相连接，支撑体系是由冠梁、钢筋混凝土圆环、钢筋混凝土圆环圆心向外辐射出的杆件及其他支撑杆组成的[10]。冠梁承受来自基坑边缘土压力形成的均布荷载，而钢筋混凝土圆环支撑承担支撑体系中辐射杆件或支撑杆件传递的集中力[11]。

4 基坑支护工程的实际设计中的若干问题探讨

4.1 钢筋混凝土圆环内支撑层数及竖向标高的确定

一般钢筋混凝土圆环的内支撑层数和基坑的挖深有直接的关系。当基坑深度不大于11 m时[12]，若选择钢筋混凝土圆环内支撑，宜使用一层钢筋混凝土圆环内支撑。每层钢筋混凝土圆环内支撑的竖向标高的设置需要考虑多个因素，其中最重要的因素便是基坑的挖深和施工机具的高度。

为了便于施工机械的驶入和正常工作，两层钢筋混凝土圆环内支撑的净间距一般不小于5 m。且为便于第2层地下室施工，第二道支撑一般设在第2层地下室顶板上方。

4.2 圆环直径及尺寸和圆环在总平面位置的确定

为方便施工，给主楼基础留下施工平面，在考虑圆环在总平面位置的时候，主楼一般会在圆环的中心位置，圆环的外边缘需要与基坑的支护边线至少需要留1 m～1.5 m的距离。

在选择圆环截面尺寸的时候，首先要确定基坑排桩上的土压力，然后据此可以算出支撑上的力，继而得到圆环上的压力。然后根据轴压比和混凝土轴心抗压强度设计值反推截面面积，最后根据配筋得出截面尺寸。

u=N/(A×fc)。

其中，u为轴压比，对非抗震地区，u=0.9；N为轴力设计值；A为截面面积；fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

4.3 双圆环内支撑之间的联系杆件体系如何更合理的平面布置

双圆环内支撑之间的联系杆件形式一般分为两种。

1)如图1所示，由圆心辐射出数条直线，且每条直线成一定角度并与双圆环相交，两圆环之间的线段与圆环形成数个四边形格室，这便为第一种支撑类型。外部的压力被杆件均匀分散到圆环上，这种方式布置的杆件顺应圆环外部对圆环的压力方向，有利于圆环的抗压受力。

2)如图2所示，由圆心辐射出数条直线，且每条直线成一定角度并与双圆环相交，两圆环被分成数个格室，格室为四边形，在每个格室的对角线都加上一道杆件支撑，杆件首尾相连，把每一个四边形格室分成两个三角形格室，这种支撑比第一种支撑更为牢靠、坚固。因为三角形是最稳定的形状，两圆环内的杆件把两个圆环固定成一个坚固的整体，外部有荷载时大圆环和小圆环同时受力，通过支撑均匀分散到圆环的各处。

综上所述，在基坑支护中，在面对极为不利的土质条件或土压力过大时，可以选择第二种圆环与杆件的联系方式，因为这种杆件联系方式刚度较大，双圆环的变形较小，传力受力较为合理；当土质情况较好或土压力相对较小时，在考虑经济合理的情况时，可以选择第一种圆环的杆件联系方式。

4.4 相切圆环内支撑之间桁架体系的设置

1)第一种情况，两个等直径不相切的圆环。

如图3所示，当基坑形状为规则的长方形，必须布置两个圆环的时候，在两个圆环中间设置一个桁架对撑，桁架对撑两侧与圆环相切，蓝色支撑为圆环从圆心辐射出的杆件，桁架对撑与其连接，形成稳定的超静定结构。桁架内部的正方形对联系杆件分成四个面积相等的三角形，这样的结构使桁架对撑不易变形而且有更高的承载力。

2)第二种情况，两个直径不同的同心圆环相切。

如图4所示，为两个直径不同的同心圆环的相切。两个同心圆环的外圆相切，蓝色杆件为从各个圆心辐射出的杆件，与基坑外边界相交形成支撑，而绿色杆件为脚撑或者两个圆环的联系杆件。当辐射支撑形成的区域过大时，用联系杆件分割这个区域，会使这个区域的支撑力和稳定性增强。

总结来说，两个圆环之间的桁架联系原则是由辐射形成，联系杆件起到分割辐射杆件长度的作用。辐射形成的支撑在受到来自基坑边缘的土压力时受力方向都指向圆心，而辐射杆件把力传给圆环时，由于圆环受到的力是指向圆心的，所以圆环可以均匀受压，在每一个辐射支撑的作用的区域都形成一个拱结构，如图5所示。

4.5 出土口栈桥平台和出土坡道栈桥的设置

一般情况圆环内支撑结构不需要设置栈桥，因为从经济方面上考虑，栈桥会大幅增加基坑支护的造价，而且一般可以在基坑边线与用地红线之间设置运土道路、材料堆场、施工平面。但是当基坑支护边线距离用地红线过近时，无法满足施工需求时，就需要考虑栈桥的建设。

如图6所示，大型基坑需要在基坑内设置栈桥，方便挖土机具和运土车辆在栈桥上运行。栈桥平台可与水平支撑结合而作为基坑支撑结构的一部分，这样可以充分利用支撑结构。一般双圆环结构的出土口栈桥平台设置在两圆环的相切处，而出土坡道栈桥的起点则设置在出土口栈桥平台中间部位，然后呈一定坡度延伸到基坑底部。

如图7所示，单圆环结构的出土口栈桥平台设置在角部或是相切处，而出土坡道栈桥则从出土口栈桥平台呈一定坡度延伸到基坑底部。

出土口栈桥平台和出土坡道栈桥的平面位置的设置一般正对着施工场地大门，或者与已有道路连接，这样栈桥作为车辆通道而且方便运土车辆的出入。一般栈桥的设置都与首层支撑结合，在设置钢筋时按照不同的使用功能分为重载车辆通行区域和施工材料堆载区域。

5 结语

本文首先对基坑支护内支撑的分类及组成做出了介绍，选择了其中应用最为广泛的钢筋混凝土圆环内支撑作为研究对象。然后对钢筋混凝土圆环支撑刚度、变形问题进行了研究，总结出了钢筋混凝土圆环支撑刚度、变形的计算公式和计算依据，并对圆环的变形种类和变形规律做出了归纳总结，最后作者对钢筋混凝土圆环内支撑实际设计中遇到的问题做出了重点探讨，从工程实例中提取圆环支撑的基本结构和设计理念，归纳了在设计中几种常用的圆环支撑体系会遇到的问题并提出了解决办法。