钢支撑在基坑工程中的应用

2021-04-15

工程技术研究 2021年5期

中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122

基坑内支撑主要包括混凝土支撑和钢支撑，混凝土支撑拆除时会产生大量的废弃物，与绿色施工背道而驰；钢支撑可重复使用，具有绿色环保的优势。国外钢支撑应用较早，在设计和施工上积累了大量的经验。我国钢支撑起步较晚，20世纪90年代，随着深大基坑的出现，建筑基坑开始采用钢支撑体系，代表性的有上海浦东由由大厦基坑、上海华侨大厦基坑、北京国贸二期基坑等，当时采用的主要是圆钢管支撑。随着设计理论、设计方法、施工技术的进步，在国外技术的基础上逐渐形成现阶段的钢支撑体系，现阶段钢支撑体系主要包括钢管支撑、钢管组合支撑、鱼腹梁钢支撑、型钢组合支撑、补偿装配式型钢组合支撑。文章主要分析钢支撑的特点、应用现状及存在问题，在此基础上总结钢支撑的发展趋势。

1 钢支撑的类型

1.1 钢管支撑

钢管支撑应用较早且较为广泛，主要应用于长条形基坑、地铁基坑和下立交等。钢管支撑如图1所示。钢管支撑单根独立使用，钢管主要采用φ609mm等型号，钢构件端头有法兰圆盘，圆盘上开有螺栓孔，采用高强螺栓进行支撑的接长，支撑长度不超过40m。支撑端头采用千斤顶作为预加力的施加方式，预加力施加完成后，打入钢楔用于保持预加力，移走千斤顶。对于环境保护要求高的基坑，目前常采用固定于支撑上的千斤顶，配备轴力补偿装置。立柱一般采用型钢和格构柱，立柱上焊接牛腿，牛腿上安装托梁，托梁作为钢支撑的安装支座，在钢支撑与托梁上安装限位装置，限制支撑在托梁上的移动。

图1 钢管支撑

1.2 钢管组合支撑

钢管组合支撑是在钢管支撑的基础上发展演化而来，钢管组合支撑如图2所示。传统的钢管组合支撑是在钢管间焊接连系杆，焊接对材料损伤较大。随着钢支撑的施工精度越来越高和装配式技术的发展，开发了钢管支撑节点连接件，构件之间采用高强螺栓连接，形成了焊接量很小的钢管组合支撑。该组合形式预加力和立柱的施工均与钢管支撑相同，已应用于房建、市政项目，支撑长度可达到百米。

图2 钢管组合支撑

1.3 鱼腹梁钢支撑

鱼腹梁钢支撑最早应用于韩国及东南亚地区，在此基础上，通过引进、消化吸收，发展成适用于国内的支撑体系。鱼腹梁钢支撑如图3所示，其由鱼腹梁，型钢对撑等组成，型钢构件主要采用H350mm×350mm×12mm×19mm和H400mm×400mm×13mm×21mm，构件采用高强螺栓装配连接。立柱采用立柱和格构柱，立柱直接插入土中或下部采用桩基础，支撑较重时采用格构柱。支撑拼装完成，张拉鱼腹梁及施加对撑的预加力，形成平面预应力支撑系统。鱼腹梁支撑跨度可达40m，为基坑土方开挖提供极大的便利，但对施工精度要求高。

图3 鱼腹梁钢支撑

1.4 型钢组合支撑

型钢组合支撑是在鱼腹梁的基础上发展而来的，取消了鱼腹梁形成了型钢组合支撑，典型的组合支撑如图4所示。型钢构件主要采用H350mm×350mm×12mm×19mm和H400mm×400mm×13mm×21mm，型钢翼缘上开设螺栓孔，型钢支撑方向采用高强螺栓拼接，横向采用槽钢盖板连接，每组支撑采用多根型钢相连。立柱一般采用H型钢，根据土层条件，直接插入土中或下部采用桩基础，多道支撑时可采用格构柱。型钢构件可拼装成围檩，型钢支撑与钢围檩之间采用高强螺栓连接，钢围檩与混凝土围檩采用埋板牛腿连接。斜撑采用大三角键与钢支撑连接。钢支撑端头使用千斤顶作为钢支撑预加力的装置，预加力施加完成后，移走千斤顶，填塞钢楔保持预加力。

图4 型钢组合支撑

1.5 补偿装配式型钢组合支撑

补偿装配式型钢组合支撑是在日本型钢支撑的基础上发展而来的，如图5所示。为补偿装配式型钢组合支撑，型钢构件主要采用H400mm×400mm×13mm×21mm和H500mm×500mm×16mm×25mm，钢构件可拼装成围檩、八字撑，支撑形式可为双拼、三拼及多拼，形成空间桁架体系，支撑间采用连杆和盖板连接，所有构件的连接均采用高强螺栓。立柱一般采用H型钢，立柱直接插入土中或下部采用桩基础，支撑较重时采用格构柱。千斤顶安装在型钢支撑节段之间，基坑施工过程中千斤顶不拆除，实时施加预应力，结合轴力自动补偿系统和全自动轴力监测系统，实现支撑轴力的实时补偿。该体系成功应用于深大基坑，对环境保护要求高的基坑适用性强。

图5 补偿装配式型钢组合支撑

2 钢支撑的主要特点、应用现状及存在的问题

各类钢支撑均具有自重轻、安装拆除方便、材料可回收、节省工期、配备预加力装置快速形成支撑刚度等优点。但钢支撑施工精度要求高，部分节点构造复杂，施工质量对整体稳定性要求很大。基坑形状复杂时，钢支撑不易布置。支撑长度较长时，易产生累计安装误差。

2.1 钢管支撑

（1）主要特点。单根支撑刚度大，可有效控制基坑变形。支撑构件规格较多，需要根据支撑受力选择钢管截面。支撑需要单个安装，且长度小安装精度高，当基坑发生风险时，不易形成连锁破坏。

（2）应用现状。钢管组合支撑适用于地铁、管廊等长条形基坑，在这些基坑中积累了大量的经验，安全性高。

（3）存在的问题。材料易从内部锈蚀、维修保养不方便、使用寿命低。圆形支撑构件在材料运输、安装、存放不方便。支撑单根设置，支撑整体性差。支撑长度小于40m，应用范围窄。

2.2 钢管组合支撑

（1）主要特点。具有多规格的构件，多种节点连接件，满足不同规格的拼装要求。根据支撑轴力的大小，选择不同壁厚的钢管。支撑可以单向使用也可以十字交叉使用，十字交叉时可采用节点键在同一平面内连接或支撑上下层叠接。组合钢管支撑整体性好，形成平面桁架体系，可以更好地控制基坑变形。采用千斤顶施加预加力，主动控制基坑变形，轴力可实时附加。钢管组合支撑突破使用单根钢支撑长度的限制，支撑长度可达百米，拓宽了钢管支撑的使用范围。

（2）应用现状。钢管组合支撑适用于民用及市政深大基坑，在较大深度、周边环境复杂及地质条件差的地区均可使用。

（3）存在的问题。材料易从内部锈蚀，维修保养不方便，使用寿命低。圆形截面支撑构件运输、安装、存放不方便。施工时安装精度要求高，圆形截面支撑不易校正。支撑侧向限位普遍较差，易侧向偏移。目前缺乏对超长大跨度支撑的设计理论研究，依靠经验性较强。

2.3 鱼腹梁钢支撑

（1）主要特点。支撑构件全部为H型钢，构件全部成模数，节点连接采用固定的节点键。H型钢构件维修保养方便，材料寿命长，运输方便。立柱、牛腿、托梁等构件也采用装配化钢构件，装配化程度高，焊接量小，安装方便。支撑安装完成后形成平面桁架体系，受力整体性好。鱼腹梁张拉形成的空间大，方便土方开挖和地下结构施工。基坑具备较大的施工空间，大幅度降低了施工难度，缩短了施工工期。

（2）应用现状。鱼腹梁钢支撑已应用于国内各地深大基坑，在面积大的基坑中，体现出较大优势。

（3）存在的问题。鱼腹梁的安装精度相比其他类型钢支撑安装精度更高，事故风险率高，安全度低。支撑拼装采用斜交盖板，加强支撑杆件的作用有限，受力体系不易分析。预加力施加装置施加完成后即拆除，不能实时调节和控制轴力。

2.4 型钢组合支撑

（1）主要特点。支撑构件全部为H型钢，构件规格多，满足不同长度的装配需求。H型钢构件维修保养方便，材料寿命长，运输方便。取消了鱼腹梁部分，降低了风险，提高了支撑的安全度。斜撑采用大三角键连接，满足节点的抗弯、抗剪要求。

（2）应用现状。型钢组合支撑应用于建筑、市政基坑工程中，在浙江地区应用广泛，实践表明，该支撑形式适用范围广。

（3）存在的问题。支撑拼装采用斜交盖板，钢构件不在同一平面内，受力体系不易分析。预加力施加装置施加完成后即拆除，不能实时调节和控制轴力。

2.5 补偿装配式型钢组合支撑

（1）主要特点。构件全部采用H型钢，定型化支撑构件，可重复利用，可拼装成支撑、围檩、八字撑等，自由组合，普适性强。采用螺栓、节点键、盖板装配连接，大幅提高安装施工精度，便于形成平面桁架，整体性好。自动伺服千斤顶安装在支撑上，基坑施工过程不拆除，实时调节和监测支撑轴力，有效主动控制基坑变形。

（2）应用现状。补偿装配式型钢组合支撑主要应用于建筑、市政基坑工程，其在上海、南京等地应用广泛，实践表明，该体系可应用于环境保护要求高的支撑工程。

（3）存在的问题。节点连接采用盖板，螺栓数量多，安装不便。支撑间采用连系杆，系杆数量多导致基坑用钢量大。

3 钢支撑的发展趋势

（1）装配式。钢支撑采用螺栓连接，安装方便，保证安装质量。

（2）H型钢组合支撑。根据国内外经验，采取H型钢作为钢支撑构件，在构件连接、组合及安装方面均较钢管拥有较多的便利性。

（3）可靠的预加轴力系统。实践经验表明，预加力对于基坑及周边环境变形的控制是十分有效的，可以解决钢支撑自身刚度较小的问题。对于周边敏感环境条件，新兴的轴力自动补偿系统证明是较为有效的手段，也是未来预加轴力技术的发展方向。

（4）自动实时的基坑健康监测。钢支撑体系对于温度、应力、变形等因素十分敏感，这些因素的变化均会造成钢支撑受力状态的变化，甚至对钢支撑体系的稳定和安全造成影响。传统的监测手段监测1～2次/d，采用人工采集，这种传统的监测手段不管是采集方式或是监测频率都难以满足钢支撑体系的监测要求。因此需要开发能自动、实时进行数据采集、传输的基坑健康监测系统。