大跨度钢支撑基坑支护施工技术

作者：江湖笑笑生目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状11.2.1相关领域国内外技术现状、发展趋势11.2.2课题单位现有工作基础51.3本文研究的内容和目标51.3.1研究目标51.3.2研究与开发的主要内容52钢支撑基坑支护分析62.1钢支撑基坑支护技术论述62.1.1钢支撑基坑支护的内涵62.2钢支撑基坑支护的优势72.3钢支撑基坑支护的技术路线72.4几种常见的基坑支护结构破坏形式和设计控制条件173深基坑围护结构设计可行性FLAC分析193.1有限差分法计算原理194关于钢支撑基坑支护研究建议235结论231绪论1.1选题背景随着地下空间的发展，基坑支护的代价越来越高，技术也随之越来越趋成熟，传统的支护形式和工艺更多地被新工艺、新技术取代，其主要目的在于安全性、经济性和施工便捷性的最优组合。在安全的基础上，应合理应用新的工艺和技术，减少传统支护的费用，并提高施工效率。具体而言，不少新工艺的改进包括支护桩、止水桩、支撑梁、钢立柱等方面。组合钢支撑作为一种新型的支撑形式，近几年应用很广，其主要是利用钢材拼接成为整体截面尺寸宽，刚度大的支撑，抗弯性能及延展性好，通过施加预应力后，控制变形能力强，且施工速度快，无须养护。而考虑施工速度，组合钢支撑通常与钢围檩搭配使用，施工速度快的优点更为显著，能减少传统混凝土支撑和混凝土围檩浇筑、养护和拆除的时间，从而提高施工速度。但对于一些软土基坑，组合钢支撑能解决水平受力大的问题，但往往由于支撑间距大，跨度大，围檩弯矩变大，使得围檩的受力变为了整个环节的弱点，采用何种形式的围檩，如何保证组合钢支撑与围檩的受力连接，变成了支撑体系考虑的重点。1.2国内外研究现状1.2.1相关领域国内外技术现状、发展趋势深基坑支护结构设计（1）基坑支护型式分类根据工程实践经验，可将基坑支护体系划分为挡土与止水体系。之所以分为这两部分，原因在于支护结构大部分受到坑壁周围侧压力和水压力的双重载荷影响。在实际当中，大部分支护型式下的止水帷幕和支护结构共同形成止水体系。通过对目前现有的支护结构型式进行归纳和整理，结合它们的受力状态及作用形式，可将其划分为以下几种支护方式：1.内撑式支护结构；2.拉锚式支护结构；3.土钉墙支护结构；4.放坡开挖和简易支护；5.悬臂式支护结构；6.其它型式支护结构。随着科学技术的发展，许多先进技术应用到深基坑支护体系当中，自然也就形成了多种其他形式的支护结构。工程当中，重力式支护结构由于其技术难度低且施工便捷而应用广泛，这种支护方式多采用深层搅拌法或者高压喷射注浆法形成支护体系。实践中，为了节省投资成本，设计人员多选用格构体系。由于施工难度较大，该支护方式多用于松软地质土层，且开挖较浅，一般深度小于6m，见图1-3。图1-3重力式挡土墙示意图内撑式在深基坑工程中应用十分广泛，实际工程中，内支撑多与排桩和地下连续墙形成联合支护方式。但是内支撑根据材质分为钢管支撑和混凝土梁支撑，两者各有优点，前者优点在于刚度好、变形小，而后者优点在于钢管可回收，施工周期快，见图1-4。图1-4内支撑支护结构形式放坡开挖是在拟建场地不受限且具备放坡的条件，在无支护情况下满足基坑稳定的一种方式。实际工程中，放坡条件很少能够达到，这是因为放坡开挖必须满足多项前提条件，分别是地基土质好，基坑开挖深度不大，基坑周围足够宽敞且无建（构）筑物。相比于其他支护结构形式，放坡开挖费用较低，施工风险较小，但是土方开挖量较大，往往施工周期较长，见图1-5。图1-5 放坡开挖悬臂式支护结构在深基坑结构围护过程中运用比较广泛，其包含多种形式，主要有混凝土排桩墙、钢筋混凝土板桩、钢板桩以及地下连续墙等型式。按照静力学分析，悬臂结构受到挡土土压力分布是开挖深度的一次函数，开挖深度越大，悬臂结构承受的土压力越大；其剪力是开挖深度的二次函数，弯矩则是开挖深度的三次函数，悬臂结构在土压力作用下发生的水平位移是开挖深度的五次函数。因此，不难看出悬臂式结构受基坑开挖影响十分敏感，基坑开挖深度越深，越容易引起大变形，严重威胁到深基坑的稳定和邻近建筑物的安全使用。在实际工程中，悬臂支护结构多与内支撑结合使用，这样就可以减小开挖深度对支护结构变形的影响。图1-7悬臂式支护结构形式（1）基坑支护结构计算发展在进行基坑围护结构形式设计时，设计者多会将选用的支护体系等同于一个来自侧向土压力荷载影响的构件，以此来简化计算过程。翻阅国内外关于这方面年取得的成果文献来看，求解办法其实包含三类，可分为经典方法、弹性地基梁法和有限元法三类。（2）经典方法主要是从支护结构静力平衡角度进行求解的一种手段，该手段在求解时，引用的土压力理论不但有Peck经验公式，还包括经典的朗肯土压力理论。这种求解方法比较简单，便于手算，但是很难得到侧向土压力作用下支护结构变形量，因而也就无法预测支护结构变形量，而且得到的水平支撑力往往偏大。经典方法最大不足之处在于未能考虑基坑施工对支护结构造成的影响。弹性地基梁法设计理论将基坑支护构件看成一个竖直状态下承受水平荷载的弹性地基梁。有学者提出假定，认为基坑支护结构入土段的抗力与变形有密切关系，在进行计算时，应该分两步推导得出支护结构嵌固部分以上至作用到支护结构上最下面水平支撑之间的微分方程，而最下面支撑以上的墙体由于受到多个内撑的水平约束和侧向土压力的挤压变形很小，可视为刚性体，只需考虑支撑力的作用，最后结合两个不同区段上支护结构微分方程进行求解。（3）随着计算机技术的快速进步，数值计算方法被越来越多地应用到实践当中，而有限元法和有限差分法就是比较常用得两种方法。前者把墙、土都划分为若干个单元，然后选择合理的本构模型，计算过程中可以对计算模型进行采用平面有限元计算法，也可以采用空间有限元法。有限元计算理论已经发展的比较完善，适应于多种工程，但是在实际工程计算时难以确定与实际建模材料相符合的本构模型和计算参数，从而使得有限元计算过程较为复杂，对一些结构复杂且节点错综的工程来说，有限元法使用受到限制。1.2.2课题单位现有工作基础课题实施小组已经成立，小组人员的学历层次较高、专业人员较多，其中包括结构工程、岩土工程、建筑施工、钢结构工程等各专业专家和科研人员。除此之外，还将聘请超高大跨钢结构的知名学者和专家组成本次课题的顾问小组，作为本次课题实施的坚强后盾。课题组已经初步对技术难题进行了分析，对国内外大跨度钢支撑基坑支护施工技术进行收集，并咨询了国内权威专家的意见，认为本课题的实施难度虽然大，但以国内外已有工程为依托，科学研究，一定能够圆满完成。1.3本文研究的内容和目标1.3.1研究目标总结出大跨钢结构支撑及组合结构变形产生的主要原因，提出从设计、材料、施工三个方面控制大跨钢结构及组合结构变形产生的系统方法。研究与开发的具体内容：1.大跨度支撑钢结构变形产生原因的系统分析；2.影响大跨度支撑钢结构变形产生因素的研究；3.减小大跨度支撑钢结构变形产生措施的研究；4.大跨度钢支撑结构变形控制实践与示范；1.3.2研究与开发的主要内容（1）自动化测量系统研究： 场地平整前测量系统研究； 施工中实时测量与监测系统研究。（2）自动化吊装工艺研究： 构件自动化识别技术； 构件吊装、托架转换技术； 构件临时固定技术； 构件安装角度纠正技术； 构件安装技术。（3）智能控制系统研究： 程序设计研究； 传感器信号采集系统研究； 无线通信技术研究； 精度调试系统研究。（4）机械手研究： 机械手应用范围研究； 机械手的设计研究； 机械手的安装固定研究； 机械手的操作研究。（5）自动化施工系统综合研究2钢支撑基坑支护分析2.1钢支撑基坑支护技术论述目前关于钢支撑滞后架设对基坑围护结构及地表沉降的影响研究相对较少，且不如锚索安装不及时对基坑内力变形的影响研究深入。鉴于此，以某内撑式地铁深车站基坑工程为依托，采用Plaxis有限元软件，考虑土体小应变特性，建立有限元分析模型，以超挖厚度大小表征钢支撑滞后架设的程度，系统地开展了不同位置钢支撑出现不同程度滞后架设对基坑围护结构内力变形及基坑周围地表沉降影响的研究。2.1.1钢支撑基坑支护的内涵基坑支护是为了保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁采取的支挡、加固与保护措施。随着支护技术在安全、经济、工期等方面要求的提高和支护技术的不断发展，在实际工程中采用的支护结构型式也越来越多。为了在基坑支护工程中做到技术先进，经济合理，确保基坑边坡、基坑周边建筑物、道路和地下设施的安全，应综合场地工程地质与水文地质条件、地下室的要求、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境和周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，因地制宜地选择合理的支护结构型式。可应用到基坑支护工程中的常用施工方法有：各种类型的桩、地下连续墙、锚杆、钢筋混凝土和钢支撑、土钉和喷射混凝土护面、搅拌桩、旋喷桩、逆作拱墙、钢板桩、SMW工法、土体冻结等。这些方法有的可以单独使用，也可以根据需要结合在一起使用。到目前为止，在实际工程中已被采用的单独或组合型式已达十几种基坑支护结构设计的原则有以下几个方面：安全可靠：满足支护结构本身强度、稳定性及变形的要求，确保周围环境的安全；经济合理性：在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案；施工便利并保证工期：在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足方便施工，缩短工期。2.2钢支撑基坑支护的优势（1）拆装迅速，工期短；（2）可循环利用，不产生垃圾，绿色环保；（3）施工噪音小，不扰民；（4）一定条件下比混凝土支撑经济；（5）可施加预应力，对变形控制有利.。2.3钢支撑基坑支护的技术路线众所周知，深基坑围护结构大部分承受来自背侧土体的土压力和水位以下的孔隙水压力两种作用。因此，将深基坑支护体系的研究成果从发挥功能角度进行划分，可以分为挡土墙和止水两种。实际工程中，有的围护结构只承受两者之一的作用，有的承受两种共同作用，最常见的为围护结构加止水帷幕，两者构成一个稳定完整的支护体系。深基坑经过多年地发展，已经形成了众多种支护形式，任何一种支护型式都有自身应用范围。比较常见的支护型式主要有：灌注桩+内支撑、SMW工法、钻孔咬合桩、地下连续墙、桩锚式支护结构、土钉墙支护结构、其它型式支护结构。根据深基坑施工经验可知，在进行基坑开挖之前往往需要在基坑开挖面周围人工形成一圈围护结构，用来抵抗主动土压力。本节重点阐述较为常用的几种深基坑围护形式，分析他们的优缺点，便于后面的围护结构方案比选。1、灌注桩+内支撑该围护结构形式见图2-1。它的优点在于不受拟建场地限制，且施工期间中产生的振动小、噪音污染低，而且自身的刚度强，可以做到就地施工，机械化程度高，不会对邻近环境产生大的不利影响。此外，因为钢支撑可以回收利用，它也比较经济。但是，也存在一定的缺点，比如排桩与内支撑形成的支护体系整体8刚度不高，而且不可成为主体结构的一部分，内支撑需要拆卸。目前度多应用于软土地区和黄土地区。图2-1灌注桩+内支撑围护结构形式（2）SMW工法（劲性水泥土搅拌连续墙）该围护结构形式见图2-2。它的优点在于占用场地少；施工速度快；对环境污染小，无废弃泥浆；操作工艺不复杂，容易上手，重要的是对邻近楼房和管线影响程度低；此外，耗用水泥钢材少，造价低，且具有止水和挡土的双重作用。缺点在于自身结构的刚度低，极易出现较大位移。在国内，多用于610m基坑开挖。图2-2 SMW工法围护结构形式2、深基坑围护结构变形模式深基坑变