基坑鋼支撐綴板結構優化與實踐

汪 洋，張 智

（浙江交工集團股份有限公司地下工程分公司，浙江 杭州310024）

鋼支撐相對于混凝土支撐可以省去硬化時間，做到隨挖隨撐，快捷高效，在基坑圍護中被廣泛應用[1]。理論和工程實踐表明，支撐剛度是影響基坑變形的關鍵因素之一[2-3]。劉樹亞等[4]以深圳地鐵某基坑工程為例，運用ABAQUS有限元軟件分別對混凝土支撐和鋼支撐進行了數值分析，分析了不同開挖階段支撐軸力及圍護墻側移的變化規律。孫毅等[5]結合西安地鐵五號線深基坑工程，對鋼支撐施工從拼裝、架設、預加軸力及拆除等步驟展開了具體的論述，并提出了具體的管控措施。

杭州至富陽城際鐵路工程位于杭州市西湖區轉塘街道，區間總長1 407.355 m，標準段結構總寬度約31.5 m，最大深度22.4 m。圍護結構采用咬合排樁體系，支護結構采用“砼支撐+鋼管支撐”的混合支撐體系，其中鋼支撐共計591根，每根長30.7 m。由于鋼圍檁與鋼支撐固定端（活絡端）接觸面受集中荷載，為了局部加強圍檁剛度，需要在圍檁面與支撐端頭之間設置鋼綴板，以確保軸力施加后圍檁變形較小，軸損失可控。鋼綴板現場焊接在鋼圍檁上雖然能夠保證支撐軸線與綴板位置對應，但焊接工作量大，時間長，效率低，無固定操作平臺，風險較大。另外，若預先把綴板焊接在圍檁上，又難以保證預先焊接的綴板位置恰好與實際架設的鋼支撐的中心線重合，導致鋼支撐受力不均勻、軸力（因圍檁受集中荷載的位置未被加強導致變形較大）損失嚴重，基坑圍護存在極大的安全隱患。在鋼支撐拆除后，往往因不同項目支撐間距不同，周轉使用的圍檁又不得不把鋼綴板切割掉，重新按照新項目的支撐間距焊接綴板，必然會造成鋼圍檁的損壞，影響其周轉使用的壽命，且施工效率較低。結合實際工程，開展鋼綴板結構優化，優化后的鋼綴板適用性強，并保證了施工安全，取得了良好的技術經濟效果。

1 鋼綴板架設時間統計

在本工程中隨機抽取10根鋼支撐，按照抽取順序依次編號為ZC1～ZC10，統計整理出每根鋼支撐架設總時間和各個工序的平均施工時間，見圖1和第49頁圖2。

圖1 單根鋼支撐施工時間

由圖1可見鋼支撐平均施工時間為5.72 h，超過了鋼支撐預計施工時間4 h，導致整體進度滯后。由圖2可見鋼綴板焊接在各工序中用時最長，要縮短鋼支撐架設時間，首先需要縮短鋼綴板的固定時間。通過對各工序施工時間的觀察，得出應壓縮鋼綴板安裝時間來達到預期施工時間。

圖2 鋼支撐各工序施工時間

2 鋼綴板優化設計

為了加快施工進度，完成節點工期，亟須設計出一種可移動的、拆裝方便、安全可靠、又不影響其加強圍檁剛度的綴板。

1）鋼綴板固定方案比選。根據以往鋼支撐施工經驗以及結合現場實際情況，提出掛板法、焊接法、螺栓法3種鋼綴板固定方案。對3種方案的安全性、時效性、經濟性（以單價計）和可靠性進行對比分析，見表1。由表1可見，掛板法施工方便簡單，耗時短，加工費用低；焊接法施工作業量大，效率低，成本費高；螺栓法施工方便簡單，耗時短，加工費用低，但對鋼圍檁損壞嚴重。綜合考慮，鋼綴板固定方式選取為掛板法。

2）鋼綴板形狀選擇。為保證鋼支撐施加軸力后的應力全部作用在掛板上，通過安全性、時效性、經濟性和可靠性的分析來確定掛板的選型，見表2。根據鋼支撐固定端截面積，提出正方形與圓形2種不同形狀的掛板，見圖3。

表1 鋼綴板固定方案比選表

表2 掛板形狀比選表 （元）

圖3 兩種現狀的加工示意圖

由表2可見，方形掛板成本低，加工方便，原材利用率高；圓形掛板成本費稍高，但加工較復雜，耗材量大，故綜合比較后選擇方形掛板。

3）掛鉤選型。掛板需要通過掛鉤與鋼圍凜相連接，掛鉤的選擇直接影響施工效率與安全性。提出鋼制與螺栓兩種方案的掛鉤，其安全性、經濟性和可靠性比較見表3。由表3可見鋼制掛鉤和螺栓掛鉤安全性都較高，但由于螺栓掛鉤造價昂貴，故選擇鋼制掛鉤。

表3 掛鉤比選表 （元）

4）底托選型。為使鋼支撐兩端標高保持一致，需要在掛板底部增加底托設置。提出鋼板底托和鋼制掛鉤底托兩種方案，其安全性、經濟性和可靠性的比較見第50頁表4。由表4可見，鋼板底托加工成本費低，安全性高，施工方便，且有效防止了鋼支撐滾動；鋼制掛鉤底托加工成本費低，但安全性低，施工可靠性較差，掛鉤無法準確地卡住鋼支撐，故選擇鋼制底托。

表4 底托比選表 （元）

最終經過方案優化得到鋼綴板結構，適用于Φ800 mm的鋼支撐，對于Φ609 mm的鋼支撐，鋼綴板邊長可改為750 mm。對于安裝軸力計的鋼支撐，鋼制底托可加長至500 mm。

3 實施效果

新型鋼綴板按照設計加工完成后，在杭富3標5號基坑進行了試驗，表明優化后的鋼綴板使用方便快捷，提高了鋼支撐安拆效率，避免了軸力缺失的現象，安全性能良好，提高了施工效益。

3.1 時間效益

試驗中隨機抽取10根鋼支撐，按照抽取順序依次編號為2ZC1～2ZC10，統計整理每根鋼支撐施工總時間和各工序的平均施工時間，見圖4和圖5。

圖4 優化后單根鋼支撐施工時間

圖5 優化后鋼支撐各工序施工時間

由圖4和圖5可見，采用優化的鋼綴板提高了鋼支撐的架設效率，加快了施工進度，鋼綴板的施工時間由原來的3 h縮短為0.5 h，縮短了施工工期，到達了預期效果。同時解決了原方案的鋼綴板與鋼支撐中心線不重合的問題，消除了基坑圍護存在的安全隱患。

3.2 經濟效益

應用新型的鋼綴板提高了鋼支撐架設效率，縮短了施工工期，取得了良好的經濟效益，經成本核算，節約成本17.53萬元。

4 結論

以杭州至富陽城際鐵路工程為依托，對鋼綴板結構進行優化設計，采用掛板式鋼綴板，形狀為方形，并設計了鋼制掛鉤和鋼板底托。現場試驗表明，結構優化后的鋼綴板省去了焊接工藝，位置可調，提高了施工效率，有利于縮短施工工期、節省施工成本。