鋼支撐在基坑工程中的應(yīng)用

中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122

基坑內(nèi)支撐主要包括混凝土支撐和鋼支撐，混凝土支撐拆除時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，與綠色施工背道而馳；鋼支撐可重復(fù)使用，具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外鋼支撐應(yīng)用較早，在設(shè)計(jì)和施工上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)鋼支撐起步較晚，20世紀(jì)90年代，隨著深大基坑的出現(xiàn)，建筑基坑開(kāi)始采用鋼支撐體系，代表性的有上海浦東由由大廈基坑、上海華僑大廈基坑、北京國(guó)貿(mào)二期基坑等，當(dāng)時(shí)采用的主要是圓鋼管支撐。隨著設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)的進(jìn)步，在國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上逐漸形成現(xiàn)階段的鋼支撐體系，現(xiàn)階段鋼支撐體系主要包括鋼管支撐、鋼管組合支撐、魚(yú)腹梁鋼支撐、型鋼組合支撐、補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐。文章主要分析鋼支撐的特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上總結(jié)鋼支撐的發(fā)展趨勢(shì)。

1 鋼支撐的類(lèi)型

1.1 鋼管支撐

鋼管支撐應(yīng)用較早且較為廣泛，主要應(yīng)用于長(zhǎng)條形基坑、地鐵基坑和下立交等。鋼管支撐如圖1所示。鋼管支撐單根獨(dú)立使用，鋼管主要采用φ609mm等型號(hào)，鋼構(gòu)件端頭有法蘭圓盤(pán)，圓盤(pán)上開(kāi)有螺栓孔，采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行支撐的接長(zhǎng)，支撐長(zhǎng)度不超過(guò)40m。支撐端頭采用千斤頂作為預(yù)加力的施加方式，預(yù)加力施加完成后，打入鋼楔用于保持預(yù)加力，移走千斤頂。對(duì)于環(huán)境保護(hù)要求高的基坑，目前常采用固定于支撐上的千斤頂，配備軸力補(bǔ)償裝置。立柱一般采用型鋼和格構(gòu)柱，立柱上焊接牛腿，牛腿上安裝托梁，托梁作為鋼支撐的安裝支座，在鋼支撐與托梁上安裝限位裝置，限制支撐在托梁上的移動(dòng)。

圖1 鋼管支撐

1.2 鋼管組合支撐

鋼管組合支撐是在鋼管支撐的基礎(chǔ)上發(fā)展演化而來(lái)，鋼管組合支撐如圖2所示。傳統(tǒng)的鋼管組合支撐是在鋼管間焊接連系桿，焊接對(duì)材料損傷較大。隨著鋼支撐的施工精度越來(lái)越高和裝配式技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)了鋼管支撐節(jié)點(diǎn)連接件，構(gòu)件之間采用高強(qiáng)螺栓連接，形成了焊接量很小的鋼管組合支撐。該組合形式預(yù)加力和立柱的施工均與鋼管支撐相同，已應(yīng)用于房建、市政項(xiàng)目，支撐長(zhǎng)度可達(dá)到百米。

圖2 鋼管組合支撐

1.3 魚(yú)腹梁鋼支撐

魚(yú)腹梁鋼支撐最早應(yīng)用于韓國(guó)及東南亞地區(qū)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)引進(jìn)、消化吸收，發(fā)展成適用于國(guó)內(nèi)的支撐體系。魚(yú)腹梁鋼支撐如圖3所示，其由魚(yú)腹梁，型鋼對(duì)撐等組成，型鋼構(gòu)件主要采用H350mm×350mm×12mm×19mm和H400mm×400mm×13mm×21mm，構(gòu)件采用高強(qiáng)螺栓裝配連接。立柱采用立柱和格構(gòu)柱，立柱直接插入土中或下部采用樁基礎(chǔ)，支撐較重時(shí)采用格構(gòu)柱。支撐拼裝完成，張拉魚(yú)腹梁及施加對(duì)撐的預(yù)加力，形成平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)。魚(yú)腹梁支撐跨度可達(dá)40m，為基坑土方開(kāi)挖提供極大的便利，但對(duì)施工精度要求高。

圖3 魚(yú)腹梁鋼支撐

1.4 型鋼組合支撐

型鋼組合支撐是在魚(yú)腹梁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，取消了魚(yú)腹梁形成了型鋼組合支撐，典型的組合支撐如圖4所示。型鋼構(gòu)件主要采用H350mm×350mm×12mm×19mm和H400mm×400mm×13mm×21mm，型鋼翼緣上開(kāi)設(shè)螺栓孔，型鋼支撐方向采用高強(qiáng)螺栓拼接，橫向采用槽鋼蓋板連接，每組支撐采用多根型鋼相連。立柱一般采用H型鋼，根據(jù)土層條件，直接插入土中或下部采用樁基礎(chǔ)，多道支撐時(shí)可采用格構(gòu)柱。型鋼構(gòu)件可拼裝成圍檁，型鋼支撐與鋼圍檁之間采用高強(qiáng)螺栓連接，鋼圍檁與混凝土圍檁采用埋板牛腿連接。斜撐采用大三角鍵與鋼支撐連接。鋼支撐端頭使用千斤頂作為鋼支撐預(yù)加力的裝置，預(yù)加力施加完成后，移走千斤頂，填塞鋼楔保持預(yù)加力。

圖4 型鋼組合支撐

1.5 補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐

補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐是在日本型鋼支撐的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，如圖5所示。為補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐，型鋼構(gòu)件主要采用H400mm×400mm×13mm×21mm和H500mm×500mm×16mm×25mm，鋼構(gòu)件可拼裝成圍檁、八字撐，支撐形式可為雙拼、三拼及多拼，形成空間桁架體系，支撐間采用連桿和蓋板連接，所有構(gòu)件的連接均采用高強(qiáng)螺栓。立柱一般采用H型鋼，立柱直接插入土中或下部采用樁基礎(chǔ)，支撐較重時(shí)采用格構(gòu)柱。千斤頂安裝在型鋼支撐節(jié)段之間，基坑施工過(guò)程中千斤頂不拆除，實(shí)時(shí)施加預(yù)應(yīng)力，結(jié)合軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)和全自動(dòng)軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)支撐軸力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。該體系成功應(yīng)用于深大基坑，對(duì)環(huán)境保護(hù)要求高的基坑適用性強(qiáng)。

圖5 補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐

2 鋼支撐的主要特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

各類(lèi)鋼支撐均具有自重輕、安裝拆除方便、材料可回收、節(jié)省工期、配備預(yù)加力裝置快速形成支撐剛度等優(yōu)點(diǎn)。但鋼支撐施工精度要求高，部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，施工質(zhì)量對(duì)整體穩(wěn)定性要求很大?；有螤顝?fù)雜時(shí)，鋼支撐不易布置。支撐長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，易產(chǎn)生累計(jì)安裝誤差。

2.1 鋼管支撐

（1）主要特點(diǎn)。單根支撐剛度大，可有效控制基坑變形。支撐構(gòu)件規(guī)格較多，需要根據(jù)支撐受力選擇鋼管截面。支撐需要單個(gè)安裝，且長(zhǎng)度小安裝精度高，當(dāng)基坑發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，不易形成連鎖破壞。

（2）應(yīng)用現(xiàn)狀。鋼管組合支撐適用于地鐵、管廊等長(zhǎng)條形基坑，在這些基坑中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，安全性高。

（3）存在的問(wèn)題。材料易從內(nèi)部銹蝕、維修保養(yǎng)不方便、使用壽命低。圓形支撐構(gòu)件在材料運(yùn)輸、安裝、存放不方便。支撐單根設(shè)置，支撐整體性差。支撐長(zhǎng)度小于40m，應(yīng)用范圍窄。

2.2 鋼管組合支撐

（1）主要特點(diǎn)。具有多規(guī)格的構(gòu)件，多種節(jié)點(diǎn)連接件，滿(mǎn)足不同規(guī)格的拼裝要求。根據(jù)支撐軸力的大小，選擇不同壁厚的鋼管。支撐可以單向使用也可以十字交叉使用，十字交叉時(shí)可采用節(jié)點(diǎn)鍵在同一平面內(nèi)連接或支撐上下層疊接。組合鋼管支撐整體性好，形成平面桁架體系，可以更好地控制基坑變形。采用千斤頂施加預(yù)加力，主動(dòng)控制基坑變形，軸力可實(shí)時(shí)附加。鋼管組合支撐突破使用單根鋼支撐長(zhǎng)度的限制，支撐長(zhǎng)度可達(dá)百米，拓寬了鋼管支撐的使用范圍。

（2）應(yīng)用現(xiàn)狀。鋼管組合支撐適用于民用及市政深大基坑，在較大深度、周邊環(huán)境復(fù)雜及地質(zhì)條件差的地區(qū)均可使用。

（3）存在的問(wèn)題。材料易從內(nèi)部銹蝕，維修保養(yǎng)不方便，使用壽命低。圓形截面支撐構(gòu)件運(yùn)輸、安裝、存放不方便。施工時(shí)安裝精度要求高，圓形截面支撐不易校正。支撐側(cè)向限位普遍較差，易側(cè)向偏移。目前缺乏對(duì)超長(zhǎng)大跨度支撐的設(shè)計(jì)理論研究，依靠經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。

2.3 魚(yú)腹梁鋼支撐

（1）主要特點(diǎn)。支撐構(gòu)件全部為H型鋼，構(gòu)件全部成模數(shù)，節(jié)點(diǎn)連接采用固定的節(jié)點(diǎn)鍵。H型鋼構(gòu)件維修保養(yǎng)方便，材料壽命長(zhǎng)，運(yùn)輸方便。立柱、牛腿、托梁等構(gòu)件也采用裝配化鋼構(gòu)件，裝配化程度高，焊接量小，安裝方便。支撐安裝完成后形成平面桁架體系，受力整體性好。魚(yú)腹梁張拉形成的空間大，方便土方開(kāi)挖和地下結(jié)構(gòu)施工。基坑具備較大的施工空間，大幅度降低了施工難度，縮短了施工工期。

（2）應(yīng)用現(xiàn)狀。魚(yú)腹梁鋼支撐已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各地深大基坑，在面積大的基坑中，體現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。

（3）存在的問(wèn)題。魚(yú)腹梁的安裝精度相比其他類(lèi)型鋼支撐安裝精度更高，事故風(fēng)險(xiǎn)率高，安全度低。支撐拼裝采用斜交蓋板，加強(qiáng)支撐桿件的作用有限，受力體系不易分析。預(yù)加力施加裝置施加完成后即拆除，不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制軸力。

2.4 型鋼組合支撐

（1）主要特點(diǎn)。支撐構(gòu)件全部為H型鋼，構(gòu)件規(guī)格多，滿(mǎn)足不同長(zhǎng)度的裝配需求。H型鋼構(gòu)件維修保養(yǎng)方便，材料壽命長(zhǎng)，運(yùn)輸方便。取消了魚(yú)腹梁部分，降低了風(fēng)險(xiǎn)，提高了支撐的安全度。斜撐采用大三角鍵連接，滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)的抗彎、抗剪要求。

（2）應(yīng)用現(xiàn)狀。型鋼組合支撐應(yīng)用于建筑、市政基坑工程中，在浙江地區(qū)應(yīng)用廣泛，實(shí)踐表明，該支撐形式適用范圍廣。

（3）存在的問(wèn)題。支撐拼裝采用斜交蓋板，鋼構(gòu)件不在同一平面內(nèi)，受力體系不易分析。預(yù)加力施加裝置施加完成后即拆除，不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制軸力。

2.5 補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐

（1）主要特點(diǎn)。構(gòu)件全部采用H型鋼，定型化支撐構(gòu)件，可重復(fù)利用，可拼裝成支撐、圍檁、八字撐等，自由組合，普適性強(qiáng)。采用螺栓、節(jié)點(diǎn)鍵、蓋板裝配連接，大幅提高安裝施工精度，便于形成平面桁架，整體性好。自動(dòng)伺服千斤頂安裝在支撐上，基坑施工過(guò)程不拆除，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)支撐軸力，有效主動(dòng)控制基坑變形。

（2）應(yīng)用現(xiàn)狀。補(bǔ)償裝配式型鋼組合支撐主要應(yīng)用于建筑、市政基坑工程，其在上海、南京等地應(yīng)用廣泛，實(shí)踐表明，該體系可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)要求高的支撐工程。

（3）存在的問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)連接采用蓋板，螺栓數(shù)量多，安裝不便。支撐間采用連系桿，系桿數(shù)量多導(dǎo)致基坑用鋼量大。

3 鋼支撐的發(fā)展趨勢(shì)

（1）裝配式。鋼支撐采用螺栓連接，安裝方便，保證安裝質(zhì)量。

（2）H型鋼組合支撐。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，采取H型鋼作為鋼支撐構(gòu)件，在構(gòu)件連接、組合及安裝方面均較鋼管擁有較多的便利性。

（3）可靠的預(yù)加軸力系統(tǒng)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)加力對(duì)于基坑及周邊環(huán)境變形的控制是十分有效的，可以解決鋼支撐自身剛度較小的問(wèn)題。對(duì)于周邊敏感環(huán)境條件，新興的軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)證明是較為有效的手段，也是未來(lái)預(yù)加軸力技術(shù)的發(fā)展方向。

（4）自動(dòng)實(shí)時(shí)的基坑健康監(jiān)測(cè)。鋼支撐體系對(duì)于溫度、應(yīng)力、變形等因素十分敏感，這些因素的變化均會(huì)造成鋼支撐受力狀態(tài)的變化，甚至對(duì)鋼支撐體系的穩(wěn)定和安全造成影響。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)1～2次/d，采用人工采集，這種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段不管是采集方式或是監(jiān)測(cè)頻率都難以滿(mǎn)足鋼支撐體系的監(jiān)測(cè)要求。因此需要開(kāi)發(fā)能自動(dòng)、實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)幕咏】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

（1）鋼支撐技術(shù)呈現(xiàn)段多元化發(fā)展，各類(lèi)支撐形式的研發(fā)豐富基坑內(nèi)支撐的形式。

（2）鋼支撐具有眾多優(yōu)勢(shì)，符合綠色施工和綠色建造的發(fā)展趨勢(shì)，在低耗能、環(huán)境低影響方面呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

（3）鋼支撐朝著裝配式、智能預(yù)加軸力系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。