深基坑可承拉微调式钢支撑结构理论研究与设计

深基坑可承拉微调式钢支撑结构理论研究与设计

郑水林

（中铁上海工程局集团华海工程有限公司，上海 201101）

摘　要：随着社会经济的高速发展，地下空间资源开发利用越来越多，基坑开挖越来越大，越来越深，基坑支护技术是工程施工中重要的保障措施。当前深基坑施工中主要采用混凝土+钢支撑的组合形式进行深、大基坑支护，其中传统的钢支撑仅能承受来自围护结构传递的压应力，且无法进行细微的伸缩调节，极大限制了钢支撑在深基坑中的应用。本文将针对深基坑施工中钢支撑支护结构受力进行分析，研究一种可承拉可微调的钢支撑结构，为今后深基坑支护结构设计和施工提供参考。

关键词：深基坑、钢支撑支护、承拉、微调、钢支撑结构

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引言

我国很多地下建筑工程都采用大型深基坑技术，钢支撑作为其中重要的支护结构也得到了高速发展。相比钢筋混凝土支撑，钢支撑具有自重轻、装卸方便快捷、能够循环利用的优点，可降低围护结构无支护情况下土体蠕变发生的变形（减少时间效应）；使用时可施加轴向预应力，并可根据围护结构的变形发展及时调整轴力值，控制基坑变形。目前大部分的钢支撑只能承受来自围护结构的轴向压力，对于基坑第一道支撑可能需要承受轴向拉力时则无法满足需求，造成基坑失稳的问题；另外，一般非机械式的钢支撑活络头亦采用钢楔垫调节，无法进行细微的轴力调节。针对这些问题，笔者提出一种新型钢支撑结构，可承受轴向拉力和压力，并可进行应力的细微调整，满足不同工况下的支护需求。

1.钢支撑结构设计及组成

新型钢支撑结构主要由三个核心部件组成。内钢筒、外钢筒（彼此嵌套），一对（两片）楔形齿瓦。如图1所示。

1-内钢筒  2-预应力油缸  3-外钢筒

4-锁定螺钉  5-楔形齿瓦

图1 新型钢支撑结构立、平面图

内钢筒由底座和非螺旋齿痕钢筒组成，作为钢支撑活络端的受力主构件之一，底座与围护结构直接接触，非螺旋齿痕钢筒深入外钢筒内，内、外钢筒彼此嵌套。内钢筒外表有非螺旋齿痕，螺距为10mm，齿痕深度5mm，齿痕个数根据实际情况需求，通常为33个。受力底座由30mm钢板定制加工而成，底座设有加筋肋板，用以加强内钢筒的整体刚度，底座两侧设千斤顶作业面板，用于预应力加压施工。

1-1 底座  1-2 非螺旋齿痕

图2钢内筒结构组成示意图

外钢筒一端与内钢筒嵌套组合成钢支撑活络端主要受力构件，另一端与通用钢支撑连接，壁厚为30mm。钢外筒上有一对楔形开口，开口横向与外钢筒横截面方向约3.6°的夹角，开口角度均为116°，轴向开口长度110mm，用以一对（两片）楔形齿瓦工作空间，在开口两侧，各有六个锁定螺钉。

楔形齿瓦一共两片（一对），每块齿瓦开口角度为80°，其余尺寸与楔形开口一致。楔形齿瓦内侧也有非螺旋齿痕，可与内钢筒上的齿痕啮合，楔形齿瓦外侧有弹性钢片，楔形齿瓦可在外筒的楔形开口内左、右旋转有限的角度（36°）。

5-1 齿瓦内侧非螺旋齿痕

5-2 弹性钢片连接

图3 楔形齿瓦结构组成示意图

2.钢支撑结构受力分析

2.1工程概况

为了便于研究钢支撑结构内部受力情况，根据具体实际工程参数进行计算分析，选择长三角地区具有代表性的标准地铁车站深基坑作为实例计算。某地铁车站外包总长度为196.60m，标准段结构宽度为19.70m，端头井处结构宽度为24.40m，标准段底板埋深约为16.62m，端头井底板埋深约为18.25m。围护结构采用800mm厚地下连续墙，车站标准段地下墙深30.67m，配筋段插入比约0.84；端头井地下墙深33.0m，配筋段插入比约0.83。标准段内支撑采用1道混凝土支撑+4道钢支撑，端头井内支撑增加端头井支撑形式应为1道混凝土支撑+4道钢支撑+1道钢支撑换撑。其中第一道为截面900×1000的钢筋混凝土支撑，第三道钢支撑为φ800钢支撑，其余为φ609钢支撑（t=16mm）。

图4 某地铁车站标准、端头段剖面图

本实例中混凝土支撑在施工监测中产生最大拉应力为208kN（标准段第一道直撑），钢支撑最大设计轴力913kN（标准段第三道直撑），最大预加轴力为819kN/cos45°=1158kN（端头井第二道斜撑，设计轴力819kN，与围檩间交角45°），最大锁定轴力为（1+10%）×1158kN=1274kN；钢支撑外筒直径取360mm，壁厚30mm，弦向开口角度116°×2=232°，弦向实体角度64°×2=128°，纵向开口宽度110mm；钢支撑内筒直径300mm，壁厚25mm，齿痕深度5mm，齿痕间距10mm；钢支撑均采用Q235B低碳结构钢，其抗剪强度设计值[τ]=120MPa。

2.2钢支撑结构受压分析

钢支撑结构受压时，主要由两侧钢管实体和两块楔形尺瓦内部啮合齿痕承担受力。

图5 钢支撑受压结构示意图

钢支撑受力如图5所示，根据受力情况，其中两侧钢管实体有效受力面积为²，两块楔形尺瓦内部啮合齿痕有效受力面积为2059²

钢支撑截面上的剪应力为

97.13MPa＜[τ]，满足抗剪要求。

2.3钢支撑结构受拉分析

钢支撑结构受拉时，主要两块楔形尺瓦内部啮合齿痕承担受力。

图6 钢支撑受拉结构示意图

钢支撑受力如图6所示，每块楔形尺瓦承受的轴力为，每块楔形尺瓦有效啮合齿痕5环，每环啮合齿痕有效面积为1030²，每块楔形尺瓦截面上的剪应力为4.04MPa＜[τ]，满足抗剪要求。

2.4钢支撑挠度分析

根据φ609钢支撑（t=16mm）尺寸参数可知钢支撑的截面面积为29807²，钢材密度取q=78.5kN/m3，跨度取L=19.7m，惯性矩mm4，弹性模量为E=206000N/mm2，则0.017m，欧拉临界力6869kN，钢支撑最大挠度0.0209m＜挠度容许值L/600=0.0328m，满足挠度要求。

3.钢支撑结构轴力安拆及微调

1）支撑位置土方开挖及标准节钢支撑搭设完成后，将可调节快速伸缩的钢支撑活络端接头整体运至安装位置，并使外钢筒与标准节钢支撑连接，内钢筒底座与围护结构紧密贴合，需保证内钢筒的伸缩量满足预加长度（支撑轴力）要求，否则通过短节钢支撑进行调节。

2）按照要求完成钢支撑调整后，采用人工或机械配合安装好两个预应力油缸，检查各项参数和施工条件后，可按照设计的轴力让两个预应力油缸同时施加预应力，此时，松开锁定螺钉致齿瓦弹开、啮合脱开，内钢筒可在外钢筒内伸缩移动。

3）待预应力油缸达到指定读数后，在两侧的楔形开口内调整楔形齿瓦，通过在外钢筒楔形开口内左、右旋转有限的角度，使楔形齿瓦的非螺旋齿痕与内钢筒的非螺旋齿痕刚好咬合密实，保证预应力损失在合理范围内。

4）楔形齿瓦调整完成后，拧紧两侧（每侧6个）锁定螺钉，施工锁定螺钉的螺帽底面至楔形齿瓦外表面为止，不得存在缝隙，使楔形齿瓦固定在楔形开口内，确保施加的预应力保持稳定，保证施工安全。

5）安装完成之后，收缩两个预应力油缸，可调节快速伸缩的钢支撑活络端接头安装完成，加强钢支撑预应力监测，存在异常时，可快速调节钢支撑的预应力。

6）可调节快速伸缩的钢支撑活络端接头的拆卸过程为安装过程的逆过程。

7）重复上述步骤即可进行下一次施工。

1：松开锁定螺钉致，齿瓦弹开、啮合脱开

2：右旋齿瓦并压入使啮合，拧入一对螺钉，不锁定

3：左旋齿瓦至紧、锁定全部啮合螺钉

图7 钢支撑结构使用步骤示意图

4.结语

在分析钢支撑结构设计及组成的基础上，选择长三角地区具有代表性的某地铁车站深基坑工程为实例对钢支撑结构受力进行可行性分析计算。根据钢支撑受压、受拉、挠度等计算结果，确定该钢支撑结构各项受力分析均能满足要求，并根据该钢支撑结构可对支撑轴力进行细微调整，应对复杂环境和工况的深基坑支护提供了有力的保障，同时保证了基坑开挖过程中基坑的安全性和稳定性，降低了对基坑周边建（构）筑物的影响，通过对可承拉可微调的钢支撑结构研究，为今后深基坑支护结构设计和施工提供有效的理论基础及技术依据。

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