第一章 基坑工程施工技术

第一节 工具式组合内支撑技术

一、主要技术特点

1．基本概念

组合内支撑技术是建筑基坑支护的一项新技术，它是在混凝土内支撑技术的基础上发展起来的一种内支撑结构体系，主要利用组合式钢结构构件截面灵活可变、加工方便等优点。当无大型钢管和型钢时，可用角钢组合成空间桁架支撑，它的外围尺寸可以根据需要设计。由于组合空间桁架外围尺寸、刚度大，稳定性好，常用于跨度长、受力大的支撑部位。

2．技术特点

工具式组合内支撑技术具有以下特点：

①适用性广，可在各种地质情况和复杂周边环境下使用；

②施工速度快，支撑形式多样；

③计算理论成熟；

④可拆卸重复利用，节省投资。

二、主要技术指标

工具式组合内支撑技术的主要技术指标有：

①标准组合件跨度8m、9m、12m等。

②竖向构件高度3m、4m、5m等。

③受压杆件的长细比不应大于150，受拉杆件的长细比不应大于200。

④构件内力监测数量不少于构件总数量的15%。

三、施工技术应用

1．技术应用范围

适用于周围建筑物密集、相邻建筑物基础埋深较大、施工场地狭小、岩土工程条件复杂或软弱地基等类型的深大基坑。

2．工程设计要点

1）施工设计

内支撑承受的荷载大而复杂，计算时应包括最不利时的工况。内支撑的每根杆件都要满足强度和稳定性要求，以保证整个支护结构的安全。内支撑结构计算内容主要包括以下几个方面：确定荷载种类、方向及大小；计算模型和计算假定；采用合理的计算方法；计算结果的分析判断和取用。

2）荷载

作用在水平支撑上的荷载主要是水平力和竖向荷载。水平力主要是由竖向围护结构传来的水、土压力和基坑外地面荷载，沿压顶梁、腰梁长度方向的分布力汇集到水平支撑的端部节点上。必要时还要考虑环境条件的变化，如温度应力或附加预压力等外荷载。竖向荷载主要是支撑自重和附加在支撑上的施工活荷载。

3）计算方法

支撑计算比较复杂，它的复杂性不在于支撑本身，而在于计算的精确性与同它相联系的围护结构、土质、水文、施工工艺等条件密切相关。计算方法主要有两种：

第一种是简化计算方法。它将支撑体系与竖向围护结构各自分离计算。压顶梁和腰梁作为承受由竖向围护构件传来的水平力的连续梁或闭合框架，支撑与压顶梁、腰梁相连的节点即为其不动支座。当基坑形状比较规则并采用简化计算方法时，可以采用以下规定：

①在水平荷载作用下腰梁和压顶梁的内力和变形可近似按多跨或单跨水平连续梁计算，计算跨度取相邻支撑点中心距，当支撑与腰梁、压顶梁斜交时或梁自身转折时，应计算这些梁所受的轴向力；

②支撑的水平荷载可近似采用腰梁或压顶梁上的水平力乘以支撑点中心距；

③在垂直荷载作用下，支撑的内力和变形可近似按单跨或多跨连续梁分析，其计算跨度取相邻立柱中心距；

④立柱的轴向力取水平支撑在其上面的支座反力。

第二种是平面整体分析。它将支撑体系作为一个整体，传至环梁（即压顶梁、腰梁）的力作为分布荷载，整个平面体系设若干支座（以弹性支座为好），其刚度根据支撑标高处的土层特性及围护结构刚度综合选定，借助计算机软件进行分析，可同时得出支撑系统的内力与变形结果。

4）水平支撑的截面设计

支撑截面设计方法基本上与普通结构类似，作为临时性结构可做如下一些规定：

①支撑构件的承载力验算应根据在各工况下计算的内力包络图进行。

②水平支撑按偏心受压构件计算。杆件弯矩除由竖向荷载产生的弯矩外，还应考虑轴向力对杆件的附加弯矩，附加弯矩可按轴向力乘以初始偏心距确定。偏心距按实际情况确定，且不小于40mm。

③支撑的计算长度。在竖向平面内取相邻立柱的中心距，在水平面内取与之相交的相邻支撑的中心距。如纵横向支撑不在同一标高上相交时，其水平面内的计算长度应取与该支撑相交的相邻支撑的中心距的1.5～2倍。

④技术措施。钢支撑的连接主要采用焊接或高强螺栓连接。钢构件拼接点的强度不应低于构件自身的截面强度。对于格构式组合构件的缀条应采用型钢或扁钢，不得采用钢筋。

钢管与钢管的连接一般以法兰盘形式连接和内衬套管焊接，如图1-1所示。当不同直径的钢管连接时，采用锥形过渡，如图1-2所示。

钢管或型钢与混凝土构件相连处须在混凝土内预埋连接钢板及安装螺栓等（图1-3）。当钢管或型钢支撑与混凝土构件斜交时，混凝土构件宜浇成与支撑轴线垂直的支座面，如图1-4所示。

钢支撑的其他主要连接节点构造图如图1-5～图1-11所示。

3．施工技术要点

钢支撑支护体系施工顺序：钢支撑吊装、就位、焊接→钢支撑施加预应力→斜撑、纵向系杆安装→临时钢立柱安装。

1）钢支撑安装

钢支撑安装随土方开挖分层进行。节点施工的关键是承压板间均匀接触，钢支撑构件就位时应保持中心线一致。为保证钢支撑就位和连接，安装前应搭设安装平台。钢支撑就位后，各分段钢支撑的中心线尽量保持一致，必要时应调整支托位置（辅以仪器配合）。钢支撑与腰梁等节点焊接时按设计预留焊缝，同时应检查护坡桩上埋件、腰梁及立柱支托上的钢支撑位置，以保证主撑准确就位。

2）施加预应力

钢支撑就位后要施加预应力，故将其一端做成可自由伸缩的“活接头”，该接头由主体、滑杆、滑道和钢楔块四部分组成。主体与钢支撑相连，滑杆与腰梁相连。施加预应力时，滑杆可以在滑道内自由移动。钢支撑顶紧腰梁后，打入钢楔块。钢楔块将钢支撑的反力通过滑杆传给腰梁，起到支撑的作用。具体施工过程如下：

①在每根水平支撑的一端制作活接头并加焊放置千斤顶的位置，以便施加预应力。

②安装千斤顶，在活接头一端施加预应力。钢支撑顶紧腰梁后，打入钢楔块，固定并焊牢。

③千斤顶用油表控制压力，横撑施加预应力；同时观测相邻钢支撑预应力的损失，如超过50%即应重新施加。活接头两侧的千斤顶工作时应同步，以免产生偏心荷载。

3）纵向系杆、钢立柱施工

①在系杆施工中，每隔一定距离设置螺栓接头，螺栓孔为椭圆形，系杆间预留20mm的空隙，系杆的接长采用螺栓连接。

②在地表用钻孔机钻孔后，置入钢立柱，钢立柱的嵌固深度通过计算确定。在开挖底标高以下灌入混凝土，形成型钢混凝土柱，从而保证整个系统的稳定。

4）连接节点施工

钢支撑、纵向系杆、临时钢立柱连接节点的施工：钢支撑、纵向系杆、临时钢立柱节点的连接可采用U形套箍螺栓连接，如图1-12所示。节点受力特点是对钢支撑、纵向系杆、临时钢立柱的连接既有三向约束作用，钢支撑、纵向系杆又可以在各自轴线方向有变化。使用U形套箍施工简便，不损母材，且容易调整，便于组成钢支撑支护体系的构件再利用。

5）安全措施

（1）土方开挖

与钢支撑体系施工相配合的土方开挖按自上而下分层进行，每层由中间向两侧开挖。每层靠近护坡桩的土方保留，作为预留平台。利用预留平台可控制基坑土体位移，保证基坑稳定；还可利用其作为钢支撑支护体系施工的工作平台。待本层钢支撑施工完成后，将本层预留平台与下一层土方同时开挖。

（2）支护体系的安全保证措施

①土方开挖分层、分段并预留平台，以控制整个基坑土体的水平位移，增加基坑稳定性。

②在基坑范围内设置应力检测点，定期（3d）检测支护系统的受力状况，实际受力值小于设计受力值为合格。

③支护系统施工中，严禁蹬踏钢支撑，操作应在操作平台上进行并由专人负责。

④钢立柱四周1m范围内预留结构的板筋，待拆除钢立柱后即可焊接钢筋、浇筑楼板混凝土。

⑤基础结构施工中，严禁在钢支撑上放置重物及行走。

（3）钢支撑支护体系的拆除

①待基础结构自下而上施工到支撑下1.0m处，且楼板混凝土强度达80%以上时，开始拆除基础结构楼板下的支护体系，否则将使巨大的侧压力传至楼板。

②支护体系拆除的顺序为自下而上，先水平构件，后垂直构件（钢立柱）。具体步骤是先行拆除斜撑、纵向系杆、柱箍，再用千斤顶卸载主撑，撤除撑端的钢楔块，用塔吊将钢支撑吊出基坑；待最上层水平构件拆除后，用乙炔将钢立柱从底部切断，用塔吊将其吊出基坑。

（4）施工监测

施工全过程应对支护体系的稳定性和相邻建筑物的沉降进行严密的监测和测试，以保证至基础结构施工全部完成时各项监测指标均在正常范围内。