基坑钢支撑支护总结

基坑钢支撑支护总结

基坑支护是为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。 1、基坑支护特点

(1)基坑支护工程是个临时工程，设计的安全储备相对可以小些，但又与地区性有关。不同区域地质条件其特点也不相同。基坑支护工程又是岩土工程、结构工程以及施工技术互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合技术学科。

(2)由于基坑支护工程造价高，开工数量多，是各施工单位争夺的重点，又由于技术复杂，涉及范围广，变化因素多，事故频繁，是建筑工程中最具有挑战性的技术上的难点，同时也是降低工程造价，确保工程质量的重点。

(3)工程实践证明，要做好基坑支护工程，必须包括整个开挖支护的全过程，它包括勘察、设计、施工和监测工作等整个系列，因而强调要精心做好每个环节的工作。

(4)基坑支护工程包含挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节，其中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。

(5)相邻场地的基坑施工，如打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相互影响与制约，增加事故诱发因素。

(6)在支护工程设计中应包括支护体系选型、围护结构的承载力、变形计算、场地内外土体稳定性、降水要求、挖土要求、监测内容等，应注意避免“工况”和计算内容之间可能出现的“漏项”，从而导致基坑失误。在施工过程中，尤其在软土地区中施工时，应该认真研究合理安排 好挖土的方法，以及支撑与挖土的配合，将会显著地减少基坑变形和基坑支护事故的发生。

(7)基坑支护工程造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金。可是，一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。 (8)基坑支护工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。

2、常见的基坑支护型式主要有： （1）排桩支护，桩撑、桩锚、排桩悬臂； （2）地下连续墙支护，地连墙+支撑； （3）水泥挡土墙；

（4）钢板桩：型钢桩横挡板支护，钢板桩支护； （5）土钉墙（喷锚支护）； （6）逆作拱墙； （7）原状土放坡； （8）基坑内支撑； （9）桩、墙加支撑系统； （10）简单水平支撑；

3、石家庄地铁1号线北宋站工程概况 3、工程概况

北宋站位于中山东路与建华大街交口处，沿中山路东西向布置。为1号线与远期4号线换乘车站，采用T型换乘方式。车站起点里程K14+607.530，车站终点里程K14+835.190，车站总长227.66米，标准段宽度22.1米，盾构端头井段宽度25.6米。

车站采用明挖盖挖结合方法施工，盖挖段为北宋站第四施工段，采用半逆作法施工，盖挖段位于中山东路与建华大街交汇处，起点里程K14+672.513，终点里程为K14+708.513。

由于车站主体属于深基坑，在施工过程中为了保证基坑的整体稳定，采用围护桩与钢支撑结合的形式进行基坑支护。其中钢支撑的使用方法是对基坑整体稳定性的重要影响因素。通过设计计算，北宋站为三道钢支撑的设计形式，见图1。

图1 北宋站主体钢支撑剖面图

2、工程水文地质情况 2.1 工程地质和水文地质

⑴ 工程地质 a.工程地质

本标段北宋站所在地层主要有素填土、粉细砂、粉质粘土、细中砂。 b.不良地质作用及特殊性岩土

根据现场勘察和区域资料分析，本标段范围内对工程有不利影响的特殊性岩土除有填土层和湿陷性黄土分布外，未发现膨胀土、风化岩及残积土等特殊性岩土分布。

①人工填土：沿线区域内地表普遍分布有人工填土层。填土厚薄变化大，堆积时间短，结构松散，土质很不均匀，力学性质差，稳定性较差。

②新近沉积层：北宋站局部存在新近沉积的粉细砂、黄土状粉土，新近沉积层由于沉积时间较短，因此具有承载力低、变形大、有湿陷性等特点，可能会产生较大的不均匀沉降，对北宋站基坑支护及主体施工有较大的危害。

③中粗砂（含卵石）及卵石层：勘探过程中发现的卵石层最大粒径为100mm，一般粒径为20～70mm，粒径大于20mm的颗粒占10～20%，亚圆形，中粗砂填充，局部含砂质胶结。根据区域资料显示，卵石层中局部可能存在漂石。

④湿陷性黄土状土：北宋站沿线平均8m以上普遍分布,经判定场地湿陷类型为非自重湿陷性黄土场地。地基的湿陷等级为Ⅰ级，具轻微湿陷性。

⑵ 水文地质 a.地表水

本标段未穿越主要地表水体。 b.地下水

根据收集线路附近地下水位资料，由于地下水开采较为严重，拟建石家庄城市轨道交通1号线一期沿线45m深度范围内地下水类型以潜水为主。

本标段北宋站范围地下水位埋深约48m，水位标高约17m。含水层为含卵石粗砂层。

根据地质勘查报告，本标段站体及区间均未进入潜水层，未见上层滞水，施工时不需降水施工。但由于大气降水、管道渗漏等原因，沿线不排除局部存在上层滞水的可能性，因此设计施工时须考虑上层滞水对工程的影响。 2.2 工程地质评价

从区域地质构造特征、新构造运动、历史地震背景、不良地质作用及特殊岩土等分析，拟建场地区域稳定性、场地稳定性均良好，适宜修建地铁。

3、设计参数 3.1 围护结构参数

车站主体结构为两层三跨矩形框架，总长227.66m，标准段宽度为20.7m，标准段采用明挖顺作法施工，盖挖段采用半逆做法施工。围护结构采用钻孔灌注桩+钢管支撑形式。

⑴ 围护桩

车站盾构端头井围护结构采用800@1200mm钻孔灌注桩、标准段围护结构采用800@1300mm钻孔灌注桩桩顶设冠梁 。

⑵ 钢支撑

基坑竖向设置三道支撑，第一道钢支撑采用Ф609型号t=12mm的钢支撑，第二、三道第二、三道钢支撑采用Φ630mm、t=16mm的钢支撑。钢管支撑分节制作，管节间采用法兰盘螺栓连接。标准段第一道支撑水平间距6m（图2），第二、三道支撑水平间距3m（图3）。

图2 北宋站第一道钢支撑

图3 北宋站第二、三道钢支撑

钢支撑两端分为活络端与固定端，固定端紧密贴合钢围檩，钢支撑施加压力时在活络端的活络头上施加压力，并用钢楔子紧密楔入。

⑶ 钢围檩

围檩采用双拼工45b型钢，钢围檩应连续封闭、交圈，基坑角处应刚性连接；角撑处围檩背后需增设抗剪蹬;钢围檩和桩应密贴。钢牛腿三角托架采用L80*8角钢加工焊接制作而成。每个钢牛腿采用两个胀管螺栓固定于围护桩上，每根围护桩设置一个钢牛腿。钢围檩吊装就位，并将其与围护桩上的预埋钢板焊接在一起，焊接强度必须承受横撑自重荷载两倍以上。 3.2 钢支撑轴力设计值

钢支撑的选择及支撑设计轴力见表1，支撑施加预应力值为支撑设计轴力的

50%。

表1北宋站钢支撑设计轴力表 第一道钢支撑 支撑位置 西端头斜撑 标准段直撑 盖挖段直撑 东端头斜撑 预加 轴力 110 135 110 设计 轴力 220 270 220 第二道钢支撑 预加 轴力 710 850 880 660 设计 轴力 1420 1750 1760 1320 第三道钢支撑 预加 轴力 820 750 680 600 设计 轴力 1640 1500 1360 1200 注：轴力的单位为kN/m，其中m的方向是指钢支撑水平间距方向，钢支撑附加

竖向施工荷载不得大于0.5KN/m。

4、施工工艺流程

基坑开挖 围护桩上钻孔 安装膨胀螺栓 喷射混凝土 安装三脚架 钢围檩拼装焊接 焊接钢支撑托盘 安装防坠落钢索 安放钢围檩 拼装钢支撑 架设钢支撑 钢支撑施加压力 轴力监测

图4施工工艺流程图

5、钢支撑施工中应该注意的内容:

5.1钢支撑安装的容许偏差应符合下列规定：

（1）支撑两端的标高差：不大于20mm及支撑长度的1/600； （2）支撑挠曲度：不大于支撑长度的1/1000； （3）支撑水平轴线偏差：不大于30mm；

（4）支撑中心标高及同层支撑顶面的标高差：±30mm。 5.2钢支撑施工中应该注意的内容:

1、 膨胀螺栓打设定位前，需进行基坑两侧位置测量，避免钢围檩安装后两端高度不同，造成钢支撑偏心受压。

2、在桩体打设膨胀螺栓前定位时，结合主体中板、底板位置进行适当调整，防止中板、底板施工过程中由于钢支撑位置造成施工不便。

3、安装三脚架前，将喷射混凝土面进行找平，防止出现膨胀螺栓受力不均，三脚架倾斜等情况。

4、在钢围檩上焊接钢托架时根据钢支撑固定端及活络端高差，决定焊接位置。 5、钢支撑吊装安放前确定是否有轴力计，防止遗漏，影响基坑稳定性监测。 6、钢支撑安装前，清扫钢托架，避免上端有杂物，影响钢支撑整体受力。 7、钢支撑施加轴力后，将钢楔子紧密楔入，防止千斤顶卸力后钢支撑轴力不足。 8、钢支撑应加强日常监测，根据监测结果，发现异常及时采取补救措施。同时，监管好钢管支撑的安全，坚决杜绝危害支撑安全事件的发生。

9、钢围檩上应布置放脱落卡口，严防因围护变形或施工撞击而产生脱落事故 （一撑二托三悬挂）。

10、钢支撑拆除时，在对应板层结构混凝土达到设计强度后才能拆除支撑。 用链条葫芦将钢支撑吊起，在活动端设千斤顶，施加轴力至钢楔块松动，取出钢楔块，逐级卸载至取完钢楔，再吊下支撑。避免预加应力瞬间释放而导致结构局部变形、开裂。钢支撑分节拆除后转运至指定场地堆放。 6、钢支撑轴力的计算方法：

钢支撑轴力频率读数的测量由轴力计及频率读数仪组成，轴力计在架设钢支撑前安放在钢支撑固定端与钢围檩间。

轴力计的工作原理是：当轴力计受轴向力时，引起弹性钢弦的张力变化，改变了钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦的频率变化，即可测出所受作用力的大小。一般计算公式如下：

P=K△F+b△T+B

式中：P一支撑轴力(kN)

K一轴力计的标定系数(kN／F)

△F一轴力计输出频率模数实时测量值相对于基准值的变化量(F) b一轴力计的温度修正系数(kN／℃)

△T一轴力计的温度实时测量值相对于基准值的变化量(℃) B一轴力计的计算修正值(kN) 注：频率模数F=f2×10-3

7、各种因素对钢支撑轴力变化影响的分析

在施工监测过程中，监测钢支撑轴力变化的仪器为轴力计与频率读数仪。轴力计将钢支撑所受轴力转换为频率，通过频率读数仪来进行读数，再通过频率带入方程来计算钢支撑所受轴力。地表沉降则使用电子水准仪进行观测。 7.1 钢支撑施加轴力与地表沉降间的关系

由于围护桩主要承受来及基坑边的土侧向土压力，在基坑开挖过程中，由于基坑内部土被逐步挖走，围护桩的受力情况由四周的受力平衡变为单侧受力。如不及时进行基坑支护将使基坑两侧土挤压围护桩导致围护桩发生变形。导致基坑周边土体沉降，严重影响周围道路及管线安全。表二为为北宋站部分基坑开挖台账。表三为北宋站东区部分地表沉降观测点情况及钢支撑施加压力时间，数据采集自位于北宋站东区K14+777.893、K14+788.893的地表沉降观测点DB-13-01、DB-14-01。

表二北宋站基坑开挖台账

里程 K14+777.893 K14+788.893 开挖开始时间 2014年3月6日 2014年3月1日 开挖结束时间 2014年3月10日 2014年3月9日 表三 DB-13-01、DB-14-01地表沉降观测点地表沉降情况及钢支撑加压时间

变形速日期 测点编号 2014年3月1DB-13-0日 1 68.5991 68.59799 / -1.04 -1.11 -0.07 -0.07 初始高程（m） 本次高程（m） 钢支撑 累计变量（mm） 本次变编号 率量（mm） （mm/d） 2014年3月2DB-13-0日 1 68.5991 68.59865 Z1-24 -1.11 -0.45 0.66 0.66 2014年3月3DB-13-0日 1 68.5991 68.59775 Z3-60 -0.45 -1.35 -0.9 -0.9 2014年3月4DB-13-0日 1 68.5991 68.59764 68.5991 68.59735 Z2-60 Z3-58 Z3-59 -1.35 -1.46 -1.46 -1.75 -0.11 -0.29 -0.11 -0.29 2014年3月5DB-13-0日 1 DB-13-02014年3月6日 1 DB-14-01 DB-13-02014年3月7日 1 DB-14-01 DB-13-02014年3月8日 1 DB-14-01 DB-13-02014年3月9日 1 DB-14-01 DB-13-02014年3月10日 1 DB-14-01 68.5991 68.5983 68.59246 68.59212 Z1-23 -1.75 -0.8 0.95 0.95 0 -0.34 -0.34 -0.34 68.5991 68.59732 68.59246 68.59167 / -0.8 -1.78 -0.98 -0.98 -0.34 -0.79 -0.45 -0.45 68.5991 68.59694 68.59246 68.59232 Z2-58 -1.78 -2.16 -0.38 -0.38 Z2-59 -0.79 -0.14 0.65 0.65 68.5991 68.59712 68.59246 68.59078 Z2-57 -2.06 -1.98 0.08 0.08 Z3-57 -1.01 -1.68 -0.67 -0.67 68.5991 68.59637 68.59246 68.59063 Z3-56 -1.98 -2.73 -0.75 -0.75 -1.68 -1.83 -0.15 -0.15 由表二中可知北宋站K14+788.893处基坑于2014年3月1日开始开挖。开

挖过程中由于在第一道钢支撑处的土层为粉质粘土，由于土的可塑性较强，结合性较大，既能够承受较大的压力而不会对周围地表沉降产生影响，所以在表三中2014年3月1日的地表沉降变化较小仅为-0.07mm。当2014年3月2日架设第一层钢支撑架设并施加轴力后由于粉质粘土的可塑性，基坑周边的地表沉降稳定标高略有升高，3月3日基坑开始大面积开挖，但因为开挖施工面已经到达粉细砂土层，粉细砂的承载能力、塑性、结合性远不及粉质粘土。所以在3月3日地表沉降较大，沉降量为-0.9mm。随着钢支撑的大量架设及施加轴力，沉降观测点高程有所升高，高度为0.95mm。2014年3月6日K14+777.893处基坑开挖，3月7日同样由于开挖至粉细砂，导致地表沉降较大降量为-0.98mm，在3月8日开始对基坑进行支护，基坑周围的地表观测点地表沉降速率开始降低，直至趋于稳定，每日变化量均为0.5mm以内。沉降量最大值为-0.98mm，高程升高高度最大值为0.95mm。

由数据分析后得出结论，由于石家庄地质结构的特点，基坑开挖至第一道钢支撑位置，此时由于开挖断面位置土质为粉质粘土，土的结合性较好、承载能力较高，如未及时架设钢支撑，不会迅速影响基坑周围土体沉降。当基坑开挖至二三道钢支撑时，由于开挖断面位置土质为粉细砂，土的结合性较差。承载能力较低，加之围护桩埋入土的深度减少，侧向土压力增大，导致基坑周围土的沉降变形较大。必须及时架设钢支撑并按设计要求施加轴力以保持基坑周围土体稳定。

7.2 结构主体浇筑混凝土施工对钢支撑轴力频率的影响

第七施工段底板与2014年3月24日开始浇筑，3月26日浇筑完成共浇筑C40P8混凝土732立方米，浇筑方式为汽车泵泵送。图7.1为浇筑混凝土前后第一道钢支撑及第二道钢支撑轴力频率变化情况。

199019401890184017901740169016401590Z1-24Z2-58图7.1

由图7.1可知Z1-24钢支撑轴力频率在3月24日至3月26日期间明显降低，其原因为我方第七施工段底板混凝土为混凝土泵车泵送的浇筑方式，浇筑混凝土时，混凝土泵车、混凝土罐车混同时停靠在基坑边缘，对基坑边缘的土产生压力，导致围护桩承受的侧向土压力增大，导致钢支撑受力增大此时钢支撑轴力频率为1700.8hz——1688.8 hz。当底板混凝土浇筑完成后由于基坑周围没有了混凝土泵车及罐车的压力，土压力回归正常值，所以钢支撑轴力频率变化恢复至正常值此时钢支撑轴力频率为1729.3hz——1735.3hz，待混凝土养护到达7d，混凝土强度达到75%。轴力频率开始增大，钢支撑所受压力减小。

由于第七施工段底板强度达到拆除钢支撑所需强度要求，即对第七施工段Z3-60、Z3-61、Z3-62、 Z3-63于2014年4月2日进行拆除，以便进行负二层侧墙、中板防水及结构施工。从钢支撑轴力频率表上可知拆除钢支撑前频率稳定维持在1828.0hz至1834.5hz之间4月2日钢支撑拆除后由表可知钢支撑频率稳定维持在1694.5hz至1699.5间。由此可知主体施工会使钢支撑轴力减小。钢支撑的拆除会使临近钢支撑所受轴力增大。图7.2为钢支撑轴力间关系。

610590570550530510490470450430410390370350330310290270Z1-24Z2-58图7.2

7.3 临近钢支撑施加轴力对已施加轴力的钢支撑轴力频率的影响

185018301810179017701750173017101690167016503月7日3月8日3月9日3月10日3月11日Z3-53Z2-58

图7.3

由表二可知，Z3-58于2014年3月5日架设并施加轴力，其小里程方向的Z3-57于2014年3月9日架设并施加轴力。下表为Z3-57号钢支撑施加轴力对Z3-58号钢支撑所受频率及轴力的变化影响情况的前后对比。

由图7.3可知在3月7日至3月9日期间Z3-58号钢支撑受力情况稳定，Z3-58钢支撑轴力频率为1824.3hz，第二层的Z2-58号钢支撑轴力频率为1710.3hz。

当3月9日架设Z3-57完成后的两天中钢支撑轴力计频率升高并稳定保持在1832.0 hz至1836.4hz之间，第二层的Z2-58号钢支撑轴力频率也同时升高并稳定保持在1715.4hz至1722.9hz之间。钢支撑所受轴力降低。

6206005805605405205004804604404204003月7日3月8日3月9日3月10日3月11日Z3-53Z2-58

图7.4

由于钢支撑的轴力直接施加在钢围檩上,钢围檩与喷射混凝土面紧密贴合，钢支撑的轴力最终分散在钢围檩与喷射混凝土的接触面上。由于排桩效应，在同一钢围檩上受侧向土压力的钢支撑数量增多，所以所受力减小，轴力计读数增大。图7.4为Z2-58与Z3-57轴力变化关系图。 7.4 温度对钢支撑轴力频率的影响

1850 1830

1810

1790

1770 1750

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

Z2-73

Z2-58

图7.5

钢支撑的主要材料为Q235钢材，钢的受温形变量比较大，由于我标段位于石家庄地区，石家庄地区石家庄市地处中纬度欧亚大陆东缘，属于暖温带大陆性季风气候。太阳辐射的季节性变化显著，地面的高低气压活动频繁，四季分明，寒暑悬殊。尤其是4月份气温回升快，早晚温差较大，在所观测的4月份气温中，2014年4月9日温差最大，最高气温为零上29℃，最低气温为零上10℃。所以在4月9日密集监测北宋站Z2-73、Z2-58两根钢支撑的轴力变化情况，监测频

率为两小时一次。

6606506406306206106005905805705600:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00Z2-73Z2-58图7.6

由时间与轴力计频率关系折线图可以看出，温度确实影响钢支撑轴力变化，在4:00时气温为最低温度10℃此时Z2-58轴力计频率为1848.3hz，Z2-73轴力计频率为1803.3hz,期间所对应钢支撑轴力计频率最大，14:00时气温为最高温度29℃此时Z2-58轴力计频率为1804.8hz，Z2-73轴力计频率为1782.6hz，期间所对应钢支撑轴力计频率最小，由时间与轴力变化可知，4：00时钢支撑所受轴力最小，14：00时钢支撑所受轴力最大。Z2-58号钢支撑频率变化区间为1804.8hz——1848.3hz，Z2-73号钢支撑频率变化区间为1782.6hz——1803.3hz由此可知钢支撑的受力情况确实会受温度的变化所影响，温度越高钢支撑轴力越

大，温度越低钢支撑轴力越小。图6.6为钢支撑轴力与实践变化关系。

8、结论

结合石家庄市轨道交通1号线北宋站现场试验情况，研究了温度对钢支撑轴力频率的影响、临近钢支撑施加轴力对已施加轴力的钢支撑轴力频率的影响、结构主体浇筑混凝土施工对钢支撑轴力频率的影响以及钢支撑施加轴力与地表沉降间的关系。主要结论如下：

a.通过研究温度对钢支撑轴力频率的影响得出结论，温度越高，钢支撑所受的轴力越大，温度越低，钢支撑所受的轴力越小。

b.通过研究临近钢支撑施加轴力对已施加轴力的钢支撑轴力频率的影响得出结论，临近钢支撑施加轴力会减小已施加轴力的钢支撑所受轴力。

c.通过研究结构主体浇筑混凝土施工对钢支撑轴力频率的影响得出结论。基坑周边的重物，包括各种机械设备会影响钢支撑所受轴力，结构主体的浇筑不会影响钢支撑所受轴力，但当混凝土强度达到一定强度后，结构主体可以替代钢支撑，作为基坑支护的一部分。

d.通过研究钢支撑施加轴力与地表沉降间的关系得出结论。在基坑开挖过程中，需及时架设钢支撑，避免基坑周围土体沉降速率过快。

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