《挡土结构与基坑工程》第六章内支撑系统的设计与施工培训T

挡土结构与基坑工程

木林隆博士岩土大楼820室65982005mulinlong@第6讲内支撑系统的设计与施工概述支撑系统的设计水平支撑的计算方法换撑设计支撑结构施工实例深基坑工程中的支护结构一般有两种形式，分别为围护墙结合内支撑系统的形式和围护墙结合锚杆的形式。内支撑可以直接平衡两端围护墙上所受的侧压力，构造简单，受力明确。内支撑系统由水平支撑和竖向支承两部分组成，深基坑开挖中采用内支撑系统的围护方式已得到广泛的应用，特别对于软土地区基坑面积大、开挖深度深的情况，内支撑系统由于具有无需占用基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体强度和刚度以及可有效控制基坑变形的特点而得到了大量的应用。内支撑的概念概述内支撑的概念概述内支撑体系的组成概述围檩、水平支撑、钢立柱和立柱桩是内支撑体系的基本构件。围檩水平支撑立柱概述内支撑体系的组成围檩围檩是协调支撑和围护墙结构间受力与变形的重要受力构件，其可加强围护墙的整体性，并将其所受的水平力传递给支撑构件，因此要求具有较好的自身刚度和较小的垂直位移。首道支撑的围檩应尽量兼作为围护墙的圈梁。水平支撑水平支撑是平衡围护墙外侧水平作用力的主要构件，要求传力直接、平面刚度好而且分布均匀。竖向支撑钢立柱及立柱桩的作用是保证水平支撑的纵向稳定，加强支撑体系的空间刚度和承受水平支撑传来的竖向荷载，要求具有较好自身刚度和较小垂直位移。概述内支撑体系单层或多层平面支撑体系平面支撑体系可以直接平衡支撑两端围护墙上所收到的侧压力，其构造简单，受力明确，使用范围广。但当支撑长度较大时，应考虑支撑自身的弹性压缩以及温度应力等因素对基坑位移的影响。竖向斜撑体系竖向斜撑体系的作用是将围护墙所受的水平力通过斜撑传到基坑中部先浇筑好的斜撑基础上。对于平面尺寸较大，形状不很规则的基坑，采用斜支撑体系施工比较方便，也可大幅节省支撑材料。但墙体位移受到基坑周边土坡变形、斜撑弹性压缩以及斜撑基础变形等多种因素的影响，在设计计算时应给予合理考虑。此外，土方施工和支撑安装应保证对称性。支撑材料概述支撑材料可以采用钢或混凝土，也可以根据实际情况采用钢和混凝土组合的支撑形式。钢支撑钢结构支撑除了自重轻、安装和拆除方便、施工速度快以及可以重复使用等优点外，安装后能立即发挥支撑作用，对减少由于时间效应而增加的基坑位移，是十分有效的。钢支撑的节点构造和安装相对比较复杂，如处理不当，会由于节点的变形或节点传力的不直接而引起基坑过大的位移。支撑材料概述支撑材料可以采用钢或混凝土，也可以根据实际情况采用钢和混凝土组合的支撑形式。钢支撑常用H型钢支撑表尺寸（mm）单位重量（kg/m）断截面（cm2）回转半径（cm）截面惯性矩（cm4）截面抵抗力（cm2）AxBxt1xt2WAfxfyIxIyWxWy800x300x14x26210267336.6225400099307290782700x300x12x1418523629.36.78201000108005760722600x300x12x2015119324.86.8511800090204020601500x300x11x1812916420.87.037140081202930541400x400x13x2117222017.510.2669002240033401120支撑材料概述支撑材料可以采用钢或混凝土，也可以根据实际情况采用钢和混凝土组合的支撑形式。钢支撑常用H型钢支撑表尺寸（mm）单位重量（kg/m）断截面（cm2）回转半径（cm）惯性矩（cm4）DxtgAfxIx609x1623429821131117609x1217722521100309580x1622328320112815支撑撑材材料料概述述支撑撑材材料料可可以以采采用用钢或混凝凝土土，也也可可以以根根据据实实际际情情况况采采用用钢和和混混凝凝土土组合合的的支支撑撑形形式式。。混凝凝土土支支撑撑现浇浇混混凝凝土土支支撑撑由由于于其其刚刚度度大大，，整整体体性性好好，，可可以以采采取取灵灵活活的的布布置置方方式式适适应应于于不不同同形形状状的的基基坑坑，，而而且且不不会会因因节节点点松松动动而而引引起起基基坑坑的的位位移移，，施施工工质质量量相相对对容容易易得得到到保保证证，，所所以以使使用用面面也也较较广广。。但但是是混混凝凝土土支支撑撑在在现现场场需需要要较较长长的的制制作作和和养养护护时时间间，，制制作作后后不不能能立立即即发发挥挥支支撑撑作作用用，，需需要要达达到到一一定定的的强强度度后后，，才才能能进进行行其其下下土土方方作作业业，，施施工工周周期期相相对对较较长长。。同同时时，，混混凝凝土土支支撑撑采采用用爆爆破破方方法法拆拆除除时时，，对对周周围围环环境境（（包包括括震震动动、、噪噪音音和和城城市市交交通通等等））也也有有一一定定的的影影响响，，爆爆破破后后的的清清理理工工作作量量也也很很大大，，支支撑撑材材料料不不能能重重复复利利用用。。水平平支支撑撑系系统统平平面面布布置置原原则则支撑撑系系统统的的设设计计支撑撑系系统统的的设设计计应应包包含含支支撑撑材料料的的选选择择、、结构构体体系系的的布布置置、、支撑撑结结构构内内力力和和变变形形计计算算、、支撑撑构构件件的的强强度度和和稳稳定定性性计计算算、、支撑撑构构件件的的节节点点设设计计以以及及支撑撑结结构构的的安安装装和和拆拆除除。。基坑坑工工程程特特点点主体体地地下下结结构构布布置置周边边环环境境的的保保护护要要求求经济济性性水平平支支撑撑系系统统中中内内支支撑撑与与围围檩檩必必须须形形成成稳稳定定的的结结构构体体系系，，有有可可靠靠的的连连接接，，满满足足承承载载力力、、变变形形和和稳稳定定性性要要求求。。考虑虑因因素素水平平支支撑撑系系统统平平面面布布置置原原则则支撑撑系系统统的的设设计计长条条形形基基坑坑工工程程中中，，可可设设置置以以短短边边方方向向的的对对撑撑体体系系，，两两端端可可设设置置水水平平角角撑撑体体系系。。短短边边方方向向的的对对撑撑体体系系可可根根据据基基坑坑短短边边的的长长度度、、土土方方开开挖挖、、工工期期等等要要求求采采用用钢钢支支撑撑或或者者混混凝凝土土支支撑撑，，两两端端的的角角撑撑体体系系从从基基坑坑工工程程的的稳稳定定性性以以及及控控制制变变形形角角度度上上，，宜宜采采用用混混凝凝土土支支撑撑的的形形式式。。布置形形式水平支支撑系系统平平面布布置原原则支撑系系统的的设计计当基坑坑周边边紧邻邻保护护要求求较高高建（（构））筑物物、地地铁车车站或或隧道道，对对基坑坑工程程的变变形控控制要要求较较为严严格时时，或或者基基坑面面积较较小、、两个个方向向的平平面尺尺寸大大致时时，或或者基基坑形形状不不规则则，其其他形形式的的支撑撑布置置有较较大难难度时时，宜宜采用用相互互正交交的对对撑布布置方方式。。该布布置型型式的的支撑撑系统统具有有支撑撑刚度度大、、传力力直接接以及及受力力清楚楚的特特点，，适合合在变变形控控制要要求高高的基基坑工工程中中应用用。布置形形式水平支支撑系系统平平面布布置原原则支撑系系统的的设计计当基坑坑面积积较大大，平平面形形状不不规则则时，，同时时在支支撑平平面中中需要要留设设较大大作业业空间间时，，宜采采用角角部设设置角角撑、、长边边设置置沿短短边方方向的的对撑撑结合合边桁桁架的的支撑撑体系系。该该类型型支撑撑体系系由于于具有有较好好的控控制变变形能能力、、大面面积无无支撑撑的出出土作作业面面以及及可适适应各各种形形状的的基坑坑工程程，同同时由由于支支撑系系统中中对撑撑、各各榀对对撑之之间具具有较较强的的受力力上的的独立立性，，易于于实现现土方方上的的流水水化施施工，，此外外还具具有较较好的的经济济性。。布置形形式水平支支撑系系统平平面布布置原原则支撑系系统的的设计计基坑平平面为为规则则的方方形、、圆形形或者者平面面虽不不规则则但基基坑两两个方方向的的平面面尺寸寸大致致相等等，或或者是是为了了完全全避让让塔楼楼框架架柱、、剪力力墙等等竖向向结构构以方方便施施工、、加快快塔楼楼施工工工期期，尤尤其是是当塔塔楼竖竖向结结构采采用劲劲性构构件时时，临临时支支撑平平面应应错开开塔楼楼竖向向结构构，以以利于于塔楼楼竖向向结构构的施施工，，可采采用单单圆环环形支支撑甚甚至多多圆环环形支支撑布布置方方式。。布置形形式水平支支撑系系统平平面布布置原原则支撑系系统的的设计计基坑平平面有有向坑坑内折折角（（阳角角）时时，阳阳角处处的内内力比比较复复杂，，是应应力集集中的的部分分，稍稍有疏疏忽，，最容容易在在该部部分出出现问问题。。阳角角的处处理应应从多多方面面进行行考虑虑，首首先基基坑平平面的的设计计应尽尽量避避免出出现阳阳角，，当不不可避避免时时，需需作特特别的的加强强，如如在阳阳角的的两个个方向向上设设置支支撑点点，或或者可可根据据实际际情况况将该该位置置的支支撑杆杆件设设置现现浇板板，通通过增增设现现浇板板增强强该区区域的的支撑撑刚度度，控控制该该位置置的变变形。。布置形形式水平支支撑系系统平平面布布置原原则支撑系系统的的设计计支撑结结构与与主体体地下下结构构的施施工期期通常常是错错开的的，为为了不不影响响主体体地下下结构构的施施工，，支撑撑系统统平面面布置置时，，支撑撑轴线线应尽尽量避避开主主体工工程的的柱网网轴线线，同同时，，避免免出现现整根根支撑撑位于于结构构剪力力墙之之上的的情况况，其其目的的是减减小支支撑体体系对对主体体结构构施工工时的的影响响。布置形形式水平支支撑系系统平平面布布置原原则支撑系系统的的设计计支撑杆杆件相相邻水水平距距离首首先应应确保保支撑撑系统统整体体变形形和支支撑构构件承承载力力在要要求范范围之之内，，其次次应满满足土土方工工程的的施工工要求求。当当支撑撑系统统采用用钢筋筋混凝凝土围围檩时时，沿沿着围围檩方方向的的支撑撑点间间距不不宜大大于9m；采用用钢围围檩时时，支支撑点点间距距不宜宜大于于4m；当相相邻支支撑之之间的的水平平距离离较大大时，，应在在支撑撑端部部两侧侧与围围檩之之间设设置八八字撑撑，八八字撑撑宜左左右对对称，，与围围檩的的夹角角不宜宜大于于60度。布置形形式水平支支撑系系统竖竖向布布置原原则支撑系系统的的设计计在基坑坑竖向向平面面内需需要布布置的的水平平支撑撑的数数量，，主要要根据据基坑坑围护护墙的的承载载力和和变形形控制制计算算确定定，同同时应应满足足土方方开挖挖的施施工要要求。。基坑竖向支支撑的数量量主要受土层地质特特性以及周围环境保保护要求的影响。布置原则在竖向平面面内，水平平支撑的层层数应根据据基坑开挖挖深度、土土方工程施施工、围护护结构类型型及工程经经验，有围围护结构的的计算工况况确定。上、下各层层水平支撑撑的轴线应应尽量布置置在同一竖竖向平面内内，主要目目的是为了了便于基坑坑土方的开开挖，同时时也能保证证各层水平平支撑共用用竖向支承承立柱系统统。此外，，相邻水平平支撑的净净距不宜小小于3m。各层水平支支撑与围檩檩的轴线标标高应在同同一平面上上，且设定定的各层水水平支撑的的标高不得得妨碍主体体工程施工工。首道水平支支撑和围檩檩的布置宜宜尽量与围围护墙结构构的顶圈梁梁相结合。。竖向斜撑的的布置支撑系统的的设计竖向斜撑体体系一般较较多的应用用在开挖深深度较小、、面积巨大大的基坑工工程中。竖竖向斜撑体体系一般由由斜撑、压压顶圈梁和和斜撑基础础等构件组组成，斜撑撑一般投影影长度大于于15m时应在其中中部设置立立柱。采用竖向斜斜撑体系的的基坑，在在基坑中部部的土方开开挖后和斜斜撑未形成成前，基坑坑变形取决决于围护墙墙内侧预留留的土堤对对墙体所提提供的被动动抗力，因因此保持土土堤边坡的的稳定至关关重要，必必须通过计计算确定可可靠的安全全储备。支撑节点构构造支撑系统的的设计钢结构支撑撑构件的拼拼接应满足足截面等强强度的要求求。常用的的连接方式式有焊接和螺栓连接。钢支撑长度度拼接支撑节点构构造支撑系统的的设计两个方向钢钢结构支撑撑的连接可可以采用重迭连接，，十字接头头，井字接接头。两个方向钢钢支撑连接接支撑节点构构造支撑系统的的设计钢支撑的端端部，考虑虑预应力施施加的需要要，一般均均设置为活活络端。一一种为契型活络端端、一种为箱体活络端端。钢支撑端部部预应力活活络头支撑节点构构造支撑系统的的设计由于围护墙墙表面通常常不十分平平整，尤其其是钻孔灌灌注桩墙体体，为使钢钢围檩与围围护墙接合合得紧密，，防止钢围围檩截面产产生扭曲，，在钢围檩檩与围护墙墙之间采用用细石混凝凝土填实，，如二者之之间缝宽较较大时，为为了防止所所填充的混混凝土脱落落，缝内宜宜放置钢筋筋网。当支支撑与围檩檩斜交时，，为传递沿沿围檩方向向的水平分分力，在围围檩与围护护墙之间需需设置剪力力传递装置置。对于地地下连续墙墙可通过预预埋钢板，，对于钻孔孔灌注桩可可通过钢围围檩的抗剪剪焊接件。。钢支撑与钢钢腰梁斜交交处抗剪连连接节点1-钢支撑撑；2-钢钢腰梁；3--围护护墙；4--剪力块块；5--填嵌混凝凝土支撑节点构构造支撑系统的的设计围护墙与混混凝土围檩檩之间的结结合面不考考虑传递水水平剪力。。当基坑形形状比较复复杂，支撑撑采用斜交交布置时，，特别是当当支撑采用用大角撑的的布置形式式时，由于于角撑的数数量多，沿沿着围檩长长度方向需需传递十分分巨大的水水平力，此此时如围护护墙与围檩檩之间应设设置抗剪件件和剪力槽槽，以确保保围檩与围围护墙能形形成整体连连接。支撑与混凝凝土腰梁斜斜交处抗剪剪连接节点点1--支撑撑；2--腰梁；3--地下下连续墙4--预留留受剪钢筋筋；5--预留剪力力槽水平支撑系系统计算方方法水平支撑的的计算方法法水平支撑系系统计算可可分为在土土压力水平力作用用下的水平平支撑计算算和竖向力作用用下的水平平支撑计算算。水平力作用用下的水平平支撑计算算方法支撑平面有有限元计算算方法二维杆系有有限元水平支撑系系统计算方方法水平支撑的的计算方法法水平力作用用下的水平平支撑计算算方法支撑平面有有限元计算算方法计算支撑支支座反力水平支撑系系统计算方方法水平支撑的的计算方法法水平力作用用下的水平平支撑计算算方法支撑平面有有限元计算算方法计算支撑系系统的变形形和内力水平支撑系系统计算方方法水平支撑的的计算方法法竖向力作用用下的水平平支撑计算算方法竖向力作用用下，支撑撑的内力和和变形可近近似按单跨跨或多跨梁梁进行分析析，其计算算跨度取相相邻立柱中中心距，荷荷载除了其其自重之外外还需考虑虑必要的支支撑顶面如如施工人员员通道的施施工活荷载载。支撑系统设设计计算要要点水平支撑的的计算方法法竖向力作用用下的水平平支撑计算算方法支撑承受的的竖向荷载载，一般只只考虑结构构自重荷载载和支撑顶顶面的施工工活荷载，，主要是指指施工期间间支撑作为为施工人员员的通道，，以及主体体地下结构构施工时可可能用作混混凝土输送送管道的支支架，不包包括堆放施施工材料和和运行施工工机械等情情况。围檩与支撑撑采用钢筋筋混凝土时时，构件节节点宜采用用整浇刚接接。采用钢钢围檩时，，安装前应应在围护墙墙上设置竖竖向牛腿。。支撑结构上上的主要作作用力是由由围护墙传传来的水、、土压力和和坑外地表表荷载所产产生的侧压压力。对长长度超过40m的支撑宜考考虑10%左右支撑内内力因温度度的变化影影响。支撑与围檩檩体系中的的主撑构件件长细比不不宜大于75；联系构件件的长细比比不宜大于于120。换撑设计地下结构施施工阶段，，即基坑开开挖至基底底之后地下下结构的回回筑阶段，，该阶段为为不妨碍地地下结构的的施工，将将结合地下下结构的施施工流程逐逐层的拆除除临时支撑撑，所谓换换撑即指在在该阶段，，通过利用用回筑的地地下结构合合理的设置置换撑，调调整基坑围围护体的支支撑点，实实现围护体体应力的安安全有序的的调整、转转移和再分分配，达到到各个阶段段基坑变形形的控制要要求。换撑的设计计大体上可可分成两个个部分的设设计:一为基坑围围护体与地地下结构外外墙之间的的换撑设计计二为地下结结构内部结结构开口、、后浇带等等水平结构构不连续位位置的换撑撑设计。围护体与结结构外墙之之间的换撑撑设计换撑设计围护体与基基础底板间间换撑当基坑围护护体采用临临时围护体体时，由于于围护体与与结构外墙墙之间通常常会留设不不小于800mm的施工作业业面，作为为地下室外外墙外防水水的施工操操作面，地地下结构施施工阶段需需对该施工工空间进行行换撑处理理，该区域域的换撑标标高应分别别对应地下下各层结构构平面标高高，以利于于水平力的的传递。围护体与与结构外外墙之间间的换撑撑设计换撑设计计围护体与与地下各各层结构构间换撑撑地下结构构的换撑撑设计换撑设计计后浇带位位置换撑撑设计地下结构构由下往往上顺做做施工过过程中，，将经历历临时支支撑的逐逐层拆除除，围护护体外侧侧的水土土压力将将逐步转转移至刚刚施工完完毕的地地下结构构上，因因此必须须进行地地下结构构的换撑撑设计，，主要是是施工后后浇带、、楼梯坡坡道或设设备吊装装口等结结构开口口、局部部高差、、错层较较大等结结构不连连续位置置的水平平传力设设计。结构缺失失位置的的换撑设设计竖向支承承的设计计基坑竖向向支承系系统，通通常采用用钢立柱柱插入立立柱桩桩桩基的型型式。它它要求承承受较大大的荷载载，同时时要求断断面不应应过大，，因此构构件必须须具备足足够的强强度和刚刚度。钢钢立柱必必须具备备一个具具有相应应承载能能力的基基础。根根据支撑撑荷载的的大小，，立柱一一般可采采用角钢格构构式钢柱柱、H型钢柱或或钢管柱柱；立柱桩桩常采用用灌注桩，，也可采采用钢管管桩。基坑围围护结构构立柱桩桩可以利利用主体体结构工程桩；在无法法利用工工程桩的的部位应应加设临时立柱柱桩。立柱设计计立柱的结结构型式式立柱的设设计一般般应按照照轴心受受压构件件进行设设计计算算，立柱柱的截面面尺寸大大小要有有一定的的限制，，同时也也应能够够提供足足够的承承载能力力。角钢格构构柱、H型钢柱或或钢管混混凝土立立柱竖向支承承的设计计立柱设计计立柱的设设计要点点施工中必必须对立立柱的定定位精度度严加控控制，并并应根据据立柱允允许偏差差按偏心心受压构构件验算算施工偏偏心的影影响。一一般情况况下钢立立柱的垂垂直度偏偏差不宜宜大于1/200，立柱长长细比应应不大于于25。基坑施工工阶段，，应根据据每一施施工工况况对立柱柱进行承承载力和和稳定性性验算。。立柱的计计算要点点钢立柱的的竖向承承载能力力主要由由整体稳稳定性控控制，若若在柱身身局部位位置有截截面削弱弱，必须须进行竖竖向承载载的抗压压强度验验算。一一般截面面型式的的钢立柱柱计算，，可按国国家标准准《钢结构设设计规范范》（GB50017-2003）竖向支承承的设计计立柱设计计立柱的设设计要点点竖向支承承的设计计立柱桩设设计立柱桩的的结构型型式立柱桩必必须具备备较高的的承载能能力，同同时钢立立柱需要要与其下下部立柱柱桩具有有可靠的的连接，，因此各类类预制桩桩难以利利用作为为立柱桩桩基础，工程中中常采灌注桩将钢立柱柱承担的的竖向荷荷载传递递给地基基，另外外也有工工程采用用钢管桩作为立柱柱桩基础础，但由由于造价价高，与与立柱连连接构造造相对更更加复杂杂，且施施工工艺艺难度比比较高，，因此其其应用范范围并不不广泛。。竖向支承承的设计计立