圆环形支撑基坑支护体系设计分析.docx

*圆环形支撑基坑支护体系设计分析金国龙，黄春美( 中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)摘 要: 本文归纳整理了国内软土地区深基坑常见的 4 种圆环形支撑布置形式。并结合规范设计方法及力学理论，总结了 6 个力学指标，可以较全面的反映了圆环支撑体系的强度、 刚度、稳定性。各项指标包括支撑轴力、弯矩、剪力，围檩位移，稳定性及拉杆拉力。文章利用 有限元分析工具对比分析了不同圆环支撑布置形式的受力特点及性能差异，并结合工程案例 对不同布置形式的适用范围进行了总结。本文较完整的阐述了圆环形支撑基坑内支撑体系的 设计分析方法，并对软土地区圆环形支撑基坑的选型给出了实用化建议。关键词: 深基坑; 环形支撑; 设计分析中图分类号: TU473文献标识码: A文章编号: 1673-0836( 2013) 增 1-1694-07Design and Analysis of Circular Struted Foundation PitJin Guolong，Huang Chunmei( China Shipbuilding NDI Engineering Co ，Ltd ，Shanghai 200063，China)Abstract: This paper summarizes four common layout forms of circular struts in soft-soil areas Combined with national design criterion and mechanics theory，six performance indexes are completely summarized The indexes included axial-force parameter，bending-moment parameter，shear-force parameter，waling-displacement parameter ， stability parameter and strut-tension parameter They can fully reflect strength，rigidity and stability of the strut- system Using the finite-element analysis tools，the mechanical characteristics and performance indexes of different layout forms are also compared Combined with the foundation pit cases，the applications of different layout forms are summarized The design and analysis methods are completely explained，some design and analysis practical advices are given for its application in soft-soil areasKeywords: foundation pit; circular strut; design analysis道支撑上设置栈桥，尤其当主体结构为超高层时，支撑杆件往往难以避让塔楼核心筒，影响主体结构 施工。而圆形支撑布置形式的最大优势便是在基 坑内部可以形成大的敞开空间，方便基坑挖土，结 合盆式开挖，便于先行进行塔楼核心筒的施工1。 目前国内已施工完成的圆环支撑最大直径达210 m2 4。对于无内支撑体系的圆形基坑目前研 究成果较多5，6，但对圆环形支撑设计理论的研究 相对较少，在实际设计分析中，对环圆支撑选型和 布置形式多通过经验完成。1引言软土地区深基坑一般采用锚杆或内支撑结合围护墙的形式。围护墙可分为钢板桩、SMW 工法 桩、钻孔灌注桩及地下连续墙等。内支撑体系一般 分为钢支撑及钢筋混凝土支撑。钢筋混凝土支撑 一般分为直线对撑与圆环支撑形式。直线对撑的 形式具有支撑体系形成快、受力明确、施工难度较 低、灵活方便等优势。但这种布置形式支撑间距往 往较小，基坑开挖深度深时，施工取土一般需在首* 收稿日期: 2013-09-13( 修改稿)作者简介: 金国龙( 1984-) ，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，主要从事地下工程领域的设计工作。E-mail: jinguolong2477 163 com2013 年增刊 1金国龙，等: 圆环形支撑基坑支护体系设计分析1695上海 绿 洲 中 环 中 心 项 目3 圆 环 直 径 达 到210 m，其首道支撑采用双圆-2 型，第二道支撑采 用三圆环的支撑形式。上海世博 500 kV 变电站项 目7采用 7 道内支撑，其中 1、3、4、6 道内支撑为主 体结构楼板( 逆作法) ，2、5、7 道内支撑为圆环支 撑，由于基坑开挖深度超深，对于环向压力很大的 第 5、7 道内支撑采用双圆-2 型支撑。本文通过总结归纳圆形环支撑基坑的支撑布 置形式，对比分析不同圆环支撑布置形式之间的性 能特点，并对不同形式的圆环形支撑的适用范围根 据分析数据，提出实用性建议。常见的圆环形支撑布置形式有图 1 所示四种，为便于后续分析比较，对四种布置形式分别命名 为: 单圆型、双圆-1 型、双圆-2 型、双圆-3 型。2圆环形支撑分析方法基坑工程中的支撑杆件一般按压弯构件进行设计分析，强度计算分析方法较为成熟。图 1 圆环形支撑布置形式Fig 1 The types of circular strut system目前国内软土地区已有一些圆环支撑基坑成 功施工的案例，相关案例的汇总如表 1 所示。表 1 圆环支撑基坑案例汇总表Table 1 The summary of circular strut foundation pit cases图 2 支撑截面计算简图Fig 2 The sketch of strut section 支撑截面的强度验算需满足下列条件8: N 1 fc bx + f y A s s As开挖深度 ( m)基坑面积 ( m2 )圆环直径 ( m)支撑类型项目名称Ne 1 fc bx ( h0 ) + f y A s ( h0 a s )x天津 中 船 重 工大厦项目单圆型( 1 道撑) 单圆型( 1 道撑)单圆型( 1 道撑) 双圆-1 型( 4 道撑)双圆-2 型 ( 2 道撑)双圆-2 型 ( 7 道撑)双圆-3 型 ( 3 道撑)双圆-3 型 ( 2 道撑)210 79 00082大直径圆环支撑分析不仅需满足强度要求，尚须对稳定性进行验算。国内外学者对圆环的受压 稳定性进行解析方面的研究9，给出了围压 q、圆 环半径 及其截面 EI 的关系。理想圆环在均匀压 力作用下，圆环轴向压力极限值为:天津 康 居 园 城市之光项目苏州 百 汇 国 际 大酒店项目6 45 400759 620 0001253 EI天津津塔项目18 2220 00097 5Scr=2上海 绿 洲 中 环中心项目圆环的极限均布压力为:8 3 9 734 0002103EIqcr=3上 海 世 博 500kV 变电站项目 天津 泰 安 道 五号院项目上海 世 博 演 艺 中心项目3423 500110由于工程中圆环直径不断变大，施工精度、使用工况的非对称、圆受压后变形不均匀，材料的不 均匀等，都会引起圆环的初始缺陷，分析中一般不 考虑由于施工因素引起的初始误差。真圆度 w 是 以圆环实际轮廓相对应理想圆的径向偏移量来反 映圆的标准程度及稳定性。亦即相对于同一圆心16 1814 40011011 4 13 625 8001611696地下空间与工程学报 第 9 卷之最大半径 max 与最小半径 min 的差值来表示。3 = Mi / Mmax 18Mi / N1( 4) 内圆环支撑剪力指标 4 : 内圆环支撑会受 到连接杆件的集中力，这往往会引起较大的剪力，w= max min定性分析中可通过真圆度来反映圆环稳定性。7剪力过大会引起支撑裂缝。当 hw / b 4 时 ，V33 1圆环形支撑方案对比分析对比分析条件及分析指标0 25f bh 0 27Nc0max则内圆环支撑剪力指标 4 :4 = Vi / Vmax Vi /0 27N1若 4 1，则说明截面截面较难满足抗剪要 求，此时内圆环需扩大截面。( 5) 真圆度指标 5 : 真圆度指标 5 可以定性 反映内圆环的稳定性，以单圆支撑在均匀的围压 p 作用下，内圆环的真圆度 s1 为基准值，其他布置形 式圆环形支撑在此围压下的真圆度为 si 。则真圆 度指标 5 为: 5 = si / s1 。( 6) 支撑拉力指标 6 : 钢筋混凝土支撑具有较 好的抗压性能，抗拉性能较弱。基坑工程中支撑配 筋一般按压弯构件进行设计，其配筋率一般按最小 配筋率控制，最小配筋率 min 0 55% ( 纵向钢筋3 1 1对比前提条件( 1) 基坑为正方形，平面尺度相同;( 2) 基坑围护的围压相同;( 3) 内圆环的直径及截面尺寸相同;( 4) 围檩、角撑及指向圆心的支撑尺寸相同; ( 5) 每个支撑体系材料用量相等。3 1 2对比分析指标对比分析指标包括如下 6 项，可综合反映刚度、强度、稳定等特性。对分析指标进行无量纲化 处理，定性的分析不同布置形式之间的差异。( 1) 围檩最大位移指标 1 : 围檩最大位移指标 1 可反映支撑体系的刚度差异，以单圆支撑在均 匀的围压 p 作用下，围檩的最大位移 s1 为基准值， 其他布置形式圆环形支撑在此围压下 p 的最大位 移为 si 。则 1 = si / s1 。( 2) 内环支撑轴力指标 2 : 圆环支撑是保证整 个体系安全和稳定的最重要杆件，以单圆支撑在均匀围压 p 作用下的内圆环最大轴力 N1 为基准值，其他布置形式圆环形支撑在此围压 p 下的最大轴 力为 Ni 。则 2 = Ni / N1 。( 3) 内环支撑弯矩指标 3 : 环圆支撑在理想 均匀压力下，是 0 弯矩的。 但由于前文所述各种不均匀 的 因 素 作 用 下，都会引起圆环支撑的弯 矩。支撑构件的含钢率对弯矩值大小较为敏感， 并可能引起圆环的失稳，在设计中需控制环圆支撑的弯矩值。内圆环撑可近似按弹性均匀体考虑，截面的极 限抗弯能力为: Mmax = 2ft Iz / h = ft Ah /6目前基坑工程支撑杆件常用 C30 C40 混凝土，ft 0 1fc 。支撑杆件轴压比通常为 0 8 0 9， 本文分析中，暂按 Nmax = 0 9fc A 考虑。随着基坑 工程发展，圆环撑又向直径大、深度深的发展趋势， 圆环支撑的截面往往较大，宽度 h2 m 甚至更大。8为 HB400 时)，假设支撑配筋仅略大于最小配筋率 min ，取 = 0 6% 。则 Pmax = fy As = fy A支撑的截面认为按 Nmax = 0 9fc A 考虑，则:fy NmaxPmax= 0 15Nmax0 9fc受拉支撑一般仅出现在联系杆上，而其截面较小。其承载力一般可通过配筋量进行调整。本次分析取支撑拉力指标 6 为:= Pi /0 15N16其为定性的比较各方案间的支撑拉杆拉力值大小，若无拉杆，则此值为 0。3 2 圆环支撑方案对比分析在实际工程中，现场条件非常复杂，很难保证 支撑体系受力的均匀性。可能引起偏压的因素有 很多，包括基坑的几何形状的不规则、地质条件的 不均匀、施工工况的不对称、开挖深度的不统一、坑 边局部范围的超载及施工精度等等。随着基坑深 度的加深及基坑面积的增大，支撑体系所处的环境 及现场条件便更加复杂，更容易产生偏压工况所以 需对 4 种圆环支撑布置形式进行均匀围压、偏压10% 及偏压 20% 三种工况下对比分析，分析工况 如图 3 所 示，分析采用有限元结构分 析 程 序 ANSYS，其中支撑及围檩构件采用 BEAM3 单元进 行模拟，分析结果如图 4 9 所示。本文分 析 中 宽 度 h 按 2理，则:m 考 虑，对 上 式 进 行 整Mmax= ft Ah /6 Nmax h /54考虑钢筋对抗弯能力的提高幅度按 50% 考虑。则内环支撑弯矩指标 3 为:2013 年增刊 1金国龙，等: 圆环形支撑基坑支护体系设计分析1697图 3 分析工况示意图Fig 3 The sketch of analysis cases图 7 支撑剪力指标 4 对比图Fig 7 Comparison of shear-force parameter 4图 4 围檩位移指标 1 对比图Comparison of waling-displacement parameter 1Fig 4图 8 稳定性指标 5 对比图Comparison of stability parameter 5Fig 8图 5 支撑轴力指标 2 对比图Fig 5 Comparison of axial-force parameter 2图 9 拉杆拉力指标 6 对比图Comparison of strut-tension parameter 6Fig 9在相同的工况下，双圆型支撑体系的内圆环轴力明显小于单圆型支撑体系。在相同的工况下，双圆-2 型及双圆-3 型的围 檩位移小于单圆型及双圆-1 型。 随着偏压的 增 大，单圆型及双圆-1 型的位移发展快于双圆-2 型 及双圆-3 型，说明双圆-2 型及双圆-3 型体系刚度 相对较大。图 6 支撑弯矩指标 3 对比图Fig 6 Comparison of bending-moment parameter 31698地下空间与工程学报 第 9 卷在相同的工况下，双圆-2 型及双圆-3 型内圆环弯矩最小，单圆型内圆环支撑弯矩最大。随着偏 压的增大，单圆型及双圆-1 型内圆环弯矩发展迅 速，并且弯矩指标达到 4 8，说明其内圆环尺寸及 配筋将由弯矩值控制。而双圆-2 型及双圆-3 型体 系弯矩指标则发展相对较缓，指标相对较小。在相同的工况下，双圆-2 型及双圆-3 型内圆环 剪力最小，单圆型内圆环剪力最大。但在各工况下， 剪力指标均不超过 0 5，说明剪力为非控制指标。在相同的工况下，双圆-2 型及双圆-3 型内圆环稳定性指标最小( 本文中稳定性指标越大，越容 易失稳) 。随着偏压的增大，单圆型及双圆-1 型有 稳定性指标加速增大，有失稳趋势。双圆-2 型及 双圆-3 型支撑体系相对稳定。随着偏压的增大，双圆-2 型及双圆-3 型体系 中容易出现拉力相对较大的受拉杆件( 拉力指标 1) ，需采取针对性的补强措施。4 种圆环型支撑 布置形式的各项指标对比结果汇总于表 2。表 2 圆环支撑方案分析结果表Table 2 Analysis results of circular strut layout双圆-1 型双圆-2 型双圆-3 型指标单圆说 明大小最大次大小小双圆体系会明显减小内圆轴力;双圆体系工程量有优化潜力。内环轴力增速接近接近接近接近双圆-2 型与 3 型支撑体系刚度接近; 单圆和双圆-1 型体系刚度接近;双圆-2 型与 3 型支撑体系刚度明显比单圆和双圆-1型体系大。大小最大次大最小次小围檩位移增速次快最快最慢次慢双圆-2 型与 3 型支撑体系内圆环弯矩小增速慢; 单圆和双圆-1 型体系内圆环弯矩大增速快;单圆和双圆-1 型体系内环支撑的截面尺寸与含钢量 会因为弯矩而增大。大小最大次大最小次小弯矩指标增速快快慢慢双圆-2 型与 3 型支撑体系内圆环剪力小增速慢; 单圆和双圆-1 型体系内圆环剪力大增速快;各体系的剪力指标值均小于 1，说明截面与配筋非剪 力控制。大小最大次大次小最小剪力指标增速次快最快慢慢双圆-2 型与 3 型支撑体系稳定性好; 单圆和双圆-1 型体系稳定性差;随着偏压的出现和加大，单圆和双圆-1 型体系有易于 失稳的趋势。优劣次差最差好好稳定性失稳趋势强强弱弱双圆-1 型支撑体系在围护边界较规则时不易出现 拉杆;单圆支撑体系拉杆拉力值较小，但对偏压适应性差;双圆-2 型与 3 型支撑体系内外环间联系杆传力较为 复杂，易出现拉杆。大小小无次大最大拉杆拉力最快( 非线性)增速快快3 3 围护边界的距离影响分析分析表明，单圆型支撑与双圆-2 型支撑体系的 性能明显不同，其布置形式也应有所区别。分析支 撑体系在不同的 s / d 指标下的性能差别，其中 d 为 内圆环直径、s 为圆环中心线与围护结构的距离( 双圆型为外圆环中心线) 。分析结果见图 10 17。取单圆型支撑体系在均匀围压工况下的围檩 位移为参考值 1，在偏压工况下，围檩的位移随着 s / d 的增大而减小。当 s / d = 0 时，即圆环贴近围护 边界时，在偏压工况下，围檩位移较大，不利于发挥2013 年增刊 1金国龙，等: 圆环形支撑基坑支护体系设计分析1699制截面尺寸及配筋。图 10 单圆支撑围檩位移指标 1 对比图Fig 10 Comparison of waling-displacement parameter1 of single-ring圆环刚度。当 s / d 0 3 时，围檩位移指标趋于稳 定。单圆型支撑体系内圆环轴力随着 s / d 的增大 而减小，当 s / d 0 3 时，支撑轴力指标趋于稳定。图 13 单圆稳定性指标 5 对比图Fig 13 Comparison of stability parameter5 of single-ring在偏压工况下，稳定性指标随着 s / d 的增大 而减小( 本文中稳定性指标越大，越容易失稳) 。 当 s / d 0 3 时，稳定性指标趋于稳定。计算结果表明，单圆环支撑体系，内圆环与围 护墙间需保证一定的距离。圆环支撑直接撑于围 护结构( s / d = 0 ) 整个体系受力及稳定性较为不 利。s / d 大 于 0 3 后，其各项指标的 改 善 程 度 趋缓。图 11 单圆支撑轴力指标 2 对比图Fig 11 Comparison of axial-force parameter2 of single-ring图 14 双圆支撑围檩位移指标 1 对比图Fig 14 Comparison of waling-displacement parameter 1 of double-ring双圆-2 型支撑体系，围檩位移指标随着 s / d 的增大，略有增大趋势。双圆-2 型支撑体系，支撑轴力指标与 s / d 关系 不明显。双圆-2 型支撑体系，支撑弯矩指标随着 s / d 的 增大，略有增大趋势。双圆-2 型支撑体系，稳定性指标与 s / d 关系不 明显。双圆-2 型支撑体系，随 s / d 的增大其各个指标图 12 单圆支撑弯矩指标 3 对比图Fig 12 Comparison of bending-moment parameter3 of single-ring支撑弯矩指标随 s / d 值变化趋势不明显，但在 偏压工况下，s / d = 0 时，弯矩指标较大，不利于控1700地下空间与工程学报 第 9 卷4结论本文归纳整理了软土地区基坑工程中常见的4 种圆环形支撑布置形式，总结了 6 项可以较全面 反映支撑体系性能的分析参数，并结合规范计算要 求及力学理论对分析参数进行了无量纲化处理。 利用有限元分析程序，结合 6 项分析指标，对比分 析了 4 种圆环支撑布置形式的性能差别。分析结 果表明，双圆-2 型及双圆-3 型支撑体系在相同的 材料用量及分析工况下，其刚度明显大于单圆型及 双圆-1 型支撑体系。在相同的工况下，双圆型支 撑体系的内圆环轴力明显小于单圆型支撑体系。 双圆-2 型及双圆-3 型内圆环在偏压工况下相对不 易产生较大弯矩。随着偏压的增大，单圆型及双 圆-1 型有失稳趋势，而双圆-2 型及双圆-3 型支撑 体系则相对稳定。但双圆-2 型及双圆-3 型体系中 容易出现拉力相对较大的受拉杆件，需采取针对性 的补强措施。本文选择性能差别较大的单圆型与双圆-2 型 支撑体系，分析其各项指标与圆环距离围护边界 距离( s / d) 的关系。 分析结果表明，单圆环支撑 体系布置时，圆环与围护边界建议保证一定的距 离，当 s / d 0 3 时，其各项性能指标相对稳定，各 项指标相对合理。双圆-2 型支撑体系，随 s / d 的 增大其各个指标变化幅度不大。 则双圆-2 型支 撑体系 在 平 面 布 置 时，外圆环可尽量贴近围护 墙，以更加充分发挥圆形支撑内部空间大，便利 施工的优势。圆环支撑体系的围压会随着基坑开挖深度的 加深而增大。随着基坑深度的加深和基坑面积的 增大，也使深基坑的施工工况及施工条件更加复 杂，也使控制圆环围压的均匀性更加困难。所以在 深大基坑中，推荐采用双圆-2 型与双圆-3 型的布 置形式，其具有相对更好的稳定性及对偏压工况的 适应性。对于基坑深度相对较浅，面积不大的基 坑工程中，施工条件相对简单，圆环体系的围压 相对不大，推荐采用单圆型支撑体系，其相对施 工便利，节点处理简单。 表 1 中汇总的圆环形支 撑基坑案例，也反映了双圆-2 型及双圆-3 型更多 应用在基坑深度较深、面积较大的情况下，单圆 型多应 用 在 基 坑 深 度 较 浅，面积相对不大的项 目中。( 下转第 1716 页)图 15 双圆支撑轴力指标 2 对比图Fig 15 Comparison of axial-force parameter2 of double-ring图 16 双圆支撑弯矩指标 3 对比图Fig 16 Comparison of bending-moment parameter3 of double-ring图 17 双圆稳定性指标 5 对比图Fig 17 Comparison of stability parameter5 of double-ring变化幅度不大。双圆-2 型支撑体系布置时，外圆 环可尽量贴近围护墙，以充分发挥圆形支撑内部空 间大，便利施工的优势。1716地下空间与工程学报 第 9 卷次衬砌的及时跟进，隧道掌子面后方的地表裂缝逐渐趋于稳定，且在回填密实后无新的发展。参考文献( eferences)1铁道部第二勘测设计院 铁路工程设计技术手册 隧道M 北京: 中国铁道出版社7结束语通过前述分析研究，对穿越断层破碎带的隧道2 公路隧道设计规范( JTG D70-2004) S 20043王梦恕 中国隧道及地下工程修建技术M 北京:人民交通出版社，2010徐学深，王俊强 公路浅埋土质隧道塌方后的技术处 理措施J 现代隧道技术，2002，39( 3) : 57-61 吴碧军，唐义彬 苍岭隧道断层破碎带工程地质特征 与围岩失稳特点J 石家庄铁道学院学报，2006，19( 4) : 118-121刘洪光 隧道断层破碎带的处理技术J 水运工程，2006，( 7) : 84-86杨红军，方建勤 隧道断层破碎带对隧道施工稳定性 的影响研究J 公路，2009，( 12) : 197-201 税明东，成竖 终南山公路隧道断层破碎带综合施工 技术J 隧道建设，2004，24( 2) : 17-20，24吴庆忠 隧道断层破碎带围岩的监测与变形控制J 土工基础，200