鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐支護設計及技術研究

王洪凱 王偉健

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210000； 2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

0 引言

最近幾年來，南京的高層建筑越建越高，其對應的地空間結構也越來越深，基坑占地面積越來越大，基坑周邊環(huán)境保護要求越來越高，對變形控制要求也越來越嚴格。如何選用最合適的支護方案需要考慮的因素也越來越多。鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐支護結構具有施工便利、受力可靠、經(jīng)濟合理等特點，在基坑工程中得到廣泛應用。

論文作者是多年來在一線崗位從事基坑支護設計的人員，直接參與完成的基坑支護工程設計項目已達數(shù)百項，從其中選出一些采用具有代表性的圓環(huán)形支撐的工程項目，用于總結圓環(huán)支護形式的設計經(jīng)驗與相關技巧。文中所涉及的工程項目主要以南京地區(qū)的實際工程為主。

1 基坑支護內(nèi)支撐的分類及組成

鋼筋混凝土內(nèi)支撐是基坑工程中使用較為頻繁支護方法[1]，內(nèi)支撐的豎向設置，通常為相同高程的單層或多層的情況。水平支撐體系主要分為立柱、冠梁、水平支撐構件三個部分。冠梁作用是使圍護樁形成一個整體，然后將力傳給水平支撐構件[2]。水平支撐是基坑內(nèi)受力的主要構件，一般為直桿或是環(huán)形。立柱是用來強化水平支撐的平面外穩(wěn)定，與水平支撐形成一個空間剛度體系，承受支撐體系的豎向荷載。本文研究水平支撐的平面布置問題，將重點探討鋼筋混凝土環(huán)形水平支撐體系。

2 鋼筋混凝土圓環(huán)支撐剛度問題

在基坑支護中，決定內(nèi)支撐結構與支護的體內(nèi)力和支護體變形的直接條件是內(nèi)支撐剛度的大小[3]。而支撐剛度的大小，直接決定了基坑外側土體的變形[4]。鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐的剛度如何確定，雖然在相關規(guī)范中找不到對應的計算方法，但是從剛度的定義來考慮，剛度是指結構在受力時抵抗彈性變形的能力，用公式表達為：k=F/s[5]。

其中，k為鋼筋混凝土圓環(huán)支撐結構的剛度；F為鋼筋混凝土圓環(huán)支撐結構受的力；s為鋼筋混凝土圓環(huán)支撐結構在力作用下的位移。

3 鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐的變形特征

3.1 均布荷載作用下的變形

對于支護結構布置為圓環(huán)內(nèi)支撐的形式，邊梁的形狀設置為圓環(huán)的形狀，承受的荷載為均布荷載[6]。圓環(huán)支撐邊梁的變形特點：

1)邊梁的內(nèi)力變化連續(xù)，不會發(fā)生突變[7]。

2)從理論上來說，對于構件簡單的圓環(huán)支撐，構件的每一處地方的內(nèi)力和變形都相同[8]。

3)圓環(huán)支撐體系應整體分析，計算內(nèi)力與變形[9]。

3.2 集中荷載作用下的變形

圓環(huán)支撐與基坑邊線的冠梁相連接，支撐體系是由冠梁、鋼筋混凝土圓環(huán)、鋼筋混凝土圓環(huán)圓心向外輻射出的桿件及其他支撐桿組成的[10]。冠梁承受來自基坑邊緣土壓力形成的均布荷載，而鋼筋混凝土圓環(huán)支撐承擔支撐體系中輻射桿件或支撐桿件傳遞的集中力[11]。

4 基坑支護工程的實際設計中的若干問題探討

4.1 鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐層數(shù)及豎向標高的確定

一般鋼筋混凝土圓環(huán)的內(nèi)支撐層數(shù)和基坑的挖深有直接的關系。當基坑深度不大于11 m時[12]，若選擇鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐，宜使用一層鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐。每層鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐的豎向標高的設置需要考慮多個因素，其中最重要的因素便是基坑的挖深和施工機具的高度。

為了便于施工機械的駛入和正常工作，兩層鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐的凈間距一般不小于5 m。且為便于第2層地下室施工，第二道支撐一般設在第2層地下室頂板上方。

4.2 圓環(huán)直徑及尺寸和圓環(huán)在總平面位置的確定

為方便施工，給主樓基礎留下施工平面，在考慮圓環(huán)在總平面位置的時候，主樓一般會在圓環(huán)的中心位置，圓環(huán)的外邊緣需要與基坑的支護邊線至少需要留1 m～1.5 m的距離。

在選擇圓環(huán)截面尺寸的時候，首先要確定基坑排樁上的土壓力，然后據(jù)此可以算出支撐上的力，繼而得到圓環(huán)上的壓力。然后根據(jù)軸壓比和混凝土軸心抗壓強度設計值反推截面面積，最后根據(jù)配筋得出截面尺寸。

u=N/(A×fc)。

其中，u為軸壓比，對非抗震地區(qū)，u=0.9；N為軸力設計值；A為截面面積；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。

4.3 雙圓環(huán)內(nèi)支撐之間的聯(lián)系桿件體系如何更合理的平面布置

雙圓環(huán)內(nèi)支撐之間的聯(lián)系桿件形式一般分為兩種。

1)如圖1所示，由圓心輻射出數(shù)條直線，且每條直線成一定角度并與雙圓環(huán)相交，兩圓環(huán)之間的線段與圓環(huán)形成數(shù)個四邊形格室，這便為第一種支撐類型。外部的壓力被桿件均勻分散到圓環(huán)上，這種方式布置的桿件順應圓環(huán)外部對圓環(huán)的壓力方向，有利于圓環(huán)的抗壓受力。

2)如圖2所示，由圓心輻射出數(shù)條直線，且每條直線成一定角度并與雙圓環(huán)相交，兩圓環(huán)被分成數(shù)個格室，格室為四邊形，在每個格室的對角線都加上一道桿件支撐，桿件首尾相連，把每一個四邊形格室分成兩個三角形格室，這種支撐比第一種支撐更為牢靠、堅固。因為三角形是最穩(wěn)定的形狀，兩圓環(huán)內(nèi)的桿件把兩個圓環(huán)固定成一個堅固的整體，外部有荷載時大圓環(huán)和小圓環(huán)同時受力，通過支撐均勻分散到圓環(huán)的各處。

綜上所述，在基坑支護中，在面對極為不利的土質條件或土壓力過大時，可以選擇第二種圓環(huán)與桿件的聯(lián)系方式，因為這種桿件聯(lián)系方式剛度較大，雙圓環(huán)的變形較小，傳力受力較為合理；當土質情況較好或土壓力相對較小時，在考慮經(jīng)濟合理的情況時，可以選擇第一種圓環(huán)的桿件聯(lián)系方式。

4.4 相切圓環(huán)內(nèi)支撐之間桁架體系的設置

1)第一種情況，兩個等直徑不相切的圓環(huán)。

如圖3所示，當基坑形狀為規(guī)則的長方形，必須布置兩個圓環(huán)的時候，在兩個圓環(huán)中間設置一個桁架對撐，桁架對撐兩側與圓環(huán)相切，藍色支撐為圓環(huán)從圓心輻射出的桿件，桁架對撐與其連接，形成穩(wěn)定的超靜定結構。桁架內(nèi)部的正方形對聯(lián)系桿件分成四個面積相等的三角形，這樣的結構使桁架對撐不易變形而且有更高的承載力。

2)第二種情況，兩個直徑不同的同心圓環(huán)相切。

如圖4所示，為兩個直徑不同的同心圓環(huán)的相切。兩個同心圓環(huán)的外圓相切，藍色桿件為從各個圓心輻射出的桿件，與基坑外邊界相交形成支撐，而綠色桿件為腳撐或者兩個圓環(huán)的聯(lián)系桿件。當輻射支撐形成的區(qū)域過大時，用聯(lián)系桿件分割這個區(qū)域，會使這個區(qū)域的支撐力和穩(wěn)定性增強。

總結來說，兩個圓環(huán)之間的桁架聯(lián)系原則是由輻射形成，聯(lián)系桿件起到分割輻射桿件長度的作用。輻射形成的支撐在受到來自基坑邊緣的土壓力時受力方向都指向圓心，而輻射桿件把力傳給圓環(huán)時，由于圓環(huán)受到的力是指向圓心的，所以圓環(huán)可以均勻受壓，在每一個輻射支撐的作用的區(qū)域都形成一個拱結構，如圖5所示。

4.5 出土口棧橋平臺和出土坡道棧橋的設置

一般情況圓環(huán)內(nèi)支撐結構不需要設置棧橋，因為從經(jīng)濟方面上考慮，棧橋會大幅增加基坑支護的造價，而且一般可以在基坑邊線與用地紅線之間設置運土道路、材料堆場、施工平面。但是當基坑支護邊線距離用地紅線過近時，無法滿足施工需求時，就需要考慮棧橋的建設。

如圖6所示，大型基坑需要在基坑內(nèi)設置棧橋，方便挖土機具和運土車輛在棧橋上運行。棧橋平臺可與水平支撐結合而作為基坑支撐結構的一部分，這樣可以充分利用支撐結構。一般雙圓環(huán)結構的出土口棧橋平臺設置在兩圓環(huán)的相切處，而出土坡道棧橋的起點則設置在出土口棧橋平臺中間部位，然后呈一定坡度延伸到基坑底部。

如圖7所示，單圓環(huán)結構的出土口棧橋平臺設置在角部或是相切處，而出土坡道棧橋則從出土口棧橋平臺呈一定坡度延伸到基坑底部。

出土口棧橋平臺和出土坡道棧橋的平面位置的設置一般正對著施工場地大門，或者與已有道路連接，這樣棧橋作為車輛通道而且方便運土車輛的出入。一般棧橋的設置都與首層支撐結合，在設置鋼筋時按照不同的使用功能分為重載車輛通行區(qū)域和施工材料堆載區(qū)域。

5 結語

本文首先對基坑支護內(nèi)支撐的分類及組成做出了介紹，選擇了其中應用最為廣泛的鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐作為研究對象。然后對鋼筋混凝土圓環(huán)支撐剛度、變形問題進行了研究，總結出了鋼筋混凝土圓環(huán)支撐剛度、變形的計算公式和計算依據(jù)，并對圓環(huán)的變形種類和變形規(guī)律做出了歸納總結，最后作者對鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐實際設計中遇到的問題做出了重點探討，從工程實例中提取圓環(huán)支撐的基本結構和設計理念，歸納了在設計中幾種常用的圓環(huán)支撐體系會遇到的問題并提出了解決辦法。