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钢支撑体系问题一览及解决办法

290 2020-06-03 10:53:01


随着我国城市化地下空间的发展,城市建设各种基坑支护形式越来越多,深度也越来越大,基坑工程对周边环境的影响也是越来越大,基坑施工由于挖土破坏了土压的平衡,围护结构必然产生变形,变形导致周边地面的沉降,沉降值越大,对周边环境影响也越大,经济损失越大,严重的甚至导致基坑坍塌和人员伤亡安全事故(图1)。

图1某区域基坑开挖引起的周边建筑物倒塌及开裂情况


      以2008年杭州地铁事故为例:2008年11月15日下午3时15分,正在施工的杭州地铁1号线湘湖站北2基坑现场发生大面积坍塌事故(图2),造成21人死亡,24人受伤,直接经济损失4961万元。事故造成长约100米、宽约50米的正在施工区域塌陷,地面塌陷导致地下污水等管道破裂、河水倒灌造成基坑和地面塌陷处进水,基坑内最大水深约9m。

 

图2杭州地铁事故


      湘湖站工段施工基坑采用“地下连续墙+四道钢管内支撑支护”,根据现场调查的情况,引发基坑坍塌的直接原因主要是:(1)土方超挖,而支撑架设和垫层浇筑不及时;(2)支撑体系存在薄弱环节,主要钢支撑与地连墙预埋件没有焊接,引起局部范围地连墙产生过大侧向位移,造成有的支撑轴力过大及严重偏心,导致支撑体系失稳;(3)沉降和位移监测工作处于失效状态。

        杭州地铁事故的影响很大,此后为了增强基坑工程的安全性,在围护结构的设计上也更为保守,主要体现在三个方面:

     (1)地铁明挖车站深基坑的第一道支撑采用混凝土支撑;

     (2)地连墙的厚度增大,由原来较常采用的600mm改为800mm以上;

     (3)地连墙的钢筋配筋量增加,由原来的130~140 kg/m3增加到180~210 kg/m3。

      以上三项设计的调整对控制基坑的结构性安全风险起到了积极的作用,但是围护结构的成本增加了约30%~35%。近几年有关地铁车站基坑施工发生事故的报道仍比较多,从工程事故统计的结果来看(图3),由围护结构坍塌、渗漏和失稳引起的事故占86.5%,因此围护结构的变形控制是深基坑施工安全的重点。

       基坑的变形受多种因素影响,主要包括周围地层土的类别及性质、地连墙的刚度、支撑条件、地连墙的入土深度、地下水的影响、开挖方式、不同的结构形式以及地应力水平等。目前关于围护结构的变形控制在理论上并没有取得明显的改善,在设计偏保守的情况下,一旦发生事故,对事故原因的分析几乎都落到了施工过程的管理缺失上。

明挖法工程施工安全事故类型分布图

图3明挖法工程事故类型统计分析

       通过对大量事故案例的调查和研究,大多数基坑局部失稳或坍塌的事故原因主要集中在围护结构变形过大和支护结构的失稳,而设计的理论计算结果之所以和现实偏差很大的主要原因是基坑的内支撑体系存在很多问题,主要表现为钢支撑受力不均匀或偏心等。钢支撑支护在上世纪60年代便在国内采用,目前使用普遍,但是看似简单的受力结构,却在施工过程中存在多种问题,如:活络头受力不佳、预加轴力损失过大、端头受力不均和钢支撑轴线方向受力偏差等问题,这些问题的存在也给基坑施工埋下了隐患,也使得理论计算和现实偏差很大。

      1、钢支撑体系存在的问题

      实际工程中钢支撑普遍存在问题的地方主要包括:钢围檩、活络头、钢楔子、法兰和轴力计。

  

(a)钢围檩不在同一平面及直线上     

(b)围檩的连接不可靠  

   

  

(c)钢支撑安装后连接位置变形明显

图4 钢围檩拼装问题

 

           (a)活络头脖子太长 

     

活络头受力中心线与钢支撑受力中心线不同心

  (b)活络头受力中心线与钢支撑受力中心线不同心

图5 钢支撑活络头安装问题 

钢楔子未穿过轴心

(a)钢楔子未穿过轴心                   

钢楔子打入深度太浅

(b)钢楔子打入深度太浅

图6 钢楔子安装问题

钢支撑的法兰变形

图7 钢支撑的法兰变形

 

(a)轴力计护筒肋板与法兰连接处开裂    

轴力计和钢围檩只有部分接触

(b)轴力计和钢围檩只有部分接触

(c)轴力计与钢楔子设置在同一端       

(d)轴力计不在轴心

图8 钢支撑轴力计安装问题


2、钢支撑体系的改进

      钢支撑体系的钢围檩、钢楔子和轴力计方面的问题可通过以下三项专利技术进行改进。

图9 钢围檩连接处的改进示意图

 

图10 钢围檩改进后的实际效果

图11 标准楔子的示意图

标准楔子在工程中的应用

图12 标准楔子在工程中的应用

 

图13 带有轴力计的钢支撑构件


         经过实际工程应用表明,以上三项专利技术使得基坑支撑的受力体系得到了保障,有效地减小了围护结构的变形量。在目前我国地铁深基坑的设计理论和方法没有进一步完善的条件下,只要将以上专利技术得到应用,即使存在地质条件不确定的因素,也能有效地的控制基坑开挖过程中围护结构的变形,从而降低基坑失稳的安全风险。

 

上海建科工程咨询有限公司     韩银华

上海市工程结构安全重点实验室 上海市建筑科学研究院  罗叠峰