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钢支撑在基坑内支撑体系中的作用

349 2021-09-28 09:20:19

自改革开发以来,我国经济飞速发展,城镇化推进迅速。城市建设的发展带动了地下空间的开 发,高层建筑多层地下室、地下停车场、大型地下商业综合体以及地铁、市政工程、地下变电站等 工程如雨后春笋般涌现。城市基坑工程规模越来越大、深度越来越深、密集程度也在不断提高,在 保证基坑工程施工安全顺利进行的同时还要尽量减少对周围土体的扰动、满足环境保护的要求。 由于城市基坑工程通常处于重要建(构)筑物和生命线工程的密集地区,在平面外没有足够的 空间安全放坡,通常采用附加支护系统来保证基坑施工的顺利进行。支护系统(Retaining andProtection Structure)包括竖向的围护结构和水平向的内支撑/锚杆体系,是在建筑物地下工程建造时 为了确保土方开挖,控制周边环境影响在允许范围内的一种施工措施。 在支护支撑系统中,围护结构能够起到挡土的作用,为地下工程的施工提供足够的作业场地; 而内支撑体系则为围护结构提供支承点,直接平衡两端围护结构上所受的侧压力,以控制围护结构 的变形和内力在规范允许范围内。基坑工程中已经发展出了多种围护结构和内支撑结构,且不同围 护结构和内支撑结构可以灵活组合,形成多种多样的支护系统。目前常见的围护结构有地下连续墙、 钻孔灌注桩、套筒咬合钻孔灌注桩、SMW 工法桩等,而内支撑体系则主要有钢支撑体系和混凝土支 撑体系,如图 1. 1 所示,实际工程中也经常出现钢支撑和混凝土支撑组合使用的内支撑体系。

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目前,我国的基坑内支撑体系中混凝土支撑使用较为广泛,而钢支撑一般仅在较浅或形状较为 规则的基坑中应用。虽然混凝土支撑体系具备布置形式灵活多样、支撑刚度大、整体性好等优点, 但存在安装和拆除耗时较长且拆除过程振动噪声大、拆除的废弃物无法回收利用等问题。从绿色环 保、节约能源和资源的角度出发,用钢支撑替代混凝土支撑是基坑工程内支撑体系改革的方向。相 对于混凝土内支撑体系,钢支撑体系安装迅速、拆除方便,且钢支撑可回收利用,符合可持续发展 的理念。但是,由于单根钢支撑刚度较小,所以该体系中钢支撑布置密集,如图 1. 1(b)所示,密 集的钢支撑给基坑施工带来诸多不便从而大大减慢施工速度,且大量钢支撑的长期占用大大增加了施工成本。现代基坑工程设计除了确保基坑施工安全便利以及施工方案的经济合理之外,还十分关 注基坑工程施工对周围环境的影响[7]。刘国彬、王卫东等[1]等指出现在基坑工程的设计已逐步从强度 控制设计向变形控制设计过渡,变形控制和环境保护往往成为基坑工程成败的关键,而研究和采用 预应力技术是提升基坑内支撑体系变形控制能力的重要方向。尽管通过端部活络头给钢支撑施加预 应力可以提高其对基坑变形的控制能力,但密集的钢支撑带来的施工不便和经济性差等问题仍然 无法有效改善。 2004 年,韩国学者 Kim 等研究者[9]将预应力技术成功应用于基坑内支撑体系,提出了一种由腰 梁、H 型钢撑杆和钢绞线等构成的张弦梁式预应力大跨度内支撑体系——预应力装配式鱼腹梁内支 撑体系(Innovative Prestressed Support Earth Retention System, IPS)。预应力的引入大幅提高了内支撑 体系的抗弯刚度,从而使钢支撑的数量大幅减少,基坑施工作业空间显著增大。更为重要的是,IPS 可以通过实时张拉钢绞线动态调整预应力,从而实现对基坑变形的主动控制。IPS 技术在韩国、日 本、美国等国家已得到广泛运用,近年来被引进国内。