H型钢支撑在深基坑工程设计的应用

摘要：文章结合南京国际博览中心三期项目深基坑工程，介绍了该基坑工程的设计方案。针对超长型钢支撑的稳定性和不同材料支撑的变形协调问题，提出了双层组合截面及轴力自动伺服应力补偿系统等设计措施，保证了基坑工程的安全。

关键词：深基坑；装配式H型钢支撑；轴力伺服

基坑支撑材料主要有混凝土及钢和混凝土的组合形式[1]。现浇混凝土支撑由于其刚度大，整体性好，可以采取灵活的布置方式适用于不同形状的基坑，施工质量相对容易得到保证，所以使用面较广。但是混凝土支撑在现场需要较长的制作和养护时间，制作后不能立即发挥支撑作用；拆除混凝土支撑的工作量大、粉尘污染严重、振动大、噪声大，且材料不能重复使用，不满足目前绿色施工的要求。钢支撑具有自重轻、安装和拆除方便、施工速度快、可以重复使用和安装后能立即发挥支撑作用等优点。钢支撑根据截面形式的不同可细分为钢管支撑和型钢支撑等。钢管支撑为单向支撑，整体性差，施工精度难控制，主要用于狭长形状基坑，国内公认钢管支撑的适用范围为跨度≤40的形状规则基坑[2]。装配式型钢支撑将多根型钢组合成为一道支撑，并且所有节点均采用高强螺栓连接，工期更短，钢材寿命更长[3～4]，有效地解决了钢管支撑的主要问题。本文结合工程实例，论述了超长装配式型钢支撑在深基坑工程中设计的关键技术问题及解决方案。

1工程概况

1.1工程简介

南京国际博览中心三期项目位于南京市建邺区，南侧为江山大街、东侧为江东中路、西侧为燕山路、北侧为金沙江西街，包括3栋130m高层建筑，2个展厅建筑，设2层地下室。基础采用桩基础，工程桩均采用钻孔灌注桩。本工程塔楼区域基坑开挖深度11.55m，其余区域基坑开挖深度10.05m～10.45m。基坑形状为440m×164m平行四边形，基坑周长为1215m，面积为73280m2。基坑鸟瞰照片如图1所示，目前基坑内支撑体系已全部拆除，地下室已完成。图1基坑鸟瞰照片

1.2周边环境概况

本基坑工程周边环境较复杂，基坑北侧、西侧临近市政道路，道路下分布有多条市政管线，包括给水、燃气、电力、电信、雨水、污水等管线；基坑东侧、南侧临近河道，基坑支护结构边线与河道间最小距离12.8m。

1.3工程地质概况

工程场地位于南京市河西地区，其地貌单元为长江漫滩。根据地质勘查报告，地层起伏较大，基坑开挖深度影响范围内的土层以淤泥质粉质粘土为主，该土层呈流塑状态且压缩性大，流变性、触变性明显，受扰动后土体强度极易降低，基坑开挖后易出现较大变形。各土层物理力学指标见表1、2所示。

2基坑支护设计

2.1总体设计方案

本工程基坑规模巨大，空间效应、时间效应显著。通过对各方案的经济性、工期等对比分析，本工程采用水平支撑顺作法方案，竖向挡土结构采用钻孔灌注桩。为便于土方开挖及地下室主体结构施工，结合南京地区类似基坑工程的实践经验，本工程竖向设置一层水平支撑系统。

2.2周边支护结构设计

根据地质条件和基坑变形控制要求，支护桩选用直径900mm～1200mm钻孔灌注桩，综合基坑整体稳定性、嵌固稳定性、抗隆起稳定性确定支护桩嵌固深度，按照桩身弯矩包络图对支护桩进行分段配筋，以节省造价。基坑支护结构剖面如图2所示。图2基坑支护结构剖面图

2.3水平支撑体系设计

本工程基坑面积大，基坑呈平行四边形，尺寸为164m×440m，采用十字对撑＋角撑方案，如图3所示。对撑＋角撑方案可实现分段流水施工，即在对撑达到设计强度的情况下，提前进行主楼区域土方开挖；该方案支撑在水平向和竖向上避开3栋塔楼的竖向墙柱及水平梁板结构，可以在不拆除支撑的情况下，进行塔楼地上主体结构的施工。结合栈桥布置，可满足基坑土方开挖和主楼的混凝土浇筑施工。图3钢筋混凝土支撑平面布置图为满足建设单位对基坑绿色施工的要求，将西侧一组钢筋混凝土对撑调整为3榀装配式型钢支撑如图4所示，并将部分混凝土栈桥板调整为装配式覆工板。图4装配式型钢支撑+钢筋混凝土支撑平面布置图。

3超长型钢支撑存在的关键技术问题

本工程基坑面积大，支撑长度长，钢支撑在本工程的应用中存在以下问题。①超长型钢支撑的稳定性。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）[5]中要求钢支撑受压杆件的长细比不应大于150。本工程水平长度达到164m，长度已超出常规钢支撑应用范畴。超长装配式型钢支撑的稳定性直接影响到基坑的稳定性。②不同支撑形式的变形协调。水平支撑同时采用型钢支撑与钢筋混凝土支撑两种不同形式，两种材料的支撑刚度、压缩变形相差较大，如何保证不同支撑处基坑变形的协调是本工程的难点。

4超长型钢支撑关键技术问题的解决方案

4.1超长型钢支撑的稳定性控制

型钢支撑长度长，单根型钢支撑的长细比无法满足规范要求。为提高型钢构件的截面惯性矩，降低支撑的长细比，本次设计采用双层双拼组合H型钢截面，如图5所示，H型钢支撑之间采用H型钢相连，组合构件的长细比控制在80以内。采取双层组合截面，可增大支撑水平间距，便于土方开挖。图5双层双拼组合H型钢截面图

4.2支撑刚度与变形协调

本工程支撑采用钢筋混凝土和装配式H型钢两种不同形式支撑进行组合，为协调支撑及围护结构的变形，本工程采取以下措施：①在构件强度、稳定性满足设计要求的前提下，通过调整支撑刚度和预加轴力反复试算迭代，使得型钢支撑轴力与钢筋混凝土支撑圈梁处水平位移接近；②型钢支撑长度达到164m，基坑土方开挖过程中，钢支撑易出现支撑轴力损失、基坑变形加剧等问题，设计采取轴力自动伺服应力补偿系统，即在钢支撑上设置可实时施加预应力的轴力自动补偿装置，根据监测结果，预应力可实时施加，能有效地控制型钢支撑段支护结构与钢筋混凝土支撑段支护结构的变形。

5结语

以南京国际博览中心三期项目基坑工程为背景，介绍了超长装配式型钢支撑的设计及关键技术问题的解决方案。本项目实践表明，通过调整装配式H型钢的组合截面和轴力自动伺服应力补偿系统，可有效控制型钢支撑的稳定性及基坑的变形。装配式型钢支撑是一种模块化拼装、可便捷拆卸的装配式新型内支撑结构形式，具有安装拆卸速度快、无需养护、可重复使用、绿色无污染的优点，符合国家倡导的节能高效、绿色环保的建筑业高质量发展理念，具有广泛的推广应用前景。

参考文献

[1]刘国彬,王卫东.基坑工程手册（第二版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]白洁,葛杰,雷克.中日基坑钢结构支撑体系对比[J].施工技术,2016,45(01):10-13.

[3]冉岸绿,孙旻,王国欣,等.新型H型钢支撑工程应用分析[J].工程技术研究,2018(12):47-48.

[4]韩磊,孙旻,黄沛林,等.新型H型钢支撑体系设计分析及工程应用研究[J].建筑结构,2021,51(23):95-102.

[5]JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].

作者：付守印 单位：南京市测绘勘察研究院股份有限公司