1、第 1 页 共 166 页深大基坑钢支撑支护体系在国贸二期工程中的应用与研究一、 工程概况北京中国国贸中心二期工程地处东三环中路与建国门外大街交会处国贸建筑群内，与中国大饭店、国贸饭店、国贸南北公寓等建筑物相毗邻。国贸二期工程为综合性建筑物，地下四层，地上 38 层。基坑长 253.7 米，宽 51.8 米，深度 18.6 米。二、 深基坑支护方案分析1、 常用深基坑支护方案分析：北京地区常用的深基坑支护形式有：悬臂式钻孔灌注桩（用于基坑深度较小的情况）土钉墙桩锚体系连续墙+锚杆体系连续墙+内横支撑体系围护结构+止水帷幕2、 深基坑环境条件与基坑条件分析：国贸二期工程位于现国贸中心院内，周围是
2、密集的建筑群。南有38 层的国贸中心写字楼和 16 层的中国大饭店，北临 10 层的国贸饭店、10 层的职工宿舍和 15 层的信息中心大楼，西侧为 30 层的国贸南北公寓，东侧为住宅楼。周围的建筑群与本工程深基坑之最小距离仅有 5-6 米。第 2 页 共 166 页国贸二期深基坑长约 256 米，宽约 51 米，面积约 13000 平方米。基坑深 18.6 米，整个工程支护面积约 11400 平方米。其规模及开挖深均罕见。临近建筑物的基础埋深只有 8 米和 14 米，远小于本工程的基础埋深。本工程周围还有密布的地下管道和管线。3、支护方案的确定根据国贸二期工程深基坑的环境条件和基坑条件，在地下
3、 8 米和地下 14 米以上由于邻近建筑物的影响，土层锚杆或土钉无法实施，即采用北京地区常用的基坑支护体系在本工程已不适用，必须寻求一种新的支护形式。经过认真的计算分析，国贸二期深基坑支护采用如下方案：1、 围护结构：采用 8001600 的钻孔灌注桩；2、 内支撑体系：在-2.5 米和-8 米处设二道钢支撑，沿基坑横向设三排型钢立柱；3、 外支撑体系：在-14.5 米处设锚杆一道第 3 页 共 166 页4、 -2.5 米处设钢筋混凝土帽梁，-8 米处设型钢帽梁5、 -2.5 米以上采用带钢筋混凝土构造柱的砖砌挡土墙本工程是北京地区以至全国首例在深大基坑中采用钢支撑+锚杆的支撑体系。三、 设
4、计分析：深基坑支护结构的设计是一项复杂的岩土工程设计，影响它的因素很多，因此必须充分考虑各种因素，并采取一定的对策。一般其设计原则为：1. 深基坑支护结构虽然是临时结构，但它是保证主体结构施工和基坑周围环境安全的重要结构。因此必须合理的选择其安全度。2. 深基坑支护要求安全可靠，稳定性好，确保基坑周围高大建筑物的安全和保证主体结构的施工。3. 深基坑支护设计要充分考虑方便土方开挖和主体结构的施工，对钢支撑要注意便于安装和拆卸，利于钢材的回收，降低工程造价。因此本工程在长 253.7 米，宽 51.8 米的基坑中，钢支撑的布置考虑了主体结构的立柱和剪力墙位置，每隔 8 米左右布一道横撑，角部采用
5、斜撑，横向设三排型钢立柱，以减少钢支撑的自由长度。纵向第 4 页 共 166 页布置三道系杆，端部布置有剪力撑。立柱、支撑、系杆、剪力撑构成了空间作用的刚度较大的稳定性好的支撑体系。钢结构支撑及锚杆布置见钢支撑平面布置示意图。钢筋混凝土灌注桩围护结构和土层锚杆在近年来的工程实践中已相当普及，其技术已趋成熟在此不进行阐述。所以本工程中的技术关键是钢支撑体系。1. 钢支撑体系的内力分析国贸二期工程的基坑长 256m，宽 51m，基坑开挖深 18.6m。长宽深比较大，深基坑的空间效应不明显。本设计将钢支撑简化为平面问题来计算分析，每道钢支撑可简化为相互独立的受压杆件。 （详细计算结果略）2. 钢支撑
6、的杆件设计考虑业主的要求和施工单位现有材料以及内力的分析结果，进行第 5 页 共 166 页综合选择，得出钢支撑体系的杆件材料。钢支撑及腰梁等主要材料均选用日产 H 型钢（H488x300x18x11） ，纵向系杆为 228a 热轧槽钢；与工字钢连接的拼接板、加劲板、端头板选用 16 锰钢板，与热轧槽钢连接的拼接板、加劲板、端头板选用 A3 钢板，焊条为 E4303 碳钢焊条。3. 钢支撑体系的节点设计考虑现场的施工情况，对钢支撑的连接采用法兰连接，可保证质量，且便于操作，容易调节对中。为减少钢支撑的自由长度，加强支撑体系的整体刚度，采用了临时立柱嵌固的办法。由于系杆是沿基坑的纵向布置，其温度
7、变形对钢支撑的侧向稳定影响较大，因此在设计中系杆的接长采用螺栓连接，接头处留 20mm 间隙。4. 钢支撑预压力接头设计为了保证钢支撑对围护结构的支撑作用，在钢支撑安装就位后需施加预压力。钢支撑与围护结构的水平构件的连接一端为固定，另一端可自由伸缩，即为“活接头” （见活接头图） 。第 6 页 共 166 页5. 钢支撑、系杆、临时立杆连接的三维节点设计为了将钢支撑、系杆、临时立柱三个构件连成整体，协同工作，成为稳定的支撑体系。根据钢支撑的受力特点，此节点要求既有三向约束作用，又允许钢支撑、系杆在各自轴线方向有变形。因此设计了一个采用摩擦力为传力机理的三向 U 形螺栓套箍连接的三维节点。在深基
8、坑的开挖和支护的计算过程中，常遇到一些经典土力学理论无法解决的问题，因此在进行计算时往往进行简化处理。在本工程的深基坑的结构计算中使用了结构通用程序 SAP84 和二维有限元程序 2D- 软件，通过对不同假设时的计算结果进行比较，为以后同类工程设计与施工方案制定提供了参考依据。（具体计算过程略）四、 施工分析国贸二期钢支撑支护体系在深大基坑中的应用在北京尚属首次，在施工中存在如下技术难点：1、 钢支撑作为基坑内支护体系尚无国家和行业标准作为组织施工和验收的统一规范。2、 钢支撑内支护体系在北京应用尚属首次，无经验可循。3、 国贸二期工程位于建筑物密集区，为确保周围建筑物安全，变形控制要求严格，
9、需要较高的施工质量和技术上较为灵活的应变能力才可保证。在本工程施工过程中，根据本工程的施工实际并结合以往的深基坑支护施工经验，深入研究，解决了施工技术的关键。第 7 页 共 166 页1、 制定合理的总体施工工艺流程 -3 米以上一层土方开挖护坡桩和型钢立柱施工一层钢支撑型钢立柱牛腿施工-8.5 米以上二层中部土开挖一层钢支撑安装和施加预压力-8.5 米以上二层两端土开挖二层钢支撑型钢立柱牛腿施工-15 米以上三层中部土开挖二层钢支撑安装和施加预压力-15 米以上三层两端土开挖二层钢支撑施工和施加预压力帽梁及预埋件砖挡土墙施工降水井施工第 8 页 共 166 页 2 、 降水方案及其施工根据国
10、贸二期的工程地质资料，对基坑开挖造成影响的地下水有两层,一层为埋深-11.8 -20.5m 的粉细砂、中砂、粗砂、砾石层中的潜水层，另一层为-24.0 -34.0m 的中砂、砾石层中的承压含水层，-20.5 -24.0m 为不透水层。由于基坑开挖深度为 18.6m，基坑四周满布管线，且周围高层建筑较多，若将降水井布置在基坑外，势必会使周围高层建筑物的沉降量加大，建筑物的安全将产生隐患；另外降水井的深度也会加深，降水效果有可能不理想。因此考虑将降水井布置在基坑内，但需解决如下问题：一是降水停止后井口的封堵问题，二是解决可能出现的由护坡桩之间向基坑内渗水的现象，三是在挖土过程中如何防止降水井被土方
11、埋没。为不让承压水对基坑施工产生较大影响，设计拟不打穿隔水层，这样即可减少因降水对周围建筑物沉降的影响，又可减少出水量。根据地质资料地下水位最高可能在-12.0m，因此降水井施工安排在土方开挖至-9.0m 时进行。根据降水计算若将水位降至基底下 0.5米，降水井需井深 14.0m（从-9.0m 起） ，井身直径 0.6 米，井数量38 口，井距约 15 米，降水周期 28 天。锚杆施工和施加预压力四层土方开挖到底第 9 页 共 166 页1) 根据基础底板结构图进行降水井平面布置，避开结构柱、墙和钢支撑立柱。2) 由于土方开挖，降水井井管需逐节随即拆除，所以降水井要注意保护，井口周围土方采用人
12、工清除，避免降水井被土埋死。3) 封井措施：由于降水井位于基坑内，当地下室结构的载荷能抵消地下水的浮力时方可停止降水，降水井井口位于底板内，因此，封井时井口需做特殊处理，处理方法见附图。4）盲沟降排水措施土方开挖至基底时，在基坑周边条形基础下粘土层中挖一条盲沟，第 10 页 共 166 页与降水井相连，沟宽 2000 mm，深 1000 mm，坡度 1%，顶面低于条基底面 300 mm。沟内填以 30-50mm 卵石，用振捣器或小型压路机振实，承载力大于 200Kpa。盲沟施工的同时，用装满沙砾土的草袋填充由于沙土流失而形成的桩间孔洞，根据水量大小，在草袋中插入白塑料管，引导外来水流入盲沟中，再排入降水井内。水量稳定后挂钢丝网片，抹水泥砂浆。经过施工实际检验，以上降排水措施效果很有效，周围建筑物的沉降量在规范允许的范围内，垫层施工在干槽的状态下进行。
