单道异径相切双圆环混凝土内支撑受力特点及施工控制

单道异径相切双圆环混凝土内支撑受力特点及施工控制

平冬冬

上海建工一建集团有限公司  上海   200120

摘要：松软土地区深基坑支护体系通常由竖向围护结构及内支撑组成，在大面

积不规则基坑中以混凝土内支撑应用最为普遍。因圆环式混凝土内支撑有杆件少、

出土面积大、可穿插施工地下结构、施工效率高等优势应用较为广泛。其通过围

檩、辐射撑将基坑外荷载、水土压力转化为圆环梁的轴向压力，有效的利用混凝

土材料的受压特性；圆形对于荷载亦具有扩散效应，相较于其他类型的杆件承载

力更大、受力更优。

关键词：松软土深基坑；单道双圆环混凝土支撑；受力特点；施工控制

The stress characteristics and construction control of the internal support of single-channel reducing tangential double ring concrete

Ping Dong Dong

Shanghai Construction No.1(Group) Co., Ltd., Shanghai 200120, china

Abstract: The support system of deep foundation pit in soft soil area is usually composed of vertical envelope structure and internal support, and concrete internal support is the most common application in large irregular foundation pit. The ring concrete is widely used because of its advantages such as few supporting rods, large excavated area, penetrating underground structure and high construction efficiency. It converts the external load and water and soil pressure of the foundation pit into the axial pressure of the ring beam through the enclosing purlin and radiation support, which effectively utilizes the compression characteristics of concrete materials. The circle also has a diffusion effect on the load, and the bearing capacity is larger and the force is better than that of other types of rods.

Keywords: Soft soil deep foundation pit; Single channel double ring concrete support; Stress characteristics; Construction control

0引言

混凝土内支撑的杆件布置形式通常有正交对撑式、对撑+角撑+边桁架式、圆环式。正交对撑式传力直接，受力单一清楚，在所有平面布置形式的支撑体系中变形控制能力最优，但其缺点也很明显，因其杆件密集对基坑开挖和地下结构的施工常造成极大的不便，施工效率低、周期长、经济性差；对撑+角撑+边桁架式较正交对撑式在工程实际应用中，经济性有了较大提升，通过角撑及边桁架减少了对撑杆件的布设，增大了出土口面积，提高了施工工效。如此也衍生出一种更为简便的圆环式支撑体系，其有着更大出土空间（无支撑空间可达70%左右）、更少的杆件布设，是值得推广应用的一种混凝土内支撑形式。

1 工程背景

1.1建筑及结构概况

背景工程位于江苏省南通市海门区南部新城，用地总面积19022㎡，总建筑面积㎡，地上建筑面积，地下建筑面积。拟建物为1#办公楼（20层）及2#商业裙楼（4层），地下室共2层。办公楼地上结构形式为框架核心筒结构，商业裙楼及地下室均为框架结构。

1.2 基坑环境及支护设计概况

1)环境概况

①背景工程整个地块呈“7字”不规则状，北依南海路，西靠张謇大道，东侧和南侧为先期开发已入住的江城逸品住宅项目一期和三期，基坑面积约16180.94㎡，基坑周长约550m，其中长边长接近190m；基坑工程的南侧毗邻一期住宅51#楼，东侧毗邻二期33#楼、32#楼、商业2#楼，同时基坑周边既有管线布置较多，主要为基坑南侧、西侧及北侧（图4）。

②地质情况：拟建场地地貌类型属长江河口三角洲冲积平原，基坑开挖深度内土质分布如下表：

③水文情况：场地地下水类型主要有浅部土层中的潜水、第⑤1夹层中的微承压水及第⑦层中的承压力水。背景工程地下室埋深约12m，第⑤1夹层层顶埋深约25m，初步估算，第⑤1夹层中的微承压水无突涌的可能。

2）支护设计概况

基坑安全等级为一级，外围护体系大面采用“围护钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水帷幕”的形式，南侧因靠近既有高压线电缆井，施工空间狭小，改用SMW工法桩；周边地面相对标高-1.650m，基础筏板大面垫层底相对标高-11.250m，共有两处降板，一处位于1#办公楼区域（-12.350m），一处位于2#裙房区域（-13.900m），基坑整体挖深9.600m~12.250m。内支撑采用单道异径相切双圆环混凝土支撑，其轴心相对标高-4.650m，距离地面3m，距离坑底6.6m，在基坑竖向剖面图中位于上部1/3处（图5）。

混凝土内支撑的设计形式为相切双圆环+边辐射撑的形式，双圆环通过中部大截面对撑杆建立内部联系，平面内互为稳定。边辐射撑杆件围绕圆环汇交圆心等间距（轴距6m）排列，竖向支撑立柱采用钢立柱，布置间距12m；基坑阴、阳角区均设双向内撑杆或500mm厚补强板。异径相切双圆环中大圆直径90m，杆件截面b*h=1.8*1.0m；小圆直径70m，杆件截面b*h=1.5*1.0m；中部对撑杆件截面b*h=2.0*1.2m；边辐射撑杆件截面有1.0*1.0m、1.2*1.2m两种；围檩截面b*h=1.3*1.0m，混凝土强度等级均为C40。该基坑无支撑面积为63%。

2受力特点分析

2.1圆环式支撑体系的设计：由辐射撑、环梁、中部对撑、立柱及立柱桩共同组成圆环式混凝土内支撑体系，环梁为轴心受压杆件，其他杆件为偏心受压，该基坑不规则的平面形状导致其具有较强的空间效应，故而围护体也同时承受部分坑外水平力，而非全部由内支撑进行平衡；该体系充分利用了圆环的拱体效应、扩散效应，最大限度的发挥出混凝土的受压能力并均匀分布；其整体性较强，双圆平面内互为稳定，必须要体系整体形成才能进行土方开挖或拆除。

2.2分层分区及监测布点

深基坑土方开挖分为两层，首层土方大开挖至内支撑底（挖深3m），待支撑浇筑完毕且达到设计强度的80%，再进行二层土方的开挖，共分为9个区进行（图6）。根据轴力包络图，共设置轴力监测点10个（图7，NL1~NL10，+受拉，-受压）。

2.2内力分析

根据第三方监测单位提供的监测报告，统计各分区在土方开挖、底板浇筑封闭时内支撑的内力数据，分析其受力特点如下：

1）在内支撑养护完成阶段，除NL2、NL8监测点显示为受压外，其他均显示为受拉，说明此时竖向围护结构承担了大部分土压力，极少传递到内支撑；NL2、NL8出现受压是因为其属于角部斜撑杆，产生压力交汇，角部受力仍需要内支撑参与平衡。由此可见，首层土方的开挖同样应先行开挖角部并及时施工角部斜撑，其他区域的土方开挖则可灵活调配，在遵循对称、均衡的前提下，可同步大面积开挖，加快内支撑体系形成。

该阶段支撑杆件拉力的产生，验证了内支撑超静定结构体系，在温度变化、材料收缩等因素下均有可能引起内力（无荷载下产生的自内力），在设计及施工时应予以充分考虑。由表3可知，长度最大的三处杆件大圆环（NL3）、中部对撑杆（NL4）、小圆环（NL5）的初始值与设计控制值的占比，大圆占比5.42%（截面1.8㎡），小圆占比1.87%（截面1.5㎡），而中部对撑杆则达到了44%（截面2.4㎡），则截面越大无荷载状态下产生的自内力越大。

2）当二层土2-1区开挖后，由竖向围护结构承担土压力的工况发生变化，所有的内支撑杆件均开始承受由周边荷载、水土压力对支护结构传导而来的压力,杆件受压。随着开挖的持续进行，杆件轴压力成倍增长，即使在2-1区先行完成底板封闭后，也并没有减缓轴压力增长趋势，在2-2区~2-3区底板浇筑后才呈下降趋势（图9）。因此，只有当所有基础底板闭合形成整体支撑才能起到稳定基坑、减少基坑变形的效果，在地下结构分区划分时，除应快速筑底减少坑底暴露外还应减少基础底板施工间隔时间。

3）基础底板坑中坑位于2-6区、2-8区，对比监测数据，坑中坑的开挖相对于其他区对于支撑轴压力的影响更大；坑中坑的设计面积越大、越深、越靠近外支护结构（应至少保证2m安全距离）对基坑稳定性越不利。由此可见，坑中坑的施工应先行施工，并尽可能的远离支护结构，必要时可以对坑中坑进行水平分层（留置剪力筋），以达到快速筑底的目的，有利于基坑稳定。

4）对比监测数据，NL3、NL4、NL5为受力最大的杆件，其分别对应小圆环、中部对撑杆、大圆环,其在该内支撑体系中属于关键杆件，保证此三根杆件的受力稳定，是保证整个内支撑体系稳定的关键所在。由此可见，关键杆件的设计、施工、监测是判断基坑安全状态的主要指标。

5）大圆环与小圆环各设置了一处轴力监测点，即NL3、NL5,均设置在辐射撑间距的1/2圆环中部位置（图7）。由此可见，圆环各截面段的内力均相等，受力均匀分布。而之所以将监测点避开辐射撑设置，是考虑了辐射撑处剪力、弯矩对于轴力的影响。

6）圆环梁周边的辐射撑轴线均应汇交于圆心，如不汇交，则有可能形成偏心扭矩，导致支撑系统平面内产生相对扭转、漂移，在设计及施工时应着重注意。

2.3内力峰值分析

根据全周期监测报告，筛选出每个内力监测点的峰值，与设计标准值进行对比

1）由表4可知几乎所有的监测点峰值均超过了设计给定的控制值（平均1.795倍，最大为2.86倍），均进入了报警阶段，但现场支撑体系构件并未出现裂缝或明显变形。由此可见,设计给定的轴力标准值富余量较大，从关键杆件NL3~NL5保守估计实际值为设计标准值的1.5倍。

2）大圆直径90m，小圆直径70m，比值为1.29；大圆内力NL3峰值-17623.3KN，小圆内力NL5峰值-14562.1KN，比值为1.21；二者比值呈正比。由此可见，直径越大，挡土范围越大，则承受的压力越大。

3）对比角部斜撑杆件峰值NL2（-9332.4KN）、NL8（-7047.7KN）、NL10（-5379.6KN）可知，角部斜撑杆件越短内力越小；支护阳角区夹角越缓即越接近于拱形，受力越有利，内支撑杆件受力越小（图7）。

4）对比角部内力监测组合点，NL1/NL2与NL7/NL8，均大幅超过设计控制值，一方面反应了基坑角部的应力集中；另一方面也体现了超静定结构内力计算的复杂性，需结合现场实际工况建立模型，并参照前期工程经验数据进行修正。

3施工控制

为确保双圆混凝土内支撑的受力稳定，应在施工阶段对其真圆度、混凝土浇筑质量等方面进行控制，重点如下：

1）测量放样：由于双圆环混凝土内支撑体系较为复杂，现场应采用全站仪进行坐标放样。通过圆内接正多边形，使正多边形周长逼近于圆周长。考虑二次放样精度，将每段圆弧的一次弦长控制在5m以内。故将大圆分割为70个坐标点，小圆50个坐标点，大圆一次弦长4.721m，小圆一次弦长4.350m，三次弦长作为钢筋绑扎及支模控制线；

具体放样步骤：测站建立→圆环坐标点放样→一次弦长+一次弦高→二次弦长+二次弦高→三次弦长；当圆环内坐标点放样完成后，用一次弦长可复核现场实际坐标点的放样精度，当弦长长度偏差超过±8mm时，应重新进行坐标放样。

2)施工缝的留置：内支撑设计为偏心受压杆件，考虑其由腰梁、辐射撑、环梁、

立柱四者共同组成支撑体系，留置施工缝时需要避开上述构件交叉节点及内应力

监测点；还应考虑环梁属于超长构件（大圆周长280m、小圆周长220m），会产

生早期收缩和后期干缩变形，进而导致无荷载内力变化，影响支撑效果；环梁的

分段长度应控制在50m以内，施工缝的位置为环梁一跨中部1/3位置，一个施工

段内的腰梁、辐射撑、环梁均一次施工完毕。

3）轴力监测的控制：

①轴力计的埋设质量，直接影响监测数据的可靠性。如表1 NL2的轴力数值在2-1区土方开挖后仅为+9KN，与其他监测点的数值、受力状态相差甚远，数据失真，这对基坑安全的管控是非常不利的；轴力计连杆与主筋的连接方式有焊接、机械连接两种，由于焊接连接时瞬时温度过高，容易损坏轴力计，一般需要采用湿布包裹并冷水浇灌冷却，质量较难控制，建议现场选用机械连接更为可控。

②轴力监测点周边禁止堆物

③监测数据采集应选择同一温度时段，降低温差对数据的影响。

4）混凝土：双圆环内支撑杆件均属于大体积混凝土，前端应严格控制其配合比、

坍落度，但不建议添加膨胀剂抗裂。浇筑的过程中加强振捣，养护时保湿养护不

少于14d，并根据温控数据，调整养护措施，保证杆件内外温差≯25℃。

5）真圆保持：在双圆环上预埋监测点，全站仪实时收集监测数据，利用尺寸效

应放大圆环每次的变形状态（放大2000倍）可直观的指导现场施工，有利于基

坑的安全控制。

4 结语

圆环式混凝土内支撑结构利用圆环的拱体效应、扩散效应，最大限度的发挥出混凝土的受压能力，在经济性、施工便捷性、结构施工穿插性方面优势明显，松软土地区的不规则基坑尤其适用。其受力状态仍与基坑施工过程中的时间效应、空间效应、长边效应等密切相关，受力体系相对于其他支撑类型更为复杂，受非荷载内力影响较大，整体性要求高，一般无法进行分段作业。圆环式混凝土支撑仍然存在现场养护期等待时间长、拆除时环境污染大、支撑材料无法重复利用的缺点，因此，提高混凝土的早期强度，提高材料的经济性，研究和采用装配式预应力混凝土支撑结构是以后进一步拓展的方向。