基于八字工字钢的基坑支护体系及其构建方法与流程

1.本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种基于八字工字钢的基坑支护体系及其构建方法。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，为引导城市合理布局和有序发展，各类紧邻既有构筑物的基坑工程不断涌现，此类基坑工程一般工期要求紧、安全要求高，目前常规的基坑钢支撑间距太小（一般情况，第一道钢支撑间距为3m，第二道为6m），导致内支撑数量过多，施工架设与后期拆除时间较长，基坑侧壁临空时间过长，施工作业空间小，对基坑安全与整体工期都有一定影响，存在一定的安全隐患，越来越不适应目前高效、节能、绿色、环保的新基建实施标准，不符合建设资源节约型、环境友好型社会的基本需求。
3.目前，在绿色、环保理念下，工程建设过程中的环境保护问题越来越得到重视，采用更加高效、安全的新型钢支撑体系，是基坑工程有效缩短工期、提升安全保障的有效手段，会得到更加普遍的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于八字工字钢的基坑支护体系及其构建方法，设计一端或两端八字型工字钢新型内支撑，有效减少内支撑数量，提高每道钢支撑作用范围，缩短基坑侧墙临空范围与临空时间，确保基坑位移得到有效控制，给施工机械更多的操作空间，实现更加高效、节约的基坑钢支撑体系。
5.本发明所采用的技术方案为：基于八字工字钢的基坑支护体系，其特征在于：所述体系包括基坑内水平向设置的内支撑，内支撑包括八字型工字钢支撑与钢管撑两个节段；八字型工字钢支撑包括对撑及对撑两侧对称设置的斜撑；斜撑一端固定到基坑内的围檩或冠梁，另一端固定到对撑侧面；对撑一端固定到基坑内的围檩或冠梁，另一端与钢管撑连接；钢管撑的另一端通过活络头固定到基坑内的围檩或冠梁。
6.对撑与斜撑均为工字钢，斜撑端部与对撑侧面之间通过预埋钢板刚性连接，斜撑与对撑上下翼缘之间对称设置有加劲钢板。
7.对撑和斜撑的端部均通过方形钢板固定到基坑内的围檩或冠梁。
8.对撑端部通过法兰盘与钢管撑连接，组成水平向有效传力的支撑构件。
9.钢管撑端部通过法兰盘与活络头连接，活络头包括端部传力后靠、两组千斤顶、上部齿口、下部齿口与下部支撑钢板；千斤顶位于法兰盘外侧并设置在上部齿口和下部齿口之间，端部传力后靠位于千斤顶外端，端部传力后靠外端紧靠基坑内的围檩或冠梁，端部传力后靠与围檩或冠梁外侧
的围护桩之间设置有斜向的防掉落钢索；下部支撑钢板固定到基坑内的围檩或冠梁，端部传力后靠位于下部支撑钢板上方。
10.千斤顶和端部传力后靠之间设置有楔块，千斤顶底部与下部支撑钢板之间设置有槽型刚垫块。
11.基坑内同一标高位置，内支撑间隔水平向均匀布置，相邻内支撑的八字型工字钢支撑与钢管撑左右交替布置；在竖直方向，同一位置内支撑的八字型工字钢支撑与钢管撑布置规律一致。
12.钢管撑为多节钢管，各节之间通过法兰盘连接。
13.活络头与钢管撑相接区域，设置有加劲板。
14.如所述的基于八字工字钢的基坑支护体系的构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：根据设计要求，进行基坑放线定位、确定基坑开挖轮廓，随后根据基坑轮廓外放要求进行围护桩的定位与施工；步骤二：施工降水，按照基坑整体开挖时序进行土方开挖，当围护桩暴露一定范围后，及时进行挂网、喷混，条件具备时及时安装围檩或冠梁；步骤三：在基坑场地内预先进行八字工字钢的制作，按设计长度截取对撑与斜撑，按钢板具体尺寸要求进行加劲钢板、加劲板、方形钢板、预埋钢板的制作，随后按要求将加劲钢板与工字钢进行焊接，将方形钢板在既定位置与围檩或冠梁进行有效连接；步骤四：将对撑与法兰盘进行有效焊接，形成端部带连接法兰的对撑结构；在对撑另一端焊接方形钢板，在斜撑两端焊接方形钢板；步骤五：将预埋钢板焊接在对撑预定位置，将对撑与斜撑进行有效焊接；步骤六：按基坑宽度、对撑与活络头长度确定钢管撑所需总长度，按既定分段长度确定钢管撑数量；步骤七：在基坑既定高度位置预埋活络头下部支撑钢板，并按要求在围护桩相应位置埋设防掉落钢索；根据千斤顶、活络头上部齿口与下部齿口、活络端部传力后靠以及下部支撑钢板上方的槽型钢垫块情况，及时安装活络头，根据活络头轴力预加情况，及时放置楔块，并在传力位置提前焊接加劲板；步骤八：将八字工字钢支撑“八字”端通过已焊接的方形钢板与围檩或冠梁进行连接，随后将其与钢管撑、活络头通过端部法兰盘进行机械连接，形成一道完整的内支撑；步骤九：钢管撑端部的法兰盘包括圆形钢板，钢板上间隔布置螺栓孔，随后利用高强度螺栓进行机械连接；步骤十：按设计要求，对活络头施加预加轴力，根据情况适时补充楔块，确保内支撑体系受力稳定；步骤十一：随着基坑的进一步开挖，按照竖向相同、水平向钢管撑与八字工字钢支撑左右交替布置的原则，进行其余内支撑架设，直至完成基坑开挖施工。
15.本发明具有以下优点：本发明提供了一种基于八字工字钢的基坑内支撑体系。基坑内每道钢支撑由一个八字工字钢支撑、一个活络头与数段钢管撑组成，新型八字工字钢与支撑接头法兰盘涉及
的钢板为常规q345钢材，围护桩涉及的混凝土为普通c30或c35混凝土，涉及的钢筋为普通hrb400受力钢筋，其余钢管撑、钢围檩、活络头等涉及的钢材也为普通q345钢材。支撑的架设、活络头的预加轴力等与常规基坑钢支撑体系一致，八字工字钢支撑与围檩相接处均设置连接钢板，确保有效传力，八字工字钢支撑与钢管撑之间通过支撑端部法兰盘机械连接，方便现场实施，其设计尺寸为常规类型，简单易作，施工工艺成熟，所涉及的支撑架设用辅助设施均为常规设备；基坑内支撑可以按照一端八字工字钢设计，也可以采用两端八字工字钢型式，将活络头移至钢管撑中部位置；八字钢支撑的斜撑与对撑一般呈45
°
夹角，也可根据需要灵活调整，实现水平向内支撑间距至少增大1倍目的，同时确保了现场基坑侧壁得的有效、及时的支护，经济技术效益显著。
16.随着基坑的开挖，基坑侧壁受到的水土压力将会越来越大，具备条件时需要及时架设内支撑，抑制可能出现的地层位移，常规水平向二至三道钢支撑的作用区域，可以被一道八字钢支撑替代，实现了高效、节约的内支撑方案设计。同时，内支撑的间距与作用范围，还可以通过斜撑与对撑之间的夹角灵活调整，再加上支撑端部与围檩的连接、每段支撑之间的连接，都是常规、可靠的焊接或机械连接，因此可最大程度实现减小基坑钢支撑数量、提高内支撑作用效率、减少基坑变形与安全风险，减少工程投资与周边环境安全风险。本发明具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、市政工程、民用建筑等地下大空间工程中有广泛的应用前景。
附图说明
17.图1为钢支撑平面布置图。
18.图2 为支撑端部法兰盘断面图（1
‑
1）。
19.图3 为工字钢
‑
对撑图。
20.图4为工字钢
‑
斜撑图。
21.图5为钢支撑活络头俯视图。
22.图6为钢支撑活络头断面图（a
‑
a）。
23.图中，1
‑
围护桩，2
‑
围檩（或冠梁），3
‑
活络头，4
‑
钢管撑，5
‑
对撑，6
‑
斜撑，7
‑
法兰盘，8
‑
方形钢板，9
‑
圆形钢板，10
‑
螺栓孔，11
‑
预埋钢板，12
‑
加劲钢板，13
‑
千斤顶，14
‑
上部齿口，15
‑
下部齿口，16
‑
端部传力后靠，17
‑
防掉落钢索，18
‑
槽型刚垫块，19
‑
下部支撑钢板，20
‑
楔块，21
‑
加劲板。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
25.本发明涉及一种基于八字工字钢的基坑支护体系，所述体系包括基坑内水平向设置的内支撑，基坑内支撑包括八字型工字钢支撑与钢管撑4两个节段；八字型工字钢支撑包括对撑5及对撑5两侧对称布置的斜撑6；斜撑6一端固定到基坑内的围檩2或冠梁，另一端固定到对撑5侧面；对撑5一端固定到基坑内的围檩2或冠梁，另一端与钢管撑4机械连接；钢管撑4的另一端通过活络头3固定到基坑内的围檩2或冠梁。
26.对撑5与斜撑6均为工字钢，斜撑6端部与对撑5侧面之间通过预埋钢板11刚性连接，斜撑6与对撑5上下翼缘之间对称设置有加劲钢板12。
27.对撑5和斜撑6的端部均通过焊接的方形钢板8固定到基坑内的围檩2或冠梁。对撑5端部通过法兰盘7与钢管撑4机械连接，组成水平向有效传力的支撑构件。
28.钢管撑4端部通过法兰盘7与活络头3连接，活络头3包括端部传力后靠16、两组千斤顶13、上部齿口14、下部齿口15与下部支撑钢板19；千斤顶13位于法兰盘7外侧并设置在上部齿口14和下部齿口15之间，端部传力后靠16位于千斤顶13外端，端部传力后靠16外端紧靠基坑内的围檩2或冠梁，端部传力后靠16与围檩2或冠梁外侧的围护桩1之间设置有斜向的防掉落钢索17；下部支撑钢板19固定到基坑内的围檩2或冠梁，端部传力后靠16位于下部支撑钢板19上方。千斤顶13和端部传力后靠16之间设置有楔块20，千斤顶13底部与下部支撑钢板19之间设置有槽型刚垫块18。活络头3与钢管撑4相接区域，设置有加劲板21。
29.基坑内同一标高位置，内支撑按一定间距水平向均匀布置，相邻内支撑的八字型工字钢支撑与钢管撑4左右交替布置，内支撑数量至少可减小为常规内支撑布置方式的一半；在竖直方向，同一位置内支撑的八字型工字钢支撑与钢管撑4布置规律一致。
30.钢管撑4为多节钢管，各节之间通过法兰盘7机械连接。
31.所述的基于八字工字钢的基坑支护体系的构建方法为，针对常规基坑内支撑以钢管撑4为主的情况，将钢管撑4一端或两端替换成八字工字钢，对撑5与钢管撑4位于同一轴线，斜撑6与对撑5呈一定夹角，扩大内支撑端部支撑作用范围。活络头3为常规基坑内支撑涉及的轴力预加装置，活络头3与钢管撑4之间、钢管撑4与八字工字钢之间的连接均采用法兰盘7处理，八字工字钢与基坑围檩2或冠梁之间、工字钢之间连接均采用预埋钢板8连接。具体包括以下步骤：步骤一：根据设计要求，进行基坑放线定位、确定基坑开挖轮廓，随后根据基坑轮廓外放要求进行围护桩1的定位与施工；步骤二：施工降水，按照基坑整体开挖时序进行土方开挖，当围护桩1暴露一定范围后，及时进行挂网、喷混，条件具备时及时安装围檩2或冠梁；步骤三：在基坑场地内预先进行八字工字钢的制作，按设计长度截取对撑5与斜撑6，按钢板具体尺寸要求进行加劲钢板12、加劲板21、方形钢板8、预埋钢板11的制作，随后按要求将加劲钢板12与工字钢进行焊接，将方形钢板8在既定位置与围檩2或冠梁进行有效连接；步骤四：将对撑5与法兰盘7进行有效焊接，形成端部带连接法兰的对撑结构；在对撑5另一端焊接方形钢板8，在斜撑6两端焊接方形钢板8；步骤五：将预埋钢板（11）焊接在对撑5预定位置，将对撑5与斜撑6进行有效焊接；步骤六：按基坑宽度、对撑5与活络头3长度确定钢管撑4所需总长度，按既定分段长度确定钢管撑4数量；步骤七：在基坑既定高度位置预埋活络头下部支撑钢板19，并按要求在围护桩1相应位置埋设防掉落钢索17；根据千斤顶13、活络头上部齿口14与下部齿口15、活络端部传力后靠16以及下部支撑钢板19上方的槽型钢垫块18情况，及时安装活络头3，根据活络头3轴力预加情况，及时放置楔块20，并在传力位置提前焊接加劲板21；步骤八：将八字工字钢支撑“八字”端通过已焊接的方形钢板8与围檩2或冠梁进行连接，随后将其与钢管撑4、活络头3通过端部法兰盘7进行机械连接，形成一道完整的内支撑；
步骤九：钢管撑4端部的法兰盘7包括圆形钢板9，钢板上间隔布置螺栓孔10，随后利用高强度螺栓进行机械连接；步骤十：按设计要求，对活络头3施加预加轴力，根据情况适时补充楔块20，确保内支撑体系受力稳定；步骤十一：随着基坑的进一步开挖，按照竖向相同、水平向钢管撑4与八字工字钢支撑左右交替布置的原则，进行其余内支撑架设，直至完成基坑开挖施工。
32.参见附图对本发明进行进一步详细说明：本发明涉及对常规基坑钢支撑体系的调整，将常规钢管撑4调整为一端钢管撑4，一端八字工字钢内支撑型式（或两端均为八字钢内支撑型式）。八字工字钢与钢管撑4之间采用法兰盘7机械连接，八字工字钢由对撑5与斜撑6组成，两者水平向夹角约为45
°
，钢管撑4与围檩2或冠梁之间设置活络头3，由活络头3的调整实现内支撑轴力的施加，基于斜撑6对基坑侧边的作用范围，实现增大钢管撑4水平间距，进而减小基坑内支撑数量的目的。
33.八字工字钢与钢管撑4的长度可根据现场情况调整，活络头3设置于钢管撑4一侧，当内支撑两端均采用八字工字钢型式时，钢管撑4与活络头3可设置于支撑中部，此时内支撑间距可增大为常规布置方式的3倍。
34.工字钢与钢管撑4的分段长度可按现场机械吊装能力与市场供应情况灵活调整，一般工字钢分段长度控制在2m左右，钢管撑4分段长度控制在4m左右，内支撑活络头3的构造与固定方式，与常规基坑钢支撑类似。
35.本发明将导致钢管撑4承受的水平向荷载增大至常规钢支撑布置方式的2
‑
3倍，因此对内支撑刚度与轴向承载力提出了较高的要求，同时对现场内支撑架设精度也提出了较高的要求，因此钢管撑4可根据情况采用直径800mm、壁厚16mm或20mm的钢管，同时安装精度应控制在1/1500（纵向弯曲），法兰盘7端部垂直度偏差控制在1mm以内，法兰端平行度偏差与法兰面贴合度控制在2mm以内，确保轴向有效传力。
36.本发明涉及的八字工字钢斜撑6与对撑5之间夹角按45
°
考虑，此时斜撑6与对撑5轴力相同，均为钢管撑4轴力的一半，内支撑轴力的设计安全系数应控制在2左右，据此进行工字钢截面尺寸与加劲板12加强方案的设计，一般工字钢可按工20考虑，相邻加劲板12间距可按200mm左右考虑。
37.对撑5、斜撑6与围檩2或冠梁相接处均采用预埋钢板8连接，考虑到斜撑6沿基坑纵向的分力影响，因此在围檩2或冠梁背后、围护桩1之间相应位置设置抗剪键，满足围檩2或冠梁受力稳定性要求。
38.本发明中，新型八字工字钢与支撑接头法兰盘涉及的钢板为常规q345钢材，围护桩涉及的混凝土为普通c30或c35混凝土，涉及的钢筋为普通hrb400受力钢筋，其余钢管撑、钢围檩、活络头等涉及的钢材也为普通q345钢材。
39.基坑内支撑水平向间距与支撑数量，主要取决于八字工字钢斜撑角度设置，即45
°
夹角可实现内支撑间距扩大一倍，如果支撑两端均采用八字工字钢、中部采用钢管撑4型式，则内支撑间距可进一步增大到3倍，实际工程中可根据支撑轴力与现场情况灵活调整。
40.对于基坑相同深度的每道内支撑，前后相邻内支撑的钢管撑4与八字工字钢左右交替布置，即可实现相邻内支撑间距增加一倍，即基坑内支撑数量可减小为常规内支撑布置方式的一半。如果每道内支撑两端均采用八字工字钢型式，在支撑受力满足要求的情况
下，则基坑内支撑数量可减小为常规内支撑布置方式的三分之一。
41.本发明涉及的钢管撑4与八字工字钢计尺寸为常规类型，简单易作，施工工艺成熟，焊接与支撑吊装用辅助设施均为常规设备。
42.本发明具有设计简单、简洁易作、施工成本低廉、工艺简便且质量易于现场施工的优点。实现了基于八字工字钢的新型基坑钢支撑技术，实现了及时加载、有效支护，加大支撑间距、减少支撑数量、节省工程投资的愿景，并在一定程度上可以根据需要及时调整钢支撑数量，实现了更加节约、有效的新型基坑支护体系。
43.本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。