针对矩形工作井的可拆式支护体系的设计与应用
王春权，马孝春，王成虎²
（1.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083；2.中国地震局地壳应力研究所，北京100085）
[摘要]矩形工作井支护在保证施工安全的基确上，具有经济、快捷、效率高等特点.设计的支护体系由钢骨架和挡土本板组成.钢骨架采用Q345型低合金钢材，包括柱、横梁、角链接、支撑钢管等.通过结合土压力理论、沉降 理论，利用”二分法”、“极限法”分析体系各部件受力情况，然后对部件的危险截面进行抗弯、抗剪等强度校核，并在北京市通州区永顺村取得良好的应用效果.结果表明，该体系不仅可以安全支护工作井，还具有施工周期短、投资少、可重复利用、空间利用率高等特点，为工作井支护体系的设计与施工提供了一种新的模式.
[关键词]矩形工作井；支护；设计；方案
[中图分类号]TU753；TU990.3 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2016)11-0094-04
Design andApplication ofDetachableSupportingSystem for Rectangular Working Shaft
Wang Chunquan' Ma Xiaochun' Wang Chenghu²
( 1. School aef Engineering and Technology China Uninersity of Geosciences Beijing 100083 China;2. Instizute of Cnustal Dynamics Chine Earthquake Administration Bejing 100085 China)
Abstraet;Rectangular working shaft support is very economical fast highly eficient which is on thebasis of ensuring the construction safety foundation. In this paper the supporting system is posed of asteel skeleton and retaining plank. The steel frame is made of Q345 low alloy steel including column beam angle links supporting steel tube ete. By bining the theory of soil pressue setlement theory using the* dichotony′ and * limit method′ to analyze the force ponents of the system and then makestrength check including anti-bending and shear for the dangerous section of the parts and goodapplication results are achieved in Yongshun Village Tongzhou District of Beijing. The results show thatthe system can ′ t only support the working shaft safely but also has short construction period lowinvestment reuse high space utilization rate which also can provide a new mode for the design and construction of working shaft supporting system.
Key words ; rectangular working shaft;supports ; design; schemes
工作井特点为：①开挖深度、占地面积小，空间利加合适的支护方案.本文系统地介绍了矩形工作时性支护结构.所以支护体系在满足一定安全的条 现有的新型支护方式仍有待优化，需要设计更用率高；②一般安全等级为二级或三级；③是一种临
0引言
井可拆式支护体系的设计理论和结构设计方法，并件下，尽量做到可重复回收利用，降低施工成本.全系数较高，同时施工周期短、投资小，可回收重复层为单元，依靠自身的刚性条件满足工作井稳定性背景相近的工作井支护工程提供设计参考.
在北京市通州区永顺村取得良好的应用效果.设针对以上特点，支护体系在设计上以“矩形、可计的体系满足抗压、抗剪以及沉降等理论要求，安拆、无内撑“为基本准则.其整体框架为钢骨架，以利用，空间利用率高，符合市场的发展需求，为工程的安全需求.挡土结构以木板为首选，采用“垂直挡土板支撑”.
工作井开挖，首先要考虑边坡主动土压力.由于开挖深度较小，在不考虑地下水的情况下，边坡 土压力的计算采用经典的朗肯土压力理论和成层
1支护体系设计理论与方法
构部件均需满足抗拉、抗剪等强度要求，利用“二分 填土中的朗肯土压力理论.设计的支护体系，各结法”来计算横梁的受力（每根横梁所受到的力是由作用在该梁上半个间隔和下半个间隔木板上的主动土压力与作用面积的乘积所得）：利用“极限法“态以及支护体系的最大沉降量. 计算横梁、木板、柱、角链接等构件危险截面受力状
由力的平衡、重心处的力矩平衡以及等比关系得：
(3)
1.1强度校核理论
在极限状态下，对支护体系的柱、横梁、支撑钢管均需要进行抗弯、抗剪校核，其中横梁还需进行压弯校核.角链接只需进行抗剪校核.根据《木结 构设计规范GB50005-2003，挡土木板需进行抗弯、抗剪校核.
结合“极限法”，假定AB段土层均受到均布荷载g=F，一般取附加应力与自重应力的比值为0.2系的最大沉降量S. 的深度处作为沉降计算深度H的界限，计算支护体
受弯构件的抗弯承载能力应满足如下条件：
(1)
1.3设计方案
体系是由钢骨架和挡土木板以及支撑钢管组成.钢骨架包括柱、横梁、支撑钢管、角链接.设计技术路线如图2所示.体系结构如图3所示.
式中：f.为木材抗弯强度设计值（N/mm²）；M为弯矩设计值（Nmm²）；W.为构件的净截面抵抗矩（mm²）.
受弯构件的抗剪承载能力应满足如下条件：
(2)
式中：f.为木材顺纹抗剪强度设计值（N/mm²）：V为剪力设计值（N），荷载作用在梁的顶面，计算受弯构件的剪力V值时，可不考虑在距离支座等于梁截面性矩（mm）；b为构件的截面宽度（mm）；S为剪切 高度范围内荷载的作用；/为构件的毛截面惯面以上的毛截面面积对中和轴的面积矩（mm”）.
1.2沉降理论
支撑钢筋水平插入基坑四面的土体中，外部裸露出部分支撑横梁.由于裸露部分受到垂直向下 的压力G，而打人土体中的部分钢筋L也会受到向下的土压力，所以在土体内部的某一段X受到向上的应力（见图1），a为横梁宽度.为了保证整体的在工作时出现一定量的沉降，但不宜过大，需检验B 支护结构在支护过程中有一定的稳定性，允许B点点处的沉降.
采用文克尔地基模型，假定钢筋为理想化的刚体，不会产生弯曲变形，其受力如图1所示.
图2支护体系设计技术路线
Fig. 2 The design technical route of supporting system
2工程实例应用分析
2.1工程概况
拟建场地位于北京市通州区永顺村，基坑为一矩形基坑，工作面尺寸为6mx5m，开挖深度为5m，地下水较深，不考虑地下水的影响.场地内主要为
图1支撑钢筋受力简图
Fig. 1 The force diagram of bearing bar
表1土层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of soils
土层 取土深 含水量 密度 孔腺比 压缩系数 黏聚力 内摩擦度/m ×/% p/(g-2) e a/(MPa ~) c/kPa 角/(°)质粉土-1 质粉土2 1.505.0 0 1.50 20. 4 22.1 1.95 1.86 0.859 0.872 0. 125 0. 131 30.5 28.4 18.4 19.2
a 剑面
图3支护体系（单位：m）Fig. 3 Supporting system( unit;m)
粉质黏土，由于开挖深度小、地层简单，大体上简化为2种土层，其物理力学参数如表1所示.
2.2钢骨结构设计与分析计算
2.2.1柱的设计与强度校核计算
柱由柱单元组成.单元之间通过螺纹连接，其结构设计参数如表2所示.
对长6m、深5m这个最大受力面进行强度校核.利用”二分法”来计算土压力进而计算横梁作 用在柱上各节点所受到的力.对于柱的支撑端，每个节点处都存在一个支撑，计算这样一个超静定结构极为复杂，如图4a所示，故本处采用“极限法”，即将超静定结构简化为只有3个支撑的结构，如图4b所示，其支撑端受力也采用“二分法”分析，结构 受力简图如图4e所示.
柱体采用Q345型低合金钢材，其许用应力[8]=220MPa，许用剪应力[r]=110MPa，在这种极
图4柱受力分析示意Fig. 4 The force analysis of column
限状态下，经过计算，柱的危险截面的力学参数如表2所示.由表可知，8=<[8]，<[r]，所以柱体满足强度要求. 2.2.2横梁的设计与强度校核计算 横梁主体为工字钢，工字钢两端焊接合适尺寸的矩形体钢块.在工字钢凹面的块面上和钢块另一侧面上，根据角链接螺栓孔的位置确定螺栓孔，并存在六角螺栓孔，横梁的设计参数如表2 所示. 横梁采用Q345型低合金钢材.根据图4c计算，受力中F，=65.43kN最大，因此是最危险处，作用在该处横梁上的均布荷载g=21.81kN/m，横梁危险截面的力学参数如表2所示.由表可知， 轴力F、=54.53kN，简化为一个简支梁，经过计算，<[8]，<[]，<[8]，<[]，所以横梁满足强度要求. 2.2.3角链接的设计与强度校核 垂直钢结构上，横梁的两端坐在突出部分上，并用 角链接是一个复杂的结构体，中间的圆筒套在螺栓、螺母、垫片连接固定，孔的轴心位于所在面的中心线三等分处.角链接的设计参数如表2所示. 长6m横梁的质量m=593.46kg，经过计算，则角链 角链接采用Q345型低合金钢材.其所承受的接的力学参数如表2所示.由表可知，<[]，故满足强度校核. 表2支护体系的结构设计和危险截面力学参数 Table 2The supporting system strueture design and the mechanical parameters of dangerous seetion 结构设计参数 危险面力学参数桂单 上部 下部同 下部 中部圆 内直径 最大 最大 最大 最大柱 单 元高 螺纹长 直径D 柱外 网柱 长1 直径D 柱外 D Mes 弯矩 剪力 正应力 募切力元 60 10 18 10 19 80. 90 113. 62 151 11. 96长I 工字销 高度 限宽 腰宽 腰高 最大弯 最大 剪力 最大正 剪切力 最大 最大许 用压应 用拉应 最大许横 长 d EM Fas 应力8 力 力梁 规格！ 规格2 600 500 540 440 18 18 10 10 4 9 98. 10 1 65.43 196. 2 79.58 200. 53 191.874 9 阳简 -角 链 D D: D D D D D D 半径R 最大剪力F 最大切应力r接 25 5 30 5 5 20 5 20 18 3.76 0.3支撑 长1 外直径D 内直径D 最大弯矩 M... 最大剪力 正应力. 最大弯曲 应力 最大切钢管 500 7 6 0.327 0. 557 21. 46 1.1长1 厚d 最大剪力 最大弯矩 M挡土 木板 Fas Mn600 43 11 10.26 0.99 1.23 1.67 注：表中结构设计参数单位为em，弯矩单位为kNm.剪力单位为kN，应力单位为MPa 挡土木板采用东北落叶松，强度等级为TC，选用“垂直挡土板支撑”、板管交叉”的方式进行支护，挡土本板的设计参数如表2所示. 2.2.4支撑钢管的设计与强度校核 支护体系采用“板管交叉”的形式打人支撑钢管，除去不方便打管的四角，每层可打人44根，支撑钢管的设计参数如表2所示. 根据木板的受力情况分析可知，在最底层支护的木板受到的土压力最大，则其受到的弯矩、剪力 也较其他层木板大，本板受到土压力的有效部分只有0.4m，则木板危险截面的力学参数如表2所示.由表可知， M VS =1.67<1.7 所以木板满足强度校核. "w. 由上述可知，单层的总质量m=mgmg=2441.35kg，总重Gg=2.44×10N，每根钢管承重556.8N，根据钢管规格的设计以及式（3）可得： L =1. 63mX =3. 19mF = 242. 6N/m F =473. 1N/m 3结语 针对目前工作井传统的支护方式和新型支护进行结构设计、安全评价等工作，得到如下结论. 方式中存在的一些问题开展理论分析，对支护体系 计算B侧沉降，采用“极限法”，即认为在钢筋AB段的土层受到一个均布荷载q=F，=473.1N/m，该处采用土层压缩量较大的黏质粉土-2进行计算，在两土层临界面上的钢管沉降量最大，沉降计算深 度H=28cm，沉降量S=13.2cm. 1)矩形工作井的可拆式支护体系由钢骨架和挡土木板两部分组成.钢骨架包括柱、横梁、角链接、挡土木板、支撑钢管等.在支护体系的设计理法”、极限法”，对各部件进行受力分析，确定极限 论中，以土压力理论、沉降理论为基础，结合“二分受力状态下的最大弯矩、最大剪力，对危险截面进行抗弯、抗剪等强度校核. 需要说明的是，13.2em的沉降量是在允许的范围内，是最大沉降量，在拆装支护体系时还存在其他摩擦力、支撑力，沉降一定不会达到此值.因此，此支撑钢管的结构设计从沉降量方面来说合理. 对钢管进行抗弯、抗剪校核，经过计算，其危险截面的力学参数如表2所示.由表可知，<[8]，<[]，所以钢管满足强度要求. 2）工程应用中，对柱体、横梁、支撑钢管、挡土木板需要进行抗弯、抗剪校核，对横梁还另需进行 （下转第121页） 2.3挡土木板的设计与校核 （上接第97页） 参考文献： 图11风力发电塔基座Fig. 11 Pad footing for a wind tower 建了目前全澳最大的风力发电项目，共有4期工 程，2007年完工的是风电场的第1期.该30MW风电场包括20个风力发电机组，平均每年产生电力100GWh，可以满足约16000户的需要. 筋卷网作为风力发电塔的基座配筋.基座厚度 由于工期紧，建筑公司在本工程中采用了钢达1.7m且配筋很多，钢筋卷网的长度和自重刚好满足要求.每块基座共需要12个钢筋卷网：4个14.75m长、钢筋直径32mm、间距300mm，4个6-14.75m的不同长度，另外4个9m长.卷网 由3名钢筋工人在2-3h内吊装、铺放完毕. 除了上述工程项目外，还有苏格兰地区的一座皇家医院，在2009年施工时，1800t钢筋卷网用于65000多m²楼板中. 面积11960m²，由于采用卷网技术，与传统的配筋 在白俄罗斯明斯克，修建1栋5层写字楼，总方法相比，节省钢材约15%、减少安装时间约73%. 压弯组合强度校核，角链接则只进行抗剪校核.由最终计算结果可知，各支护结构均满足强度要求.结合沉降理论，计算支护体系的最大沉降量，其结 果合理. 支护体系依靠自身的结构特点和部件的刚性条件，在极限受力状态下仍满足强度校核条件，安全系数较高，并且空间利用率高，可重复回收利用，提高生产效率. 与传统的施工方式相比，降低施工成本，缩短工期， [1]张磊，王立方.当前深基坑支护工程中的主要施工及管理技 术[J].城市建设理论研究，2012（2）.[2]徐正良，邵理中.地下连续墙法建造大深度顶管工作井[J].[3]魏钢，朱建才，钻孔缴注核在顶管工作井中的应用[J].供 特种结构 1997(4) ：21-24.水技术，2009（4）：50-52.[4]育展青.截污工程顶管工作井沉井法施工[J].广东土木与 建筑 2002( 12) :40-41.[5]夏才安，张豪，陈禹.SMW工法在顶管工程中的应用[J]. 5结语 参考文献： 通过有限元设计软件，可优化板类构件配筋、自动 1）钢筋卷网是源于德国的一种高效钢筋技术，生成图纸并下料生产，运至工地后快速就位铺装.这种卷网最适合大面积基础底板、楼板和连续配筋混凝土路面及桥面的配筋. 与传统手工绑扎相比可节省钢材5%-15%.结合 2）根据国外对不同类型的房屋工程统计，卷网中国情况，预计可省钢筋5%左右，与焊接网相比估计可省钢筋约10%. 缩短现场安装工时60%-70%，且降低工人劳动强度. 3）钢筋卷网大大加快铺网速度，与手工绑扎相比 4）目前，中国还没有钢筋卷网生产厂家，针对中国巨大的各类土建工程项目，如将钢筋卷网与钢筋焊接网结合起来，发挥其各自优势，因工程制宜，将在建筑、路桥工程及其他领域取得良好效果. [ 1 ]Concrete reinforoement-* on a roll° [ J]. Concrete 2010 44[ 2 NICK C NEIL W. Reinforcement and accessories owenview[ J]. (9) :63-64.Concmte 2001 35(3) :29-31.[ 3 ] Naticmal Trechnical Appewal No Z-1. 8-252 [ S ] . Dhutbaehes Institut fir Bautechnik 2015.[ 4 ] Ready to rol[ J]. New civil engineer 2011 (3) ; 3840.[ 5 New apications fox bmtee nebar caet systen [ J ] Australin concrete conslrsction 2006 19 (2) : 19.[ 6 ] Baee help nll t af Autrlia′ s bigst vind toer prjc1[J]. Australian crele construction 2005 18(10) : 22. 浙江工业大学学报，2001，29(2)：103-106. [6]白妹，龙连军，钢筋混凝土喷锚逆作法支护技术在顶管工作井[7]黄学刚小直径具形基坑支护结构设计及其力学性能分析 中的应用[J].华北水利水电学院学报 2001，22（4）；22-24.[D].北京：中国地质大学（北京） 2013.[8]孙景军，可重复利用工作井支护技术研究[D].北京：中国 地反大学（北京），2012.[9]绪新，杨生彬.王冬海，密排大口径排水管道顶管施工技术[10]张丽君，刘输林，李家稳，等工法桩在地道桥工作坑支护 [J]. 探矿工程：岩土钻据工程 2005 32(6) ;21-23.[11]严日荣，沉井与搅拌桩在顶管工程中的应用[J].岩土工程 中的应用探讨[J]-山西建筑 2013 39(9);151-153.界 2005(7) :79-80.[12]党玲博，张雷顺，内撑式深基坑支护结构分析与方案选择 [J].力学与窦践 2012 34(4) ： 45.48.[13]刘鸿文.材料力学[M]-北京：高等教育出版社，2008[14]中国建筑西南设计研究院.木结构设计规范；GB50005-2003 （2005年版）[S].北京;中国建筑工业出版社 2006.[15]陈仲颐，周景星，王洪瑾，土力学[M].北京；清华大学出版[16]刘大为.对材料许用剪应力的研究[J].甘肃科学学报， 社 2011.2008 (4) ;64-66.
