深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐軸力的監(jiān)測(cè)及分析

牟亞洲

(中鐵十三局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東深圳 518083)

隨著我國(guó)城市地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展,明挖地鐵車站工程也越來越多。內(nèi)撐式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,受力明確,施工可操作性強(qiáng)、進(jìn)度快,鋼支撐系統(tǒng)可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛的應(yīng)用[1]。多數(shù)地鐵車站處于復(fù)雜地質(zhì)條件和高風(fēng)險(xiǎn)的周圍環(huán)境中,施工中往往需要嚴(yán)格控制基坑的穩(wěn)定與變形。保證內(nèi)支撐起到預(yù)加壓力的力學(xué)作用才能有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此,鋼支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)成為實(shí)現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵因素[2，3]。內(nèi)支撐體系如果缺乏正確的設(shè)計(jì)、計(jì)算分析或在施工中沒有采取必要的技術(shù)措施,就很容易導(dǎo)致基坑塌方、支護(hù)失效,并對(duì)附近建筑、道路、管網(wǎng)等造成嚴(yán)重的影響。

必須充分了解影響鋼支撐內(nèi)力的影響因素,在施工過程中對(duì)鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè),時(shí)時(shí)明確支撐體系的受力狀態(tài)確保其安全工作,在鋼支撐軸力有異常增大時(shí)提出相應(yīng)的措施,確保其不失穩(wěn)并安全地工作,事故是可以避免的[3]。

通過實(shí)際工程鋼支撐的軸力監(jiān)測(cè)及分析,擬探討深基坑內(nèi)支撐的受力變化規(guī)律以及用支撐軸力進(jìn)行信息反饋的方法。

1 工程概況

深圳地鐵2號(hào)線東延線蓮花山西站位于新洲路與紅荔西路交叉路口東南角的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)內(nèi),車站南端橫跨福中一路,與新洲路呈約21°夾角,車站大致呈南北走向,為地下2層島式站臺(tái)車站,基坑總長(zhǎng)177.3 m,深18.3～20.05 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬19.1 m。車站基坑周圍環(huán)境較為復(fù)雜,東南側(cè)緊鄰多棟建筑物,西側(cè)及北側(cè)為城市主干道路。車站基坑還緊鄰電纜隧道、燃?xì)夤?、電信管、給水管、雨水管、污水管等復(fù)雜管網(wǎng)。

車站范圍上覆地層為第四紀(jì)全新統(tǒng)人工填筑土、沖洪積粉質(zhì)黏土及砂層,殘積黏性土層,下伏基巖為震旦系花崗片麻巖。地下水主要有第四紀(jì)孔隙水、基巖裂隙水,地下水埋深2.7～6.5 m,含水層厚度3.2～11.0 m,主要由大氣降水補(bǔ)給,水量較豐富,局部微承壓。

花崗巖、花崗片麻巖殘積層及全風(fēng)化層具有遇水軟化、崩解,強(qiáng)度急劇降低的特點(diǎn)；花崗巖、花崗片麻巖殘積土層中,當(dāng)動(dòng)水壓力過大時(shí),容易產(chǎn)生管涌、流土等滲透變形現(xiàn)象。

車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻,基本墻幅寬度采用6 m,墻幅間接頭采用鎖口管?；觾?nèi)支撐水平間距一般按3 m考慮,豎向按4道支撐設(shè)置,基坑除南段第1道采用橫截面尺寸為600 mm×800 mm的鋼筋混凝土支撐外,其余支撐均采用外徑φ609 mm、壁厚t=16 mm的Q235鋼管支撐。地下連續(xù)墻插入深度：中風(fēng)化2.5 m,強(qiáng)風(fēng)化4.5 m,全風(fēng)化及其余土層6 m。

2 內(nèi)支撐軸力測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)方法

車站主體基坑內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)布置13個(gè)斷面,剖面上有4道支撐的,也有3道支撐的,共布置48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),見圖1。

圖1 內(nèi)支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

軸力監(jiān)測(cè)采用弦式應(yīng)變計(jì),每個(gè)鋼支撐端頭1～2 m范圍內(nèi)沿支撐軸線對(duì)稱安裝2個(gè)應(yīng)變計(jì)。當(dāng)鋼支撐在地面上時(shí)就把應(yīng)變計(jì)安裝上,并測(cè)初始溫度及初始頻率值,當(dāng)鋼支撐安裝到對(duì)應(yīng)道數(shù)支撐位置上待支撐預(yù)加力加完后,鋼支撐開始工作時(shí),監(jiān)測(cè)工作初始頻率。通過每天應(yīng)變計(jì)的頻率變化來判斷鋼支撐軸力變化情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的平均應(yīng)變可按下式計(jì)算鋼支撐軸力

N=EsεsAs

式中N——鋼支撐軸力，N；

Es——鋼支撐的彈性模量,取Es=2.0×105(N/mm2)；

ε——監(jiān)測(cè)斷面處實(shí)測(cè)平均應(yīng)變值；

As——鋼支撐截面面積，mm。

3 內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)信息反饋及分析

3.1 支撐軸力歷時(shí)變化規(guī)律

通過對(duì)本工程測(cè)得的支撐軸力歷時(shí)變化的分析,可知：內(nèi)支撐軸力隨時(shí)間的變化是增長(zhǎng)穩(wěn)定型的,即鋼支撐架設(shè)后隨著預(yù)加應(yīng)力的施加及開挖深度的增加,軸力快速增加并達(dá)到最大值,然后基本穩(wěn)定在該量值,保持不變，說明鋼支撐起到很好的力學(xué)作用,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及變形控制起到了很好的支撐作用。以下給出3個(gè)斷面的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果。

(1)ZC-67支撐軸力監(jiān)測(cè)斷面

該斷面的支撐為21.5 m長(zhǎng)的斜支撐,4道支撐均為鋼管支撐。監(jiān)測(cè)得到的4道支撐的軸力歷時(shí)變化如圖2所示。圖中ZC1、ZC2、ZC3、ZC4分別表示第1至4道支撐的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果。以第3道支撐為例,2009年1月6日安裝后受力較小,隨著開挖深度的增加和第4道支撐的安裝,其受力明顯增大,開挖階段每天以48 kN速度增大,開挖到基底高程后,最大達(dá)到1 977 kN,然后基本穩(wěn)定在該量值。

圖2 ZC-67監(jiān)測(cè)斷面支撐軸力歷時(shí)變化曲線

(2)ZC-65支撐軸力監(jiān)測(cè)斷面

該斷面的鋼支撐為19 m長(zhǎng)的直支撐,4道支撐均為鋼管支撐。監(jiān)測(cè)得到的4道支撐的軸力歷時(shí)變化如圖3所示。該斷面支撐軸力與ZC-67鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果有相同的規(guī)律,從軸力變化圖可以看出,第2道支撐受力最大,最大軸力值為1 365 kN。

圖3 ZC-65監(jiān)測(cè)斷面支撐軸力歷時(shí)變化曲線

(3)ZC-51支撐軸力監(jiān)測(cè)斷面

該斷面支撐為18 m長(zhǎng)的直支撐,4道支撐均為鋼管支撐。監(jiān)測(cè)得到的4道支撐的軸力歷時(shí)變化如圖4所示。該斷面支撐軸力與上述2個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果也有相同的規(guī)律,從軸力變化圖可以看出,第3道支撐受力最大,最大軸力值為1 761 kN。

圖4 ZC-51監(jiān)測(cè)斷面支撐軸力歷時(shí)變化曲線

3.2 支撐軸力異常情況的信息反饋

ZC-34斷面支撐為18 m長(zhǎng)的直支撐,4道支撐均為鋼管支撐。監(jiān)測(cè)得到的4道支撐的軸力歷時(shí)變化如圖5所示。其中第4道支撐于2009年3月18日安裝,安裝后的20多天時(shí)間內(nèi)受力平穩(wěn)增加,但在2009年4月10日,支撐軸力突然增大,支撐軸力達(dá)到2 541 kN。經(jīng)觀察分析發(fā)現(xiàn),本段連續(xù)墻有漏水情況,還有地面有土方運(yùn)輸汽車排隊(duì)行駛,動(dòng)荷載比較大。后經(jīng)過信息反饋,經(jīng)過對(duì)地層進(jìn)行注漿加固,并對(duì)運(yùn)輸車輛采取限行措施,支撐軸力又趨于穩(wěn)定。

圖5 ZC-34監(jiān)測(cè)斷面支撐軸力歷時(shí)變化曲線

3.3 支撐軸力的統(tǒng)計(jì)分析

本工程基坑內(nèi)撐式鋼支撐有長(zhǎng)有短,也有斜支撐。為了分析各類支撐工作性能與工作形態(tài)之間的關(guān)系,規(guī)定≥20 m長(zhǎng)的支撐歸類為長(zhǎng)支撐,≥10°角度的支撐歸類于斜支撐。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況,對(duì)比各類型鋼支撐受力特點(diǎn)及各分段道數(shù)鋼支撐軸力,列出了13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大軸力值及平均軸力值,見表1。

表1 鋼支撐軸力統(tǒng)計(jì)分析

從表1可知：

(1)基坑中下部支撐受力較大,第3道支撐受力最大,第4道支撐雖然架設(shè)最晚,但也受到較大的軸力。

(2)斜支撐的受力總體上較直支撐小,因?yàn)樾敝尾贾迷诨拥亩瞬哭D(zhuǎn)角處,空間作用明顯。

(3)短支撐和長(zhǎng)支撐的受力水平?jīng)]有明顯差別,因?yàn)殚L(zhǎng)支撐雖然中間有立柱支撐分成多跨,但聯(lián)接很弱,對(duì)長(zhǎng)支撐軸向受力影響有限。

4 結(jié)論

(1)內(nèi)支撐軸力隨時(shí)間的變化是增長(zhǎng)穩(wěn)定型的,即鋼支撐架設(shè)后隨著預(yù)加應(yīng)力的施加及開挖深度的增加,軸力快速增加并達(dá)到最大值,然后基本穩(wěn)定在該量值,保持不變,較為穩(wěn)定。

(2)通過監(jiān)測(cè)得到的鋼支撐軸力突變,可以對(duì)影響基坑穩(wěn)定狀態(tài)的異常情況起到信息反饋的作用。

(3)基坑下部支撐受力較大,第3道支撐受力最大,第4道支撐雖然架設(shè)最晚,但也受到較大的軸力。斜支撐的受力總體上較直支撐小,短支撐和長(zhǎng)支撐的受力水平?jīng)]有明顯差別。

[1] 李春輝.鋼支撐在明挖地鐵車站中的應(yīng)用和受力分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 王光明,蕭 巖,盧常亙.深基坑鋼支撐施加預(yù)加軸力的合理數(shù)值分析[J].市政技術(shù),2006,24(5):336-339.

[3] 張明聚,由海亮,杜修力,等.北京地鐵某車站明挖基坑施工監(jiān)測(cè)分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(10)：874-878.

[4] 姚燕明,周順華,孫 巍,等.支撐剛度及預(yù)加軸力對(duì)基坑變形和內(nèi)力的影響[J].地下空間,2006,23(4)：401-404.