某地铁基坑钢支撑轴力异常原因分析

许 阳 杨金品 何良盛

（中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088）

0 引言

某地铁明挖区间基坑宽度为变宽19m～20m，深18m，主要位于密实卵石土区域。该基坑围护结构采用围护桩+内支撑结构，共设置3道∅609(t=16)钢支撑。

钢支撑轴力监测采用振弦式轴力计，在夏季开挖阶段，第一层部分钢支撑轴力测值出现轴力监测数据异常，而其余监测项目数值稳定的情况，轴力监测已不能准确反映基坑实际工作状况。拟对支撑轴力异常情况进行分析。

1 轴力计原理分析

振弦式轴力计的工作原理是当轴力计受力，引起内置钢弦变化，而钢弦自振频率与张拉力的开平方成正比关系，通过测试钢弦自振频率，即可得到轴力计所受力的大小。钢弦频率与钢弦应力之间的关系如下：

式中

f—钢弦自振频率；L—钢弦长度；

日常监测中，轴力计生产厂家会提供各轴力计标定系数K，通过标定系数K与初始频率换算可得到支撑轴力。计算公式如下：

式中

N—钢支撑轴力(kN)；f—监测频率(Hz)；

f0—初始频率(Hz)；—标定系数（kN/Hz2）。

不同元器件厂商提供的标定系数正负符号不同，计算公共存在差异，本文采用K值为负的轴力计算公式。

2 数值异常变化量

本次监测过程中发现轴力监测出现异常波动，为分析其波动原因，在施工进度较平缓，无大量土体开挖时，对一处异常点轴力进行分时段对比监测，数据统计如下。

图1 监测数据统计表

监测数据显示，同时段监测轴力变化总体趋势正常稳定，随施工工况产生正常的波动。而不同时段的监测值差为80.56～138.20kN，平均轴力差为108.93kN。

3 异常原因分析

钢支撑采用Q235钢材，线膨胀系数为1.2×10-5/℃，因第一道支撑位于冠梁上，刚度较大，且桩顶水平位移监测数据稳定，故假定其在钢支撑温度力影响下不发生变形，则其转化的温度力计算如下：

式中

F—由温度变化产生的轴力变化（kN）；a1—Q235钢线膨胀系数，取1.2×10-5/℃； —温度差（℃）；E—钢支撑弹性模量，取2.06kN/mm2；A—钢支撑截面面积（mm2）。

将本项目相关数据带入公式计算得，温度每升高1℃，轴力增加约3kN，钢材比热容较大，表面温度高于气温，加密监测阶段表面温度最大可达约60℃，与早上温差约40℃。最大轴力变化计算值约为118kN。

与实测值进行分析对比发现，平均轴力差为108.93kN，略小于计算值，经分析，假定中默认钢支撑为轴心受压构件，在实际安装过程中，钢支撑焊接不会完全同心，且基坑为变宽，轴力计接触面未做处理，钢支撑轴力计不能与冠梁侧面密贴。因安装问题导致的轴力计偏心受压，使部分温度力已释放，实际略小于理论值。且每日最高表面温度存在一定差异，对结果也存在一定影响。

4 结论

温度对钢支撑轴力监测存在较大影响，且轴力计的安装效果也会在一定程度上影响监测值的稳定。

钢支撑作为围护结构体系中的重要部分，监测应尽量准确，现阶段对钢支撑轴力监测的工作情况主要由监测单位进行分析，而分析的过程主要是简单地与设计提供控制值进行对比，这种分析方法并不能准确地分析出钢支撑的工作状况。为了不发生报假警，也不能漏报警，在数据分析中应尽量消除各方面的影响。

首先设计提供轴力监测控制值时，应将施工阶段钢支撑正常工作状态中的温度梯度纳入考虑范围，给控制值提供计算依据。

其次，在支撑轴力监测过程中，为消除温度影响，大部分监测单位都做到了固定仪器固定时段，但实际固定时段并不一定是固定温度，即使同样的气温条件下，晴天与阴天钢支撑的表面温度差别也很大，在轴力监测中应更加注意记录环境情况，尤其是气温与天气。需要注意的是，随着基坑深度的增加，阳光对下层钢支撑的直射时间更短，在太阳角偏大时监测的话，下层钢支撑影响会小一些，如果数据增大，应结合桩顶位移及桩体位移综合分析，不能盲目归结于温度影响。