深基坑围护结构内支撑轴力的监测及分析

牟亚洲

(中铁十三局集团第二工程有限公司，广东深圳 518083)

随着我国城市地铁建设的迅速发展,明挖地铁车站工程也越来越多。内撑式基坑围护结构,具有结构简单,受力明确,施工可操作性强、进度快,钢支撑系统可循环利用等优点,得到广泛的应用[1]。多数地铁车站处于复杂地质条件和高风险的周围环境中,施工中往往需要严格控制基坑的稳定与变形。保证内支撑起到预加压力的力学作用才能有效实现这一目标。因此,钢支撑内力监测成为实现这一目的的关键因素[2，3]。内支撑体系如果缺乏正确的设计、计算分析或在施工中没有采取必要的技术措施,就很容易导致基坑塌方、支护失效,并对附近建筑、道路、管网等造成严重的影响。

必须充分了解影响钢支撑内力的影响因素,在施工过程中对钢支撑轴力进行监测,时时明确支撑体系的受力状态确保其安全工作,在钢支撑轴力有异常增大时提出相应的措施,确保其不失稳并安全地工作,事故是可以避免的[3]。

通过实际工程钢支撑的轴力监测及分析,拟探讨深基坑内支撑的受力变化规律以及用支撑轴力进行信息反馈的方法。

1 工程概况

深圳地铁2号线东延线莲花山西站位于新洲路与红荔西路交叉路口东南角的运动场内,车站南端横跨福中一路,与新洲路呈约21°夹角,车站大致呈南北走向,为地下2层岛式站台车站,基坑总长177.3 m,深18.3～20.05 m,标准段宽19.1 m。车站基坑周围环境较为复杂,东南侧紧邻多栋建筑物,西侧及北侧为城市主干道路。车站基坑还紧邻电缆隧道、燃气管、电信管、给水管、雨水管、污水管等复杂管网。

车站范围上覆地层为第四纪全新统人工填筑土、冲洪积粉质黏土及砂层,残积黏性土层,下伏基岩为震旦系花岗片麻岩。地下水主要有第四纪孔隙水、基岩裂隙水,地下水埋深2.7～6.5 m,含水层厚度3.2～11.0 m,主要由大气降水补给,水量较丰富,局部微承压。

花岗岩、花岗片麻岩残积层及全风化层具有遇水软化、崩解,强度急剧降低的特点；花岗岩、花岗片麻岩残积土层中,当动水压力过大时,容易产生管涌、流土等渗透变形现象。

车站主体基坑围护结构采用800 mm厚地下连续墙,基本墙幅宽度采用6 m,墙幅间接头采用锁口管。基坑内支撑水平间距一般按3 m考虑,竖向按4道支撑设置,基坑除南段第1道采用横截面尺寸为600 mm×800 mm的钢筋混凝土支撑外,其余支撑均采用外径φ609 mm、壁厚t=16 mm的Q235钢管支撑。地下连续墙插入深度：中风化2.5 m,强风化4.5 m,全风化及其余土层6 m。

2 内支撑轴力测点布置及监测方法

车站主体基坑内支撑轴力监测布置13个断面,剖面上有4道支撑的,也有3道支撑的,共布置48个监测点,见图1。

图1 内支撑监测点布置(单位：mm)

轴力监测采用弦式应变计,每个钢支撑端头1～2 m范围内沿支撑轴线对称安装2个应变计。当钢支撑在地面上时就把应变计安装上,并测初始温度及初始频率值,当钢支撑安装到对应道数支撑位置上待支撑预加力加完后,钢支撑开始工作时,监测工作初始频率。通过每天应变计的频率变化来判断钢支撑轴力变化情况,根据监测得到的平均应变可按下式计算钢支撑轴力

N=EsεsAs

式中N——钢支撑轴力，N；

Es——钢支撑的弹性模量,取Es=2.0×105(N/mm2)；

ε——监测断面处实测平均应变值；

As——钢支撑截面面积，mm。

3 内支撑轴力监测信息反馈及分析

3.1 支撑轴力历时变化规律

通过对本工程测得的支撑轴力历时变化的分析,可知：内支撑轴力随时间的变化是增长稳定型的,即钢支撑架设后随着预加应力的施加及开挖深度的增加,轴力快速增加并达到最大值,然后基本稳定在该量值,保持不变，说明钢支撑起到很好的力学作用,对围护结构的稳定及变形控制起到了很好的支撑作用。以下给出3个断面的轴力监测结果。

(1)ZC-67支撑轴力监测断面

该断面的支撑为21.5 m长的斜支撑,4道支撑均为钢管支撑。监测得到的4道支撑的轴力历时变化如图2所示。图中ZC1、ZC2、ZC3、ZC4分别表示第1至4道支撑的轴力监测结果。以第3道支撑为例,2009年1月6日安装后受力较小,随着开挖深度的增加和第4道支撑的安装,其受力明显增大,开挖阶段每天以48 kN速度增大,开挖到基底高程后,最大达到1 977 kN,然后基本稳定在该量值。

图2 ZC-67监测断面支撑轴力历时变化曲线

(2)ZC-65支撑轴力监测断面

该断面的钢支撑为19 m长的直支撑,4道支撑均为钢管支撑。监测得到的4道支撑的轴力历时变化如图3所示。该断面支撑轴力与ZC-67钢支撑轴力监测结果有相同的规律,从轴力变化图可以看出,第2道支撑受力最大,最大轴力值为1 365 kN。

图3 ZC-65监测断面支撑轴力历时变化曲线

(3)ZC-51支撑轴力监测断面

该断面支撑为18 m长的直支撑,4道支撑均为钢管支撑。监测得到的4道支撑的轴力历时变化如图4所示。该断面支撑轴力与上述2个断面的监测结果也有相同的规律,从轴力变化图可以看出,第3道支撑受力最大,最大轴力值为1 761 kN。

图4 ZC-51监测断面支撑轴力历时变化曲线

3.2 支撑轴力异常情况的信息反馈

ZC-34断面支撑为18 m长的直支撑,4道支撑均为钢管支撑。监测得到的4道支撑的轴力历时变化如图5所示。其中第4道支撑于2009年3月18日安装,安装后的20多天时间内受力平稳增加,但在2009年4月10日,支撑轴力突然增大,支撑轴力达到2 541 kN。经观察分析发现,本段连续墙有漏水情况,还有地面有土方运输汽车排队行驶,动荷载比较大。后经过信息反馈,经过对地层进行注浆加固,并对运输车辆采取限行措施,支撑轴力又趋于稳定。

图5 ZC-34监测断面支撑轴力历时变化曲线

3.3 支撑轴力的统计分析

本工程基坑内撑式钢支撑有长有短,也有斜支撑。为了分析各类支撑工作性能与工作形态之间的关系,规定≥20 m长的支撑归类为长支撑,≥10°角度的支撑归类于斜支撑。根据现场安装情况,对比各类型钢支撑受力特点及各分段道数钢支撑轴力,列出了13个监测断面、48个监测点的最大轴力值及平均轴力值,见表1。

表1 钢支撑轴力统计分析

从表1可知：

(1)基坑中下部支撑受力较大,第3道支撑受力最大,第4道支撑虽然架设最晚,但也受到较大的轴力。

(2)斜支撑的受力总体上较直支撑小,因为斜支撑布置在基坑的端部转角处,空间作用明显。

(3)短支撑和长支撑的受力水平没有明显差别,因为长支撑虽然中间有立柱支撑分成多跨,但联接很弱,对长支撑轴向受力影响有限。

4 结论

(1)内支撑轴力随时间的变化是增长稳定型的,即钢支撑架设后随着预加应力的施加及开挖深度的增加,轴力快速增加并达到最大值,然后基本稳定在该量值,保持不变,较为稳定。

(2)通过监测得到的钢支撑轴力突变,可以对影响基坑稳定状态的异常情况起到信息反馈的作用。

(3)基坑下部支撑受力较大,第3道支撑受力最大,第4道支撑虽然架设最晚,但也受到较大的轴力。斜支撑的受力总体上较直支撑小,短支撑和长支撑的受力水平没有明显差别。

[1] 李春辉.钢支撑在明挖地铁车站中的应用和受力分析[D].北京：北京工业大学,2011.

[2] 王光明,萧 岩,卢常亘.深基坑钢支撑施加预加轴力的合理数值分析[J].市政技术,2006,24(5):336-339.

[3] 张明聚,由海亮,杜修力,等.北京地铁某车站明挖基坑施工监测分析[J].北京工业大学学报,2006,32(10)：874-878.

[4] 姚燕明,周顺华,孙 巍,等.支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响[J].地下空间,2006,23(4)：401-404.