地鐵深基坑鋼支撐預(yù)加軸力消散原因分析

李書銀 李世良

(1.中鐵城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽蕪湖 241000;2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

對(duì)基坑工程而言，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力監(jiān)測(cè)是確?；邮┕ぐ踩闹匾胧?，也是進(jìn)行信息化設(shè)計(jì)與施工的前提。支撐軸力監(jiān)測(cè)是基坑監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，是驗(yàn)證基坑設(shè)計(jì)合理性，保證安全施工的重要依據(jù)[1]。在采用鋼支撐支護(hù)的基坑中，鋼支撐較普通鋼筋混凝土支撐連接形式簡單，受力明確，其軸力變化能夠反映出基坑土壓力的變化[2-4]。因此，在地鐵基坑監(jiān)測(cè)中，需要及時(shí)關(guān)注支撐軸力的變化情況。實(shí)際工作中，通常會(huì)出現(xiàn)鋼支撐預(yù)加軸力不足以及軸力消散過快等情況。結(jié)合昆明地鐵4號(hào)線某監(jiān)測(cè)標(biāo)段現(xiàn)場情況，分析軸力消散的主要原因，并給出相應(yīng)的處理措施。

2 鋼支撐預(yù)加軸力的作用

鋼支撐施加預(yù)加軸力的作用機(jī)理是利用鋼材輕質(zhì)、高強(qiáng)、具彈塑性等材料特性，預(yù)先給鋼支撐施加一定軸力來抵抗基坑側(cè)向土壓力，從而達(dá)到控制基坑變形的作用。給鋼支撐施加預(yù)加軸力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有三個(gè)重要作用[5-7]：①鋼支撐通過鋼圍檁進(jìn)行應(yīng)力傳遞，使其內(nèi)支撐體系與圍護(hù)結(jié)構(gòu)密貼，有效減少支護(hù)結(jié)構(gòu)位移，確保周邊環(huán)境安全可控；②減少土方開挖時(shí)在土體內(nèi)積聚的剪應(yīng)力；③消除鋼支撐、圍檁與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的施工縫隙，使內(nèi)支撐提前主動(dòng)進(jìn)入合理的受力狀態(tài)。

從對(duì)鋼支撐施加預(yù)加軸力的作用機(jī)理可以看出，只有給鋼支撐施加合理的預(yù)加軸力值才能起到良好的支護(hù)效果。

3 鋼支撐預(yù)加軸力消散

以昆明地鐵4號(hào)線某監(jiān)測(cè)標(biāo)段范圍內(nèi)各站點(diǎn)中較為典型的支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例。圖1為2016年12月到2017年4月間，陳家營站標(biāo)準(zhǔn)段第一道鋼支撐的軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線，該階段開挖面附近預(yù)加軸力保持在設(shè)計(jì)要求的43%～77%之間；圖2為2017年2月到2017年3月間，大河埂站標(biāo)準(zhǔn)段第一道鋼支撐的軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線，該階段開挖面附近預(yù)加軸力保持在設(shè)計(jì)要求的66%～78%之間；圖3、圖4、圖5分別為2017年2月到2017年3月間，大塘子站擴(kuò)大段及標(biāo)準(zhǔn)段鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線，該階段開挖面附近的預(yù)加軸力為：①擴(kuò)大段保持在設(shè)計(jì)要求的5%～69%之間，其中30%以內(nèi)居多；②該站標(biāo)準(zhǔn)段保持在設(shè)計(jì)要求的22%～56%之間，其中40%內(nèi)的居多。

圖1 陳家營站軸力監(jiān)測(cè)情況

圖2 大河埂站軸力監(jiān)測(cè)情況

圖3 大塘子站小里程擴(kuò)大段軸力監(jiān)測(cè)情況

圖4 大塘子站大里程擴(kuò)大段軸力監(jiān)測(cè)情況

圖5 大塘子站標(biāo)準(zhǔn)段軸力監(jiān)測(cè)情況

圖6 ZCL2-25(DK3+610)軸力變化速率

圖7 ZCL3-25(DK3+610)軸力變化速率

圖1～圖5直觀給出了各處鋼支撐每天的實(shí)測(cè)軸力值及其波動(dòng)趨勢(shì)。從中不難發(fā)現(xiàn)，所列舉的鋼支撐預(yù)加軸力均存在消散過快的現(xiàn)象。這一點(diǎn)在圖6、圖7分別對(duì)應(yīng)的大塘子站標(biāo)準(zhǔn)段ZCL2-25(DK3+610)及ZCL3-25(DK3+610)軸力變化速率中均有所反映。在監(jiān)測(cè)過程中，這兩組鋼支撐軸力變化速率均存在著明顯的波動(dòng)。

4 軸力消散原因分析

4.1 地連墻成槽質(zhì)量較差

在進(jìn)行地下連續(xù)墻成槽及水下混凝土澆筑過程中，因質(zhì)量管控不力，導(dǎo)致地連墻背土面出現(xiàn)鼓包、凹凸不平等質(zhì)量問題，加之土方開挖過程中缺陷處理不到位，導(dǎo)致鋼圍檁架設(shè)后無法與地連墻面達(dá)到密貼狀態(tài)(如圖8所示)。若處理不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)鋼圍檁與地連墻之間縫隙過大，成為鋼支撐預(yù)加軸力消散的主要源頭。

圖8 地連墻表面不平整

4.2 支撐體系安裝架設(shè)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

(1)鋼圍檁架不規(guī)范：如圖9所示，架設(shè)后對(duì)其背后空隙未作處理，或在處理不當(dāng)?shù)那闆r下施加預(yù)加軸力。

圖9 地連墻表面與鋼圍檁背后縫隙過大

(2)鋼支撐本身存在質(zhì)量問題：鋼支撐經(jīng)多次轉(zhuǎn)場重復(fù)使用，端部或已出現(xiàn)變形等。規(guī)范的做法是：在進(jìn)行地面組裝時(shí)，檢查好支撐體的平直度和完好性，變形或破損的一律不能使用。

(3)點(diǎn)受力較為突出：在施工過程中出現(xiàn)加塞鋼楔子的情況(如圖10所示)；以及鋼圍檁經(jīng)多次轉(zhuǎn)場未經(jīng)排查，將已變形鋼圍檁投入使用(如圖11所示)；以上兩種情況均可產(chǎn)生點(diǎn)受力。規(guī)范的做法是：在鋼圍檁背后適量加塞鋼板，不僅可以改善結(jié)構(gòu)面受力，而且可增強(qiáng)背后填充物的強(qiáng)度，能在一定程度上解決預(yù)加軸力消散的情況。

圖10 加塞鋼楔子

圖11 鋼圍檁變形

(4)縫隙填料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)：鋼支撐一般要求在土方開挖后8 h內(nèi)架設(shè)完成，其中包含鋼支撐拼裝、吊裝、圍檁架設(shè)及地連墻表面處理等工序，而填料為水泥砂漿或“水泥+部分細(xì)骨料”，在短時(shí)間內(nèi)很難形成理想強(qiáng)度，建議在填料中根據(jù)需要加入適量早強(qiáng)劑或提高填料的強(qiáng)度等級(jí)。

(5)鋼支撐偏心受力：架設(shè)時(shí)存在偏心現(xiàn)象，建議采取置換或調(diào)整墊板等方式改善其受力效果。

(6)預(yù)加軸力未分級(jí)施加：預(yù)加軸力未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求逐級(jí)施加，存在一次性加力過大，導(dǎo)致鋼支撐連接法蘭盤錯(cuò)位、鋼圍檁或附加鋼板被頂變形現(xiàn)象(如圖12所示)。在千斤頂卸載后，導(dǎo)致施加軸力消散。

圖12 鋼板變形

(7)忽視液壓表設(shè)備現(xiàn)場校核檢驗(yàn)：液壓表顯示壓力讀數(shù)與實(shí)測(cè)值不符，導(dǎo)致施加軸力偏大或偏小。應(yīng)定期校核液壓表及相關(guān)設(shè)備裝置。

(8)鋼圍檁縱向搭接不牢靠或未進(jìn)行有效連接：在縱向搭接不牢靠或縱向未進(jìn)行有效搭接的情況下加力，導(dǎo)致鋼圍檁左右跑偏及錯(cuò)位。

(9)穩(wěn)壓后未對(duì)活絡(luò)端鋼楔子持力情況進(jìn)行檢查：在預(yù)加軸力后、千斤頂泄壓前，未及時(shí)排查鋼楔子是否嵌入牢靠。

4.3 溫差影響與溫差控制

昆明地區(qū)早晚溫差較大，因溫差引起的混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、周邊土體變形等均非常小，而由之引起的鋼支撐軸力變化則較為明顯，將“溫差影響”變?yōu)椤皽夭羁刂啤?，才能保證基坑安全。結(jié)合近幾年地鐵施工監(jiān)測(cè)中的經(jīng)驗(yàn)，給出兩點(diǎn)建議：一是盡量避免每日氣溫最高或最低時(shí)施加軸力。二是建議監(jiān)測(cè)單位在溫度相對(duì)恒定的情況下進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)。

4.4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證以上所述觀點(diǎn)的合理性，在昆明地鐵3號(hào)、4號(hào)線某換乘通道基坑變形監(jiān)測(cè)過程中，選取基坑第一道鋼支撐ZCL-1F01-03、ZCL-1F01-05作為試驗(yàn)點(diǎn)。從鋼支撐架設(shè)開始，于每天上午9：00進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 ZCL-1F01-03軸力變化情況

圖14 ZCL-1F01-05軸力變化情況

由圖13、圖14可以看出，在鋼支撐架設(shè)初期，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了明顯的軸力消散現(xiàn)象，尤其以ZCL-1F01-03鋼支撐最為顯著。主要原因在于：ZCL-1F01-03鋼支撐處于基坑中部，受力較大，且兩端均采用鋼圍檁與基坑側(cè)壁連接，在開挖初期基坑側(cè)壁凹凸不平，鋼圍檁與側(cè)壁貼合不密實(shí)，存在受力不均勻的現(xiàn)象。在聽取專家意見后，及時(shí)采取在縫隙處墊加鋼板等措施，同時(shí)在基坑開挖過程中及時(shí)對(duì)側(cè)壁進(jìn)行噴漿整平，在第二層鋼支撐架設(shè)完畢，經(jīng)二次加力后，鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)值趨于穩(wěn)定。而ZCL-1F01-05鋼支撐是位于基坑端頭的斜撐，在汲取之前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，放棄鋼圍檁連接方式，進(jìn)而采用現(xiàn)澆混凝土與基坑側(cè)壁剛性連接的方式。從圖14對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，該支撐受力變化基本穩(wěn)定，考慮到每天的溫度變化，所出現(xiàn)的波動(dòng)可忽略不計(jì)。

5 結(jié)論

針對(duì)昆明地鐵4號(hào)線某監(jiān)測(cè)標(biāo)段范圍內(nèi)部分鋼支撐預(yù)加軸力不足及軸力消散過快的問題。從地連墻成槽質(zhì)量、鋼支撐體系架設(shè)以及溫度觀測(cè)等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述和分析，可獲得如下結(jié)論：

(1)在成槽過程中，要保證地連墻面的平整性，使鋼圍檁與地連墻之間達(dá)到最佳密貼狀態(tài)，可有效避免鋼支撐預(yù)加軸力消散過快。

(2)為有效避免鋼支撐預(yù)加軸力消散過快，在支撐體系架設(shè)過程中，鋼圍檁架的安裝需符合規(guī)范要求，避免鋼圍檁縱向搭接不牢靠或未進(jìn)行有效連接；在確保鋼支撐本身質(zhì)量的同時(shí)，避免支撐發(fā)生點(diǎn)受力，保證鋼支撐軸向受力；在預(yù)加軸力時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求分級(jí)施加。

(3)溫度對(duì)鋼支撐軸力影響較大，應(yīng)避免在每日氣溫最高或最低時(shí)施加軸力，同時(shí)應(yīng)在溫度相對(duì)恒定的情況下進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)。