舊城區(qū)綜合管廊工程支護數(shù)值分析與自動化安全控制技術研究

李君君 劉曉慶 萬 濤

（石家莊鐵路職業(yè)技術學院1） 河北石家莊 050041 石家莊鐵道大學四方學院2） 河北石家莊 051132）

1 工程概況

匯明路綜合管廊建設工程位于石家莊市西南，項目起自槐安路，終至清水街。途徑槐安路、南二環(huán)、新石北路、育新路、友誼大街、紅旗大街、匯寧街、濱河街等13條被交道路。管廊位于規(guī)劃匯明路下，采用明挖法施工，采用鉆孔灌注樁+鋼支撐圍護結構，現(xiàn)場施工如圖1所示。

圖1 石家莊匯明路舊城區(qū)綜合管廊現(xiàn)場施工圖

2 數(shù)值計算

結合現(xiàn)場施工情況，選擇最危險典型斷面里程5+862.5處為一Ⅲ-Ⅰ型路段分支口節(jié)點，線路左側開挖邊線離一12層居民樓最小距離為9.4 m，鉆孔灌注樁樁徑為600 mm，縱向間距為1 m。鋼支撐采用?609，t=16鋼管，鋼支撐縱向間距3.0 m，分析圖示如圖2所示。

圖2 里程5+862.5處結構分析橫斷面圖

2.1 地質情況與計算內容

管廊5+862.5處規(guī)劃地面高為68.52m，設計溝底高60.633m；開挖坑深為68.52-60.63=8.09 m。根據(jù)《綜合管廊結構設計地質剖面圖》和《巖土工程勘察報告》，5+862.5處土層依次為①雜填土（地表～3.57m）③粉土（2.65～5.40m）⑥細砂（5.40m～9.9m）⑨粉土（9.90m～10.9m）⑩粉質黏土（10.9m～20.9m）如表1所示。

表1 地層土力學參數(shù)表

根據(jù)國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)程（JGJ 120-2012）》，利用啟明星深基坑支擋結構設計軟件計算基坑圍護結構在各開挖工況的變形內力以及地表沉降；采用通用有限元計算軟件 ANSYS計算基坑開挖各工況下腰梁和內撐結構的內力。線路左側12層居民樓引起的按地面超載按強度240 kPa、10 m寬計，施加在地面標高處，距離基坑邊9.4 m。基坑安全等級取為二級。

圖3 計算模型圖

2.2 深基坑支擋結構分析

本項目采用啟明星深基坑支擋結構設計軟件對支護結構進行數(shù)值分析，計算模型如圖3所示。

其中圍護樁主要信息為：擋墻類型：灌注樁；嵌入深度：5.51 m；混凝土等級：C25；樁徑：0.6 m；樁間距：1.0m。

計算時地下水位埋深取30.0m，地面荷載與支錨參數(shù)見表2、3所示，計算時考慮冠梁等效支撐剛度7.7MN/m2。

表2 地面荷載

表3 支錨信息

圍護結構內外兩側土壓力分別施加在圍護結構上，共進行了5鐘工況的計算分析，分別為開挖3.5m深度，在3m深處加鋼支撐，開挖到5m、6.5m、8.09m共計5種。

2.3 圍護結構分析結果

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程（JGJ 120-2012）》，圍護結構5種工況的位移和內力均形成位移、彎矩和剪力圖，鑒于篇幅問題，僅將開挖到3.5m處并在3m處加鋼支撐的這一種工況為例，將啟明星巖土分析結果展示，如圖4所示。

圖4 基坑開挖在3m深處加上鋼支撐后豎向結構位移及受力曲線圖

2.4 支撐及腰梁分析

利用ANSYS通用有限元計算軟件計算內撐及腰梁的內力。取管廊基坑縱向21m建立內撐及腰梁結構的有限元模型進行模擬計算。如圖5所示，模型中有8根內撐，腰梁為7跨連續(xù)梁。為了消除模型邊界對內撐和腰梁結構內力計算的影響，取腰梁最中間3跨的內力為腰梁內力，最中間2根橫撐的內力為橫撐內力。

有限元模型中，腰梁、橫撐均采用BEAM44單元模擬，計算過程中上述桿件賦予質量。根據(jù)各構件的連接和受力特點，內撐與腰梁間設置為鉸接。將啟明星軟件計算得到的內撐每延米支撐力施加到腰梁單元上。以基坑土體開挖到3.5m深并且在3.0m處安裝并試駕預緊力166.67kN/m后的工況為例，將有限元軟件 ANSYS仿真分析的結果給予介紹。此時，根據(jù)軟件分析結果顯示，腰梁的彎矩最大值已經(jīng)達到127.2kN?m，彎曲應力值為26.2MPa；鋼支撐的軸力為499.2kN，豎向彎矩為86.9kN?m，最小應力達到36.9MPa。分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 腰梁水平彎矩與腰梁的應力圖

圖7 鋼支撐支撐軸力與最小應力圖

3 鋼支撐軸力自動化監(jiān)測

3.1 自動化監(jiān)測測試布設

選取3根處于危險斷面處的鋼支撐布設應力測點，測點布設位置應符合圣維南原理避開應力集中的位置，并對稱布設以消除附加彎矩的影響，同時考慮到長期室外惡劣的環(huán)境因素，溫度對測試結果的影響，現(xiàn)場選定在每道支撐的 1/3處對稱布置兩個應變傳感器，共選擇 3根鋼支撐，6個測點（BM1-1～BM1-6），現(xiàn)場布點如圖8所示。

3.2 監(jiān)測頻率及報警

考慮到自動化監(jiān)測采集儀器的采樣頻率以及數(shù)據(jù)處理的方便程度，采集設備理論上可以穩(wěn)定的達到每5min鐘將數(shù)據(jù)采集一遍，并且考慮到施工的影響，本項目自動化監(jiān)測采用的是每30min進行一次數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)預警設置采用的是三級預警，即數(shù)據(jù)采集峰值達到理論支撐承載力的 50%的時候進行一級預警，數(shù)據(jù)采集峰值達到理論支撐承載力的 75%的時候進行二級預警，數(shù)據(jù)采集峰值達到理論支撐承載力的100%的時候進行三級預警，其中達到一級預警現(xiàn)場應注意施工安全，減少施工荷載等對基坑的擾動。達到二級預警現(xiàn)場應進行嚴密觀察，注意施工安全，隨時準備整頓施工現(xiàn)場，數(shù)據(jù)達到三級預警，現(xiàn)場應立即停工，采取保護措施并找出原因、調整施工方案。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與云平臺

經(jīng)與施工方確認，將采集主機懸掛于邊坡處，采集機箱如圖9所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集通過自動采集模塊自動采集結構應變數(shù)據(jù)（計算結構軸力），支撐軸力沒有達到預警值時，每周進行一次周報總結。采集的云平臺如圖10所示。

圖9 采集模塊示意圖

圖10 數(shù)據(jù)采集云平臺

3.4 自動化采集數(shù)據(jù)及趨勢分析

鑒于篇幅長度，本例以測點BM1-1采集時長為一天的數(shù)據(jù)，采樣頻率從30min提取出每4hour的數(shù)據(jù)做成表格，對數(shù)據(jù)進行導出并如表4所示。

以測點BM1-1為例將一周（7day）的采集數(shù)據(jù)，每30min所采集的海量數(shù)據(jù)作為分析基礎將數(shù)據(jù)以曲線圖的形式進行介紹，如圖11所示。

表4 支撐軸力測試數(shù)據(jù)表（BM1-1） /4小時

圖11 支撐軸力測試時程曲線（BM1-1）

4 結語

石家莊市匯明路舊城區(qū)城市綜合管廊安全施工技術研究，采用了上述的安全保障措施，圓滿的完成了施工任務。研究中將啟明星深基坑支擋結構設計分析軟件配合大型通用有限元仿真分析軟件ANSYS全方位的對基坑圍護結構在開挖各工況的變形內力進行數(shù)值分析并計算基坑開挖各工況下腰梁和內撐結構的內力得到了有益的理論支撐，將基于物聯(lián)網(wǎng)的最新支撐應力智能監(jiān)測系統(tǒng)引入到綜合管廊深基坑監(jiān)控中來，形成了海量測試數(shù)據(jù)，并實時顯示支撐結構安全狀態(tài)，對安全施工進行快速判斷，形成了一套安全施工保障措施。