溫度作用下深基坑鋼支撐自伺服系統(tǒng)軸力研究

趙良云，卜銘，徐茂虎，杜瀟，曾國良

(1.杭州地鐵集團(tuán)，浙江 杭州 310028；2.中鐵二局第六工程有限公司；3.湖南聯(lián)智科技股份有限公司)

隨著城市基坑工程的規(guī)模不斷增大，基坑的支撐體系也逐漸由傳統(tǒng)的混凝土支撐向鋼支撐轉(zhuǎn)化，近來年機(jī)械自動(dòng)化以及信息化技術(shù)的發(fā)展，使得鋼支撐自伺服體系也快速發(fā)展，并逐漸在工程中得到運(yùn)用，以此達(dá)到嚴(yán)格控制基坑變形的需求。

姜忻良等通過對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與基坑位移的觀測(cè)以及數(shù)值模擬，提出開挖面處的土體及圍護(hù)樁產(chǎn)生的位移最大，施工中應(yīng)盡量避免無支撐的情況出現(xiàn)；王繼槐通過對(duì)管廊深基坑進(jìn)行模擬和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)普通鋼支撐軸力隨開挖深度的變化規(guī)律；崔維久等通過對(duì)特殊工況下地鐵基坑的負(fù)載響應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)“超挖、加撐滯后”會(huì)造成第1道撐的軸力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，第3道撐的軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，施工中應(yīng)避免違規(guī)施工，同時(shí)通過安裝預(yù)應(yīng)力補(bǔ)加裝置，可預(yù)防因支撐軸力過小而發(fā)生事故；郭利娜等通過對(duì)基坑的數(shù)值模擬，得到了施工過程中鋼支撐軸力變化規(guī)律；熊棟棟通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析，解釋了鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值普遍比實(shí)測(cè)值偏大的原因，同時(shí)提出在鋼支撐固定端鋼管內(nèi)灌漿能有效減小固定端的塑性變形；孫九春等通過對(duì)鋼支撐伺服系統(tǒng)的設(shè)置方式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同的鋼支撐伺服系統(tǒng)的布置方式產(chǎn)生的控制效果差異較大，因此需要對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)置方式進(jìn)行合理性研究。

該文以杭州某基坑開挖為工程背景，研究鋼支撐自伺服系統(tǒng)對(duì)深基坑開挖過程中位移的影響，以及各支撐軸力的變化規(guī)律。另外，研究在不同溫度作用下，鋼支撐軸力變化規(guī)律，提出相應(yīng)的溫度修正系數(shù)，從而確保鋼支撐自伺服系統(tǒng)軸力與位移的監(jiān)測(cè)精度。

1 鋼支撐自伺服系統(tǒng)工作原理

鋼支撐自伺服系統(tǒng)主要由監(jiān)控站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、液壓伺服泵站系統(tǒng)等組成，同時(shí)利用現(xiàn)代機(jī)電液一體化自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)以及可視化監(jiān)控系統(tǒng)等高新技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼支撐軸力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，解決常規(guī)施工方法無法控制的苛刻變形要求和技術(shù)難題，使工程始終處于可控可知狀態(tài)，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益。

鋼支撐自伺服系統(tǒng)軸力可保持某一特定值，當(dāng)軸力低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)油泵補(bǔ)壓至設(shè)定值，當(dāng)軸力高于最大設(shè)定值時(shí)，控制臺(tái)自動(dòng)報(bào)警，通知技術(shù)人員進(jìn)行保壓或減壓操作。

2 工程實(shí)例

基坑位于采用排樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方式，通惠路站地鐵基坑設(shè)計(jì)⑦～軸之間，基坑共設(shè)5道內(nèi)支撐，第1道和第3道支撐為混凝土支撐，第2道、第4道及第5道為鋼支撐，每層鋼支撐為11根，共33根。其中第2道采用直徑φ609 mm的鋼支撐，第4道以及第5道采用直徑φ800 mm的鋼支撐。另外，在第2層鋼支撐的4#～8#支撐上采用自伺服系統(tǒng)，軸力目標(biāo)值設(shè)定為2 000 kN。具體如圖1所示。

圖1 第2道鋼支撐布置圖

3 模型建立

3.1 基本假定

為方便計(jì)算，假定整個(gè)基坑及周圍土體均質(zhì)成層分布，并采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)忽略地下水的影響。

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，深基坑開挖影響范圍約為基坑開挖深度的3倍。根據(jù)實(shí)際工程背景基坑最大開挖深度為16.5 m，有限元模型尺寸為108 m×72 m×45 m?；娱_挖尺寸為36 m×24 m×16.5 m。

利用Midas GTS NX建立該項(xiàng)目有限元模型，為保證有限元模型較快收斂，將圍護(hù)樁轉(zhuǎn)化為等剛度的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目鉆孔樁直徑為1 m，間距為0.2 m，根據(jù)轉(zhuǎn)換式(1)、(2)計(jì)算得到等效的地下連續(xù)墻厚度為0.79 m。模型中取0.8 m。

(1)

(2)

利用Midas GTS NX自動(dòng)邊界功能，完成整個(gè)基坑模型的邊界條件設(shè)置，具體表現(xiàn)為固定側(cè)面水平方向位移，同時(shí)，底面水平位移和垂直方向位移均固定，基坑頂面保持為自由邊界。

3.2 參數(shù)選取

(1)土層參數(shù)

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的地質(zhì)勘察報(bào)告可知，基坑開挖區(qū)各類地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

(2)內(nèi)支撐參數(shù)

該項(xiàng)目內(nèi)支撐包含混凝土支撐和鋼支撐，具體參數(shù)如表2所示。

表2 各內(nèi)支撐物理力學(xué)參數(shù)

3.3 開挖工況

根據(jù)實(shí)際情況建立基坑開挖工況，具體見表3。

表3 開挖工況

4 結(jié)果分析

4.1 理論與實(shí)測(cè)值對(duì)比

利用鋼支撐自伺服系統(tǒng)對(duì)第2道內(nèi)支撐中4#～8#鋼支撐進(jìn)行軸力和位移監(jiān)測(cè)，確保鋼支撐軸力與基坑位移滿足規(guī)范要求。另外，可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整開挖速度及位置，防止因開挖過大，基坑產(chǎn)生較大的位移，甚至破壞。為模擬鋼支撐自伺服系統(tǒng)，在模型計(jì)算中，對(duì)相應(yīng)鋼支撐預(yù)加2 000 kN軸力，由于在施工過程中軸力未出現(xiàn)報(bào)警情況，因此未啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)償功能。具體計(jì)算結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 實(shí)測(cè)軸力與理論軸力對(duì)比圖

圖3 實(shí)測(cè)位移與理論位移對(duì)比圖

圖4 首層混凝土撐理論軸力圖

由圖2、3可知：實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值變化規(guī)律一致，并且數(shù)據(jù)吻合較好，說明三維基坑模型能較好地反映實(shí)際情況。另外，第2道鋼支撐軸力與位移隨基坑開挖深度的增大而增大,在開挖完成后，內(nèi)支撐軸力與位移略有減小，這是由于基坑開挖完成后，各道支撐完成內(nèi)力重分布，基坑整體趨于穩(wěn)定。在開挖到第5層時(shí)，第2道支撐軸力與位移達(dá)到最大，其中軸力最大值為1 855 kN，位移最大值約為15.9 mm。

鑒于第2道撐的實(shí)測(cè)和理論軸力均低于預(yù)加軸力，對(duì)首道混凝土撐的軸力進(jìn)行了分析。由圖4可知：混凝土撐隨基坑開挖，軸力逐漸減小，出現(xiàn)了拉應(yīng)力，表明基坑第2～5層支撐對(duì)地連墻結(jié)構(gòu)具有良好的減跨作用。

4.2 地下連續(xù)墻位移

地下連續(xù)墻水平位移能較好地反映整個(gè)基坑的位移情況，因此利用三維模型對(duì)基坑地下連續(xù)墻的位移進(jìn)行模擬分析，研究鋼支撐自伺服系統(tǒng)對(duì)地下連續(xù)墻的位移影響。選取地下連續(xù)墻3個(gè)斷面進(jìn)行分析，左側(cè)斷面距基坑左側(cè)8 m，右側(cè)斷面距基坑右側(cè)8 m，中間斷面為地下連續(xù)墻中心處。詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見圖5。

由圖5可知：隨基坑開挖深度的增大，地下連續(xù)墻的各點(diǎn)位移先減小后增大，3個(gè)斷面的變化規(guī)律一致，基坑最大位移出現(xiàn)在基坑底部，且中間斷面位移略大于兩側(cè)，最大位移約為2.5 cm。另外，由于第2道鋼支撐采用自伺服系統(tǒng)，軸力始終保持穩(wěn)定，因此基坑在第2道支撐處的位移最小，約為4 mm。鋼支撐自伺服系統(tǒng)控制位移的效果明顯。

4.3 溫度影響下軸力變化

為提出鋼支撐在不同溫度荷載作用下的修正值，利用Midas模型研究分析溫度升高10、15以及20 ℃3種情況下的軸力變化，詳細(xì)結(jié)果如表4所示。同時(shí)考慮到該項(xiàng)目的工期以及當(dāng)?shù)貧夂?，重點(diǎn)分析升溫20 ℃時(shí)，各支撐軸力與位移的變化情況。計(jì)算結(jié)果見圖6、7。

由圖6、7可知：溫度升高時(shí)，鋼支撐在整個(gè)過程中的軸力與位移變化規(guī)律不變，但支撐軸力明顯增大，位移有所減小，主要是由于溫度升高，鋼支撐向兩側(cè)膨脹，導(dǎo)致基坑位移減小，同時(shí)由于腰梁對(duì)鋼支撐的約束，膨脹無法完全釋放，導(dǎo)致鋼支撐軸力明顯增大。同時(shí)，由表4可知：在溫度荷載下，鋼支撐軸力成線性增加，即溫度每升高1 ℃軸力增加約19.5 kN。

(a)中間斷面

表4 不同溫度下軸力變化情況

5 結(jié)論

通過對(duì)杭州某基坑鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)與有限元模擬，分析了基坑開挖過程中鋼支撐軸力與位移的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論:

圖6 升溫前后軸力變化圖

圖7 升溫前后位移變化圖

(1)第2道鋼支撐軸力與位移隨著開挖深度的增加而增加，這是由于隨基坑開挖深度的增加，兩側(cè)主動(dòng)土壓力增大，地下連續(xù)墻向內(nèi)測(cè)移動(dòng)的位移增大，從而使各道支撐的軸力與位移增大。隨基坑開挖完成，基坑周圍土體完成內(nèi)力重分布，因此第2道鋼支撐軸力略有減小。

(2)地下連續(xù)墻的水平位移隨基坑開挖深度的增加，最大位移出現(xiàn)在基坑底部。由于第2道鋼支撐采用自伺服系統(tǒng)，軸力始終穩(wěn)定在設(shè)定值，基坑在此處的水平位移最小。說明鋼支撐自伺服系統(tǒng)對(duì)控制基坑變形的效果明顯。

(3)在溫度作用的影響下，鋼支撐受熱膨脹，導(dǎo)致軸力增加，基坑內(nèi)側(cè)位移減小，通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在升溫10、15以及20 ℃下，軸力分別增加195、290以及390 kN，即溫度升高1 ℃鋼支撐軸力增加約19.5 kN，在鋼支撐自伺服系統(tǒng)中，可設(shè)置相應(yīng)的溫度修正值。