地鐵深基坑大跨度無格構(gòu)柱鋼支撐撓度控制

苗子臻， 夏寶坤， 劉釗瑞， 郭彥杰， 王 歡， 侯 征

(北京市市政四建設(shè)工程有限責任公司， 北京 100176)

隨著城市規(guī)模的不斷擴大、城市人口的急劇增加，城市交通擁堵問題日趨嚴重，城市軌道交通應(yīng)運而生發(fā)展迅速，相應(yīng)地鐵深基坑工程規(guī)模不斷擴大，施工環(huán)境愈加復雜，如何確?；影踩蔀榈罔F深基坑工程中的關(guān)鍵問題[1-4]。鋼支撐支護體系由于鋼材優(yōu)良的性能在深大基坑得到廣泛應(yīng)用，成為減少和控制基坑變形的有效手段[5-9]。北京大興國際機場線磁各莊站工程基坑長425.5 m，寬26 m，深20.8～21.63 m，根據(jù)圖紙設(shè)計要求，采用351根無格構(gòu)柱直徑φ=800 mm，壁厚t=16 mm鋼管內(nèi)支撐進行支護，最大軸力設(shè)計值為3 483.48 kN。通過計算發(fā)現(xiàn)，支撐自重產(chǎn)生撓度29.5 mm，最大設(shè)計軸力作用下支撐撓度值為40.8 mm，距《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB 9258—1997)及《基坑工程內(nèi)支撐技術(shù)規(guī)程》(DB 11/940—2012)[10-11]規(guī)定限值 43.3 mm(l/600，其中l(wèi)為支撐計算長度)僅剩 2.5 mm，基坑支撐撓度控制成為影響基坑安全的關(guān)鍵。因此，擬通過理論計算、現(xiàn)場量測，對車站基坑支撐撓度進行監(jiān)測分析，查找影響支撐撓度的關(guān)鍵因素，針對性地提出相應(yīng)控制措施，并根據(jù)工程實際進行權(quán)重分析比選驗證，確定減小支撐撓度的快速、經(jīng)濟、有效方法，全力保障基坑安全。

1 工程概況

北京大興國際機場線一期工程北起草橋南至新機場北航站樓，全長41.36 km，是北京首次采用政府和社會資本合作(public-private partnership，PPP)模式建設(shè)的軌道交通線路，也是中國首條最高速度達到160 km/h的城市軌道交通線路。磁各莊站為PPP項目中唯一車站，位于團河路與沐新路交叉口西南側(cè)。車站結(jié)構(gòu)形式為明挖地下兩層雙柱三跨及兩層單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)，基坑采用直徑1 m間距1.6 m鉆孔灌注樁+直徑800 mm壁厚t=16 mm 無格構(gòu)柱鋼管內(nèi)支撐支護體系，共設(shè)置支撐三道，從上到下三道鋼支撐軸力設(shè)計值分別為754.8、3 085.15、3 483.48 kN?；娱_挖采用豎向分層、水平分段、中間拉槽、兩側(cè)留臺方式進行，每層挖土深度h≤1.5 m，開挖至鋼支撐位置下部 0.5 m 時，及時進行支撐架設(shè)，相應(yīng)圍護結(jié)構(gòu)及土方開挖布置如圖1、圖2所示。

圖1 圍護結(jié)構(gòu)標準橫斷面Fig.1 Standard cross-section of supporting structure

圖2 土方開挖工況示意Fig.2 Schematic diagram of earthwork excavation conditions

2 支撐撓度監(jiān)測

支撐作為基坑支護的主要受力桿件，其受荷變形情況直接關(guān)系到基坑的安全。監(jiān)控預警作為預防支撐體系發(fā)生破壞的重要手段，相關(guān)規(guī)范[10-13]從監(jiān)測等級、監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率、監(jiān)測預警值等角度對支撐軸力監(jiān)測做了明確要求，但對支撐撓度卻僅作為結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝檢查時的一個變形規(guī)定，缺乏支撐使用過程中撓度監(jiān)測相關(guān)要求，而對于大跨度無格構(gòu)柱支撐，如果撓度過大，受力形式會發(fā)生變化，極易發(fā)生事故。因此，運用力學、測量學、統(tǒng)計學相關(guān)知識，對支撐使用過程中撓度變形進行監(jiān)測分析。

2.1 測定方法

ω為距原點x長度處支撐撓度；x為支撐上某點距原點的距離圖3 鋼支撐撓度理論計算簡圖Fig.3 Theoretical calculation diagram of steel support deflection

在自重及軸力作用下，支撐受力可簡化為承受均布荷載和軸向壓力的簡支梁，相應(yīng)計算簡圖如圖3所示，可知支撐最大撓度在跨中位置，其理論計算公式如式(1)～式(4)所示?；谥螕锨€形狀，考慮觀測操作安全，決定采用全站儀對支撐跨中位置處的最大撓度進行跟蹤觀測；觀測時，在支撐跨中及兩端布設(shè)觀測點，而后根據(jù)中間自由設(shè)站高程測量原理測定三點高程[14-16]，進而推算支撐中部最大撓度，相應(yīng)測定方法如圖4、圖5所示，撓度計算公式為

圖4 中間自由設(shè)站高程測定原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of elevation measurement principle of free stationing in the middle

圖5 支撐撓度測算簡圖Fig.5 Calculation diagram of steel support deflection

(1)

(2)

(3)

q=ρAsg

(4)

hab=ha-z+hb=SAsinα+SBsinβ+

(5)

(6)

式中：ωmax，t為支撐最大撓度的理論值；ωmax，ac為支撐最大撓度的實測值；δ為自重在跨中位置所產(chǎn)生撓度值；q為支撐自重荷載；l為支撐計算長度；E為支撐材料彈性模量；Iz為支撐截面慣性矩；F為支撐最大設(shè)計軸力；Fcr為支撐受壓失穩(wěn)歐拉臨界力；ρ為支撐材料密度；g為重力加速度；As為支撐截面面積；ha為反射棱鏡中心至觀測點水平視線的垂直距離；hb為監(jiān)測點至觀測點水平視線的垂直距離；z為反射棱鏡的高度；K為大氣折光系數(shù)；hab為監(jiān)測點與基準點間的高差；SA為觀測點至棱鏡中心的直線距離；α為棱鏡中心觀測線與水平視線的夾角；SB為觀測點至監(jiān)測點的直線距離；β為監(jiān)測點觀測線與水平視線的夾角；K為大氣折光系數(shù)；R為地球的平均曲率半徑；Δha為支撐活絡(luò)頭固定端高程變化值;Δhb為支撐跨中位置高程變化值；Δhc為支撐活絡(luò)頭活動端高程變化值。

2.2 測點布置

結(jié)合現(xiàn)場施工進展，按照上述監(jiān)測方法，以工程放樣控制點為基準點，沿基坑兩側(cè)混凝土擋墻，對初期23根首層鋼支撐、20根二層鋼支撐、7根三層鋼支撐，共計50根鋼支撐撓度進行觀測，考慮圍護結(jié)構(gòu)斷面形狀對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，監(jiān)測鋼支撐選取避開第一區(qū)右側(cè)、第三區(qū)左側(cè)毗鄰相鄰標段盾構(gòu)收發(fā)井區(qū)域以及第二區(qū)主體結(jié)構(gòu)加寬段區(qū)域，具體測點布置情況如圖6所示。

圖6 測點布置圖Fig.6 Layout of measuring points

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

以《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB 9258—1997)及《基坑工程內(nèi)支撐技術(shù)規(guī)程》(DB 11/940—2012)規(guī)范[10-11]要求為底線：支撐撓度在豎向平面內(nèi)不得大于其計算跨度的1/600～1/800，對測點數(shù)據(jù)進行分析整理，得到支撐撓度分布如圖7所示。由圖7得出如下結(jié)論。

圖7 現(xiàn)場支撐撓度分布情況(測量時間為架設(shè)后25～30 d)Fig.7 Distribution of on-site support deflection (the monitoring time is 25～30 days after erection)

(1)現(xiàn)場所測50根鋼支撐中有8根支撐撓度超出規(guī)范限值，占比14%；有10根支撐撓度距規(guī)范規(guī)定限值不足5 mm，占比22%；兩者累計占比36%，支撐整體撓度變形較大，支護體系存在安全隱患，進行支撐撓度控制十分必要。

(2)不考慮時空效應(yīng)，當前監(jiān)測狀態(tài)下，支撐軸力范圍為244.31～1 796.65 kN，除首層4根支撐因架設(shè)不及時及溫度效應(yīng)等原因超出設(shè)計值以外，其余支撐軸力均在設(shè)計值以內(nèi)，且由軸力平均值趨勢線可知，首層、二層、三層支撐軸力分別在594.65、1 229.67、752.12 kN附近波動，分別為相應(yīng)軸力設(shè)計值的78.7%、39.8%、21.6%，從軸力角度看，支撐設(shè)計較為保守，安全系數(shù)足夠。

(3)綜合對比支撐撓度、軸力，發(fā)現(xiàn)撓度超限、較大現(xiàn)象多發(fā)生在軸力較大支撐，支撐撓度與支撐軸力整體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但受其他因素干擾局部會有波動。根據(jù)軸力分布，支撐撓度整體符合第二層>第三層>第一層規(guī)律，但也存在局部異常現(xiàn)象。同時，有9根支撐實測撓度已大于最大設(shè)計軸力撓度計算值，且有5根支撐撓度竟然小于等于自重荷載所產(chǎn)生撓度計算值，充分說明軸力、自重是影響支撐撓度的重要因素但絕非全部因素，其他因素的影響也不可忽略。

綜上，在支撐軸力監(jiān)測之外，進行支撐撓度的監(jiān)測與分析，十分必要。對于無格構(gòu)柱鋼支撐，其撓度變形主要包括支撐生產(chǎn)安裝初始撓度及支撐受荷變形撓度兩個方面，前者主要包括材料陳舊產(chǎn)生變形以及組裝偏差產(chǎn)生變形，后者主要包括支撐自重、兩端軸力產(chǎn)生變形以及軸心受荷、偏心受荷所產(chǎn)生附加變形，其中安裝初始撓曲及偏心受荷等根據(jù)初始撓曲方向的不同，會對支撐后期撓度變形帶來相應(yīng)增幅或抵消，從而導致監(jiān)測數(shù)據(jù)波動。

為查找確定影響支撐撓度的關(guān)鍵，項目通過理論計算、查閱文獻、現(xiàn)場實測等方式對各因素對支撐撓度影響程度進行了分析，具體如下。

首先，經(jīng)查閱鋼支撐廠家所提供的材料檢測報告以及現(xiàn)場實地查驗，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場支撐43.4%為首次使用新加工支撐，其余56.6%為二次使用九成新支撐，材料陳舊引起撓度變形較小，非主要影響因素。其次，按新舊支撐比例，隨機選取9根全新、11根九成新支撐進行組裝并量測其組裝撓曲變形，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場組裝工藝水平下，支撐組裝產(chǎn)生撓度變形均值為5.1 mm，約為支撐實測總撓度的11.3%，具有一定影響，但影響較小，如表1所示。同時，根據(jù)式(1)～式(4)進行自重及軸力作用下?lián)隙扔嬎憧芍?，實測最大軸力作用下支撐撓度理論值為 35.33 mm，為支撐實測總撓度的78.2%，其中因支撐自重所產(chǎn)生撓度值為29.5 mm，占比65.3%，因軸向受荷所產(chǎn)生撓度變形值為5.83 mm，占比12.9%，占比較大。如將剩余變形全部考慮為各種原因所導致的附加變形，其占比為10.5%，比例較小，此與相應(yīng)研究結(jié)果相符：鋼支撐與圍檁接觸不緊密時，容易產(chǎn)生軸向偏心，造成二階效應(yīng)，帶來支撐撓度增幅，但影響較小[17]，非主要因素。

表1 支撐組裝偏差所產(chǎn)生撓曲變形

綜上，各因素對支撐撓度影響程度從大至小依次為：自重、軸力、安裝偏差、附加變形，其中自重為影響支撐撓度的關(guān)鍵。

3 撓度控制

針對上述影響支撐撓度的主要因素，小組根據(jù)相關(guān)研究成果[17-21]及工程實踐經(jīng)驗，提出了“減小自重撓度”“減小軸力”“施加反撓度”“加設(shè)支撐構(gòu)件”4種撓度控制對策，并根據(jù)項目工期緊、任務(wù)重等實際情況，基于權(quán)重分析方法從可行性、時間性、經(jīng)濟性、有效性4個方面對各對策進行了綜合評價，經(jīng)比選，最終選定“施加反撓度”為實施對策，分析情況如表2、表3所示。

表2 指標權(quán)重及分值確定原則

表3 對策綜合評價

依據(jù)選定對策，提出具體實施措施：首先，根據(jù)支撐初始組裝撓曲變形，選擇初始撓度向上的一面朝上，張貼相應(yīng)監(jiān)測點標識，而后使用“三分法吊裝”就位，即使兩起吊點位于支撐長度1/3處，吊裝過程始終保持支撐初始撓曲變形朝上。支撐就位后、施加軸力前改變“三分法吊裝”為“中部單點吊裝”，緩慢拉緊吊繩，在支撐中部施加向上預緊力，使支撐繼續(xù)產(chǎn)生向上撓度變形，施加向上預緊力過程注意保持平穩(wěn)，確保支撐兩端不發(fā)生懸空，軸力施加完畢后放松吊繩，觀測支撐就位后初始撓度，并在架設(shè)完成25～30 d后，取相同比例支撐進行后期撓度觀測(本研究觀測樣本仍為50根，且為減少時空效應(yīng)對支撐撓度影響，各測點支撐所處開挖狀態(tài)盡可能與前期未采取反撓度措施監(jiān)測支撐保持一致)。反撓度措施實施原理如圖8所示，相應(yīng)觀測數(shù)據(jù)如表4所示，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)所整理措施實施前后撓度對比情況如圖9所示。

圖9 采取控制措施前后支撐撓度分布(監(jiān)測時間為架設(shè)后25～30 d)Fig.9 Deflection distribution of support before and after taking control measures (the monitoring time is 25～30 days after erection)

由表4可知，通過支撐組裝撓度變形及中部單點吊裝施加預緊力方法可提供10.6～18.2 mm(均值14.1 mm)向上反撓度，其符合《基坑工程內(nèi)支撐技術(shù)規(guī)程》(DB 11/940—2012)及《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB 9258—1997)中關(guān)于安裝撓曲變形不大于20 mm及支撐長度的1/1 000的要求；同時，措施實施后現(xiàn)場支撐實測撓度為20.7～36.6 mm(均值28.0 mm)，支撐整體撓度距離規(guī)范規(guī)定限值達6.7～22.6 mm，相比措施實施前支撐實測撓度28.4～45.2 mm(均值36.6 mm)出現(xiàn)明顯下降，支撐撓度得到有效控制。

ωa為向上反撓度(預拱撓度)；ωb為施加反撓度措施后支撐最終變形撓度；ωc為不采取措施狀態(tài)下支撐最終變形撓度圖8 反撓度措施實施原理Fig.8 Implementation principle of anti-deflection measure

表4 采取措施支撐撓度觀測數(shù)據(jù)

通過圖9對比可知，施加反撓度控制措施后，現(xiàn)場支撐撓度整體下降，下降幅值為7.3～11.6 mm，同時所有支撐撓度皆小于規(guī)范規(guī)定撓度限值5 mm以上，合格率達100%，且88%(46根)的支撐撓度小于規(guī)范限值10 mm以上，控制措施效果明顯，支撐體系安全性得到充分保證。另外，對比發(fā)現(xiàn)，支撐撓度下降幅值小于前期措施所提供的向上預拱撓度值，體現(xiàn)出預拱撓度不會100%反饋至撓度控制效果上來，會有一定折減。

4 結(jié)論

通過對磁各莊站地鐵深基坑無格構(gòu)柱鋼支撐撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)及撓度控制方法的分析研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)對于大跨度無格構(gòu)柱支撐體系，受建設(shè)過程中各種因素影響，存在支撐撓度超出規(guī)范規(guī)定限值現(xiàn)象，嚴重時會導致支護體系失穩(wěn)，影響基坑安全，因此施工過程中，不僅要按規(guī)范要求進行支撐軸力監(jiān)測，還應(yīng)加強支撐撓度監(jiān)測，并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整，以確?；邮┕ぐ踩?/p>

(2)自重及設(shè)計軸力作用下支撐撓度變形是影響支撐撓度的關(guān)鍵，對于本工程，兩者作用下支撐產(chǎn)生的撓度約占支撐實測撓度的78.2%，其中由支撐自重所產(chǎn)生撓度值占65.3%，因軸向受荷所產(chǎn)生撓度占12.9%，對于大跨度無格構(gòu)柱鋼支撐撓度控制可從此兩方面入手。

(3)相比改變既有支撐材料、支撐軸力及支撐體系，采用“施加支撐反撓度”方法，可快速、有效降低支撐撓度，確?；影踩?，同時不會增加較多額外工時、費用，值得類似工程參考。