寧波地鐵深基坑鋼支撐預(yù)加軸力分析

摘 要：為了提高鋼支撐結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用水平，解決平面規(guī)則的狹長(zhǎng)型地鐵深基坑施工中存在的鋼支撐預(yù)加軸力不足問(wèn)題。本文采用案例研究法，將寧波地鐵6號(hào)線一期多個(gè)地鐵車(chē)站深基坑作為研究對(duì)象，參考收集的鋼支撐結(jié)構(gòu)施工的軸力數(shù)據(jù)，分析預(yù)加軸力的損失情況。研究結(jié)果證明，鋼支撐預(yù)加軸力的損失主要發(fā)生在千斤頂卸除階段，其后受支撐端部接觸面的平整度、鋼支撐架安裝質(zhì)量、軸力計(jì)安裝以及鄰近支撐軸力的相干性影響，產(chǎn)生了漸變損失。

關(guān)鍵詞：鋼支撐；預(yù)加軸力；軸力損失

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 94" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概述

寧波屬典型軟土地區(qū)，受軟土的低強(qiáng)度、高壓縮性、高靈敏度、流變性等特性的影響，在基坑開(kāi)挖中，會(huì)產(chǎn)生較大變形，對(duì)基坑及周邊環(huán)境的變形控制極為不利。鋼支撐因其連接形式簡(jiǎn)單、受力明確，型號(hào)多樣可滿足不同的荷載和剛度要求，并且安裝便捷，能多次重復(fù)使用，在平面較規(guī)則的狹長(zhǎng)型地鐵深基坑工程中廣泛應(yīng)用。

鋼支撐由固定端、活絡(luò)端及多個(gè)支撐管節(jié)組成，在基坑上方預(yù)拼裝完成，基坑開(kāi)挖至一定深度后吊放至固定位置進(jìn)行安裝。在安裝完成后給鋼支撐施加一定的軸力，消除鋼支撐、圍檁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的施工縫隙，將支撐體系與圍護(hù)結(jié)構(gòu)密貼，使鋼支撐起到支撐作用，抵抗基坑側(cè)向土壓力以達(dá)到控制基坑變形的目的。從上述作用機(jī)理可以看出，只有鋼支撐的預(yù)加軸力達(dá)到合理范圍才能起到支撐作用，但在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)出現(xiàn)預(yù)加軸力不足或軸力損失過(guò)快的情況。本文主要結(jié)合寧波地鐵多個(gè)車(chē)站基坑的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)鋼支撐預(yù)加軸力不足及損失過(guò)快的原因進(jìn)行分析[1]。

2 鋼支撐預(yù)加軸力

以寧波地鐵6號(hào)線一期4個(gè)車(chē)站主體基坑的典型鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)鋼支撐預(yù)加軸力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得了4個(gè)工點(diǎn)預(yù)加軸力占比的分布數(shù)量統(tǒng)計(jì)表（表1），表中為鋼支撐預(yù)加軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取的數(shù)量以及預(yù)加軸力占據(jù)設(shè)計(jì)軸力的情況。其中，在工點(diǎn)一的42個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，有9根預(yù)加軸力小于30%的設(shè)計(jì)軸力，有4根超過(guò)80%的設(shè)計(jì)軸力，其他為30%～80%。在工點(diǎn)二的32個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，軸力分布類(lèi)似工點(diǎn)一，23根處為30%～80%。在工點(diǎn)三的58個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，17根小于30%，29根為30%～60%，4根大于80%。在工點(diǎn)四的23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，7根低于30%，12根為30%～80%，4根大于80%。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，鋼支撐軸力不應(yīng)低于設(shè)計(jì)預(yù)加軸力80%，設(shè)計(jì)預(yù)加軸力一般為設(shè)計(jì)軸力的70%～80%，即鋼支撐軸力不應(yīng)低于設(shè)計(jì)軸力的60%左右。由此可知，統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)大部分鋼支撐均存在預(yù)加軸力不足的情況，占比約為62%。且各工點(diǎn)的差異性也比較大，工點(diǎn)一、二、四預(yù)加軸力不足的鋼支撐占比為50%～52%，工點(diǎn)三占比為79%，從側(cè)面反映出預(yù)加軸力與施工水平存在一定相關(guān)性[2]。

眾所周知，鋼支撐在預(yù)加軸力過(guò)程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生軸力損失，考慮這個(gè)因素，在寧波地鐵基坑鋼支撐軸力預(yù)加施工中，千斤頂?shù)淖罱K加壓值要求達(dá)到設(shè)計(jì)軸力的110%～130%。實(shí)際仍然存在較多預(yù)加軸力不足的情況，為分析鋼支撐軸力損失來(lái)源，對(duì)工點(diǎn)一、二、三鋼支撐預(yù)加軸力過(guò)程中及預(yù)加后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 鋼支撐軸力損失實(shí)測(cè)分析

在工點(diǎn)一、工點(diǎn)二、工點(diǎn)三中選取4～6個(gè)鋼支撐，在千斤頂加壓至卸除后24h的軸力變化時(shí)程曲線圖如圖1～圖3所示。其中，Zg1-1#～Zg3-4#為各工點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)，縱坐標(biāo)為鋼支撐軸力，橫坐標(biāo)為千斤頂加壓、卸除后的軸力變化時(shí)間，由此繪制各工點(diǎn)鋼支撐預(yù)加軸力的損失率統(tǒng)計(jì)表（表2）。

千斤頂卸除軸力損失率=（千斤頂加壓值-千斤頂卸除后軸力值）/千斤頂加壓值。預(yù)加后12h軸力損失率=（千斤頂千斤頂卸除后軸力值-卸除后12h軸力值）/千斤頂加壓值。

從圖1～圖3可知，在千斤頂卸除的階段，3個(gè)工點(diǎn)的鋼支撐軸力均發(fā)生了突降，卸除后施工中的軸力減少，之后接近平穩(wěn)。

從表2可知，各點(diǎn)號(hào)設(shè)計(jì)軸力與千斤頂加壓、卸除以及預(yù)加12h的軸力損失率與平均損失率，由此可知，千斤頂卸除階段的軸力損失率為30%～70%，損失率均值約為46.8%，千斤頂卸除后12h內(nèi)的軸力漸變損失率基本在20%內(nèi)，損失率均值約為10.5%。各工點(diǎn)的差異性主要體現(xiàn)在千斤頂卸除階段的軸力損失，工點(diǎn)一千斤頂卸除階段損失率均為39.1%，工點(diǎn)二千斤頂卸除階段損失率均為48.3%，工點(diǎn)三千斤頂卸除階段損失率約為56%，千斤頂卸除后的漸變損失各工點(diǎn)差異性并不大，千斤頂卸除后12h內(nèi)的軸力損失率均值均為10%左右。

4 鋼支撐軸力損失原因分析

4.1 千斤頂卸除階段的軸力損失原因分析

鋼支撐一端設(shè)有活絡(luò)頭，因此通過(guò)兩個(gè)千斤頂施加預(yù)應(yīng)力，加壓時(shí)在活絡(luò)頭內(nèi)放置鋼楔塊，在分級(jí)加壓且鋼楔塊楔緊后，千斤頂回油卸除，此時(shí)千斤頂承受的預(yù)加軸力轉(zhuǎn)為鋼楔塊承擔(dān)，由此產(chǎn)生軸力損失。此時(shí)的軸力損失：在鋼楔塊承擔(dān)全部軸力后，原穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變，鋼楔塊產(chǎn)生了錯(cuò)動(dòng)和塑性變形，直到達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，鋼支撐管節(jié)也發(fā)生松弛，從而產(chǎn)生大量的軸力損失。鋼楔塊安裝、楔緊由人工完成，人工操作誤差可能存在安裝不平整，會(huì)導(dǎo)致偏心或安裝縫隙、插入深度不足、未完全楔緊等情況，無(wú)法承擔(dān)全部軸力，引起軸力損失。

通過(guò)分析可知，千斤頂卸除時(shí)的支撐軸力損失率約為46.8%，最高可達(dá)到70%，此時(shí)的軸力損失是不可避免的，因此可盡量減少軸力轉(zhuǎn)換階段鋼楔塊引起的軸力損失：采用高強(qiáng)度的鋼材加工鋼楔塊，加工時(shí)須保證接觸面的平整度，必要時(shí)進(jìn)行打磨，避免使用銹蝕、變形、接觸面不平整的老舊鋼楔塊；在鋼楔塊安裝中要保證接觸面密貼，減少施工縫隙，上下對(duì)稱楔入，分級(jí)加壓穩(wěn)壓時(shí)多次緊固，保證楔入度，采取限位措施，防止鋼楔塊擠出[3-5]。

4.2 其他軸力損失因素分析

鋼支撐端部與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面不平整：在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，因質(zhì)量管控不力或客觀因素影響，地墻墻面易出現(xiàn)鼓包、漏筋等質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致鋼支撐端部或圍檁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面無(wú)法密貼，未經(jīng)處理或處理不當(dāng)會(huì)使接觸面存在較大空隙，產(chǎn)生應(yīng)力集中造成軸力損失。

鋼支撐架設(shè)質(zhì)量控制不到位：在鋼支撐安裝中存在質(zhì)量通病，例如管節(jié)法蘭不匹配導(dǎo)致對(duì)接偏差或錯(cuò)臺(tái)，定位誤差導(dǎo)致橫向或豎向偏心，鋼支撐管節(jié)、法蘭、活絡(luò)頭變形，鋼支撐架設(shè)位置不到位，鋼圍檁無(wú)有效連接措施及限位措施，預(yù)加軸力未分級(jí)施加，在加壓過(guò)程中穩(wěn)壓時(shí)間控制不到位等，以上支撐架設(shè)質(zhì)量因素都會(huì)導(dǎo)致鋼支撐軸力損失[6]。

軸力計(jì)安裝引起軸力損失：在軸力計(jì)安裝過(guò)程中，由于安裝誤差、局部變形、墻面不平等因素影響，因此軸力計(jì)容易處在偏心受力狀態(tài)，導(dǎo)致軸力計(jì)不能真實(shí)反映鋼支撐軸力，造成軸力損失。除此之外，軸力計(jì)截面尺寸比鋼支撐截面尺寸小，在受力后會(huì)引起鋼支撐固定端鋼板凹陷、變形甚至塑性破壞。目前，為防止出現(xiàn)上述情況，一般都會(huì)在軸力計(jì)兩側(cè)加加強(qiáng)鋼墊板，采用軸力計(jì)專用法蘭或?qū)Ｓ霉芄?jié)安裝軸力計(jì)，采用以上方式可以一定程度上避免軸力計(jì)安裝引起軸力損失問(wèn)題。

鄰近支撐架設(shè)引起軸力損失：受軸力相干性影響，在對(duì)新近安裝的鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力后，會(huì)導(dǎo)致鄰近的鋼支撐軸力損失，預(yù)加軸力越大損失率越高，距離4m內(nèi)的支撐軸力損失會(huì)比較大，且基坑中部的支撐軸力受相干性影響大于基坑端頭。為減少軸力相干性引起的軸力損失，應(yīng)盡量同時(shí)架設(shè)同一幅地墻的兩根鋼支撐，不僅可減少鄰近支撐架設(shè)引起的軸力損失，還利于地墻協(xié)調(diào)變形控制[7]。

5 結(jié)論

針對(duì)鋼支撐預(yù)加軸力不足的問(wèn)題，本文對(duì)寧波市地鐵6號(hào)線一期數(shù)個(gè)車(chē)站基坑實(shí)際鋼支撐預(yù)加軸力情況進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)鋼支撐預(yù)加軸力不足的原因進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論。1）寧波地鐵基坑鋼支撐軸力預(yù)加軸力不足主要由千斤頂卸除階段的軸力損失及卸除后的軸力損失引起，千斤頂卸除階段的軸力損失約為加壓值的30%～70%，損失率均值為46.8%，千斤頂卸除后12h內(nèi)的軸力損失率基本在20%內(nèi)。2）千斤頂卸除階段的軸力損失主要由軸力轉(zhuǎn)換時(shí)鋼楔塊的錯(cuò)動(dòng)偏移、塑性變形以及安裝誤差引起。3）支撐端部與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面的平整度、鋼支撐架設(shè)安裝質(zhì)量、軸力計(jì)的安裝以及鄰近支撐軸力的相干性影響都會(huì)引起鋼支撐軸力漸變損失。

參考文獻(xiàn)

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[7] 陳濤，宋靜，翟超.考慮時(shí)空效應(yīng)軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖變形分析[J].巖土工程技術(shù)，2019，33（3）：149-153.