钢支撑轴力在安装过程中的监测分析
2016-08-01王俊东王红咏
王俊东 梁 寅 王红咏
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
钢支撑轴力在安装过程中的监测分析
王俊东梁寅王红咏
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)
摘要钢支撑由于其架设进度快、轴力可复加、可重复使用等优点被广泛应用于地铁基坑工程的支护系统中。但大量的实测数据表明，钢支撑架设并完成预应力施加后，实测轴力往往远小于设计要求。以长三角某城市地铁深基坑工程钢支撑施工现场试验为例，观测支撑轴力在施加预应力前后的动态变化，得出钢支撑在架设后的轴力变化规律，提出适当提高预加轴力峰值及进一步减小千斤顶回撒前轴力损失的具体思路。
关键词钢支撑轴力试验
在城市地铁基坑工程的土方开挖过程中常常由于钢支撑架设滞后、钢支撑轴力偏小等因素导致两侧围护结构变形超限，如相邻围护结构产生差异变形，则在围护结构之间会产生渗漏缝隙，引起坑外水土流失，对基坑及周边环境形成一定的安全隐患。如何确保钢支撑的有效预加轴力，满足设计要求，是现场施工人员长期关注的问题。通过基坑工程钢支撑安装试验中的实测数据汇总、分析，总结了钢支撑在架设后的变化规律，对现场钢支撑的安装及预应力施加具有一定的指导意义。
1工程概况
某城市地铁区间采用明挖顺作法施工，基坑主体结构长177.6 m，宽10.8 m，挖深17.3-17.6 m，基坑风险等级为二级，环境风险等级为二级。基坑围护结构采用800 mm厚地下连续墙，设置四道支撑：(1道砼支撑+3道钢支撑)，第2～4层支撑为609 mm×16 mm钢支撑。
基坑开挖深度范围内的土层主要为①人工填土层、③1黏土层、③2粉质黏土、③3粉土、④1粉质黏土层、④2粉土层；基底落于④2粉土层；围护结构在坑底以下继续穿越④2粉土、⑤1粉质黏土、⑤2粉土、⑦2粉土层。⑤2粉土、⑦2粉土层为承压水层且连通，围护结构未截断⑦2粉土层。
2试验目的
①钢支撑施加预应力时，油压表换算的理论轴力与轴力计实测轴力对应情况；
②钢支撑施加预应力过程中，实测轴力的消散量和消散过程。
3轴力计安装
钢支撑轴力监测采用轴力计(量程2 500 kN)观测。安装步骤如下：
①先将专用的轴力圆筒安装架焊接在钢支撑固定端面，端面与安装架之间要加焊一块不小于25 mm厚的加强垫板，焊接时注意圆筒安装架轴线要与钢支撑的轴线重合。
②待安装支架冷却后，将轴力计推入圆筒安装架内，并用螺丝固定(如图1所示)。
图1 钢支撑轴力计现场安装照片
③钢支撑吊装就位后，即安装架的另一端(空缺的那一端)与围护墙体上的钢板对上，中间加一块250 mm×250 mm×25 mm的加强钢垫板，以扩大轴力计受力面积，防止轴力计受力后陷入围护墙影响试验结果。
④将读数电缆接到安全观测区域，外露电缆作好保护措施。
4试验过程
(1)记录轴力计在安装前的初始频率。
(2)钢支撑吊装就位后，使用千斤顶对钢支撑分25 MPa、32 MPa、48 MPa三级施加预应力，待钢锲打入、油顶回撤后采集轴力计读数。
(3)完成加力后每10 min左右观测1次，连续观测3次。
(4)次日在同一外界条件下对轴力计再行观测一次。
(5)在临时支撑加力过程中，观测油压表和轴力计读数动态对应情况。
5计算公式
轴力计计算方法
式中N——钢支撑轴力/kN；
k——轴力计标定系数；
fi——轴力计监测频率/Hz；
f0——轴力计安装后的初始频率/Hz。
千斤顶换算预加轴力：
根据施工单位提供的千斤顶1号、2号检定证书中的校准方程换算，千斤顶1号校准方程为
y=0.032 7x-0.688 5
千斤顶2号校准方程为
y=0.032 7x-0.819 7
式中x——试验力/kN；
y——千斤顶指示器示值/MPa。
根据千斤顶1号、2号校准方程换算出对应油压下千斤顶施加在钢支撑上的理论预加轴力为
F=(2y+0.688 5+0.819 7)/0.032 7
值得说明的是,关于为什么上述斜向垂直环流圈在某一时段能够形成而在另一时段不能形成的原因则还需进一步探索。
式中F——理论预加轴力/kN；
y——千斤顶指示器示值/MPa。
6实测数据分析
(1)试验一
分三级(25 MPa、32 MPa、48 MPa)施加预应力，待钢锲打入、油顶回撤后采集轴力计读数，每隔10 min观测1次，连续观测3次，次日同等外界条件下(同温度、同荷载)再行观测一次(如表1所示)。
表1 分级施加后预应力后的实测轴力统计
注：本次实测轴力为打入钢锲、油顶回撤后的稳定读数计算值。
由表1汇总数据对比分析可知：
①使用千斤顶油压表峰值换算出的理论轴力并非钢支撑有效实际轴力，实际轴力损失较多，随着预应力的加大，实际轴力损失量会有所减小。当油压峰值25 MPa(换算理论轴力约1 575 kN；12时05分)时，打完钢锲、回撤油顶后，实际轴力为523.88 kN，损失66.74%；当油压峰值为32 MPa(换算理论轴力2 003 kN；12时10分)时，打完钢锲回撤油顶后，实际轴力为866.32 kN，损失56.76%；当油压峰值48 MPa(换算理论轴力2 983 kN；12时20分)时，打完钢锲回撤油顶后，实际轴力为1 518.28 kN，损失49.10%。
②轴力预加完成后，随着时间推移，轴力会有所消散，当外界荷载及温度条件相对稳定时，会逐渐趋于稳定。12时20分时，实际轴力为1 518.28 kN；12时30分时，实际轴力为1 487.68 kN，轴力消散2.02%；12时40分时，实际轴力为1 477.10 kN，轴力消散2.71%；12时50分时，实际轴力为1 455.91 kN，轴力消散4.11%；13时00分时，实际轴力为1 450.61 kN，轴力消散4.46%；次日13时10分时，实际轴力为1 433.97 kN，轴力消散5.55%。
在临时支撑加力过程中，同步观测油压表读数和轴力计读数，每增加2 MPa同步观测一次，待增加到50 MPa后，打入钢锲、回撤千斤顶后再行观测一次(如表2)。
表2 分级施加后预应力过程中实测动态轴力统计
注：本次实测轴力为加力过程中对应油压表读数的瞬时读数计算值。
由表2汇总数据对比分析可知：
①千斤顶油压在增大过程中，通过轴力计测出的动态轴力基本呈线性增长，油压表读数换算出的轴力和实测轴力大致相同。当油压表峰值达50 MPa(换算轴力约3 104 kN)时，通过轴力计测出峰值为3 081.07 kN，为换算轴力的99.25%。
②千斤顶加力至峰值后，在打入钢锲并回撤油顶过程中，轴力损失较大。当油压表峰值达50 MPa时，通过轴力计测出峰值为3 081.07 kN，待打入钢锲并回撤油顶后，实测轴力为1 803.37 kN，轴力损失41.47%。
③轴力计在突破2 500 kN量程后，示值仍呈线性增长，所测得轴力依旧可以精确反映钢支撑实际受力情况。但考虑实际基坑工程中，钢支撑预加轴力通常不会大于2 000 kN，而且如果千斤顶油压太大易导致千斤顶油管爆裂，具有一定的安全隐患，因此，在实际施工过程中，不建议对钢支撑施加过高的预应力。
7结论和建议
①使用千斤顶预加钢支撑轴力时，油压表换算出的轴力峰值与轴力计实测轴力峰值大致相同，但由于大部分轴力损失在打入钢锲并回撤油顶的过程中，其最终的有效轴力是否达到设计要求应通过附近轴力计实测验证。
②在预加轴力达到峰值(25～50 MPa范围内)后、打入钢锲并回撤油顶过程中，实际轴力约损失40%以上，随着预加轴力的加大，实际轴力消散量有所减小。
③钢支撑完成轴力预加后，10 min内轴力完成大部分衰减，随着时间推移衰减量有所减小。
④使用千斤顶预加轴力可以使钢支撑短暂达到设计轴力，但在打入钢锲并回撤油顶的过程中“保力”难度较大，如何进一步减小钢支撑的轴力损失，可以从“适当提高预加轴力峰值”和“进一步减小千斤顶回撤前的轴力损失”两个思路着手。
参考文献
[1]崔荣方 朱威 王培达 深基坑钢管支撑轴力监测分析[J].山西建筑，2013，39(31)
[2]王学军.沈阳地铁某站后折返线基坑钢支撑轴力监测与分析[J].隧道建设，2007，27(3)
[3]武进广 王彦霞 杨有海 杭州市秋涛路地铁车站深基坑钢支撑轴力监测与分析[J].铁道建筑，2013(10)
[4]王光明，萧岩，卢常亘.深基坑钢支撑施加预加轴力的合理数值分析[J].市政技术，2006，24(5)
[5]洪德海.钢支撑预加力对围护结构内力的影响分析[J].铁道勘察，2010(2)
[6]杨吉忠，吴来明.深基坑支撑轴力测试新方法的应用[J].地铁与轻轨，2000(1)
[7]李姝国.钢支撑支护技术开挖深基坑的实践[J].河北冶金，2012(6)
[8]黄胜平，韩明华.地铁换乘车站深基坑支护体系测试研究[J].铁道工程学报，2012(5)
[9]姜志刚.大跨度地铁车站深基坑中的钢支撑施工技术[J].建筑施工，2012，34(2)
[10]刘奇.地铁车站深基坑钢支撑施工技术[J].建材与装饰，2011(6)
[11]陈书贵.环形支撑系统基坑的围护结构变形分析[J].铁道勘察，2011，37(5)
[12]姚燕明，周顺华，孙巍.支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响[J].地下空间，2003，23(4)
收稿日期：2016-03-11
第一作者简介：王俊东(1984—)，男，2006年毕业于东华理工学院，工学学士，工程师。
文章编号：1672-7479(2016)03-0057-03
中图分类号：TU473.2
文献标识码：B
Monitoring and Analysis on Acial force of Steelpipe Support During Installation Procedure
WANG JundongLIANG YinWANG Hongyong
