地铁基坑施工期钢支撑轴力监测优化研究

孔 禹 汤继新 杜培贞 邵风行 刘 俊

地铁基坑施工期钢支撑轴力监测优化研究

孔 禹1，2汤继新3杜培贞3邵风行4刘 俊4

（1.江西飞尚科技有限公司，330200，南昌；2.基础设施安全监测与评估国家地方联合工程研究中心，330200，南昌；3.宁波市轨道交通集团有限公司，315101，宁波；4.宁波市政集团，315046，宁波//第一作者，助理工程师）

为提高地铁基坑施工期钢支撑轴力监测的准确性，对轴力计进行了改型设计。运用Midas软件模拟了三弦轴力计在偏心受压状态下的受力特性。结果表明：当轴力计内传感器增加到3个，且分别布置在承压面内接等边三角形的顶点上时，采用取平均值的方法能有效减小偏心受压对监测数据的影响。以宁波地铁3号线一期工程为依托，结合云平台技术，设计了钢支撑轴力自动化监测系统。通过实时连续的轴力值和温度值的一阶线性拟合，研究了钢支撑轴力的温度效应，得出三弦轴力计在偏心受压状态下监测的准确性。

地铁基坑；钢支撑轴力；三弦轴力计；自动化监测

U231.3

地铁车站施工方法以明挖法居多，基坑形式以长条形居多，地下连续墙加钢支撑的联合支护体系作为一种经济、有效的支护方式被广泛运用［1-3］。其中，钢支撑主要承受基坑工程中地下连续墙所传递的土压力。科学地采用预加轴力钢支撑，对周边环境保护、节约造价以及缩短工期具有明显优势［4］。但是，由于设计阶段所用土力学与土压力计算方法的近似性，与现场实际钢支撑轴力相差甚远。因此，加强现场钢支撑轴力监测，以此为依据采取相应的施工对策尤为重要［5-6］。

钢支撑大多采用Q235钢的薄壁圆筒结构加活络端。目前，地铁基坑项目中所使用的钢支撑在活络端与圆筒连接处，均存在较大缝隙。钢支撑在吊装、预加压等过程中极易造成轴力计偏心受压，如图1所示。由图1可知，在钢支撑吊装完后、预压之前，由于没有吊索的竖向拉力平衡钢支撑的重力以及支撑活络头与钢支撑之间伸缩缝隙的存在，导致钢支撑活头钢板不完全竖直，产生了一定的转角，从而发生轴力计偏压的情况。

图1 活络端与圆筒连接处缝隙图

目前，最常用的轴力计为单弦轴力计，当发生偏心受压时，无法真实反映现场钢支撑的轴力情况，且由于钢支撑热胀冷缩的温度效应［7-9］，使钢支撑的轴力随着气温而变化。因此，以宁波市地铁3号线一期工程TJ 3112标1#基坑作背景，为得到实时、准确的钢支撑轴力监测数据，运用三弦轴力计抵抗钢支撑安装过程中产生的偏心受压，结合自动化监测系统，将监测频率提高到30 min/次，同时接入温度监测元器件，来研究钢支撑轴力的温度效应。

1 工程背景

宁波轨道交通3号线一期工程TJ 3112标为高塘桥站—句章路站区间基坑。该基坑全长565 m，采用中隔墙分为3个小基坑。其中，1#基坑长135 m，开挖深度约15 m，采用地下连续墙+内支撑作为基坑的围护结构。地下连续墙采用厚0.8 m、C35混凝土浇筑，插入比约为1∶1.25。第1道为混凝土支撑，采用早强C30混凝土浇筑，高1 m、宽0.8 m；其余4道采用外径609 mm、Q235B型钢、壁厚16 mm的钢支撑，钢支撑间距为3 m；基坑坑底采用3 m宽、3 m深、间隔3 m的抽条水泥搅拌桩加固。基坑周围岩土体参数如表1所示。

2 三弦轴力计

由于单弦轴力计在偏心受压情况下，测值极易偏离现场实际，其值远小于实际轴力，现场参考价值较小。为验证增加钢弦数量，采用取平均值的方法消除或减小偏心受压影响的改型方法可行，利用有限元软件MIDAS建立了量程为0～300 t的三弦轴力计的偏心受压数值模型，如图2所示。该模型中，三弦轴力计采用45号钢，直径为140 mm，高度为122 mm；模型忽略轴力计中传感器内部钢弦及走线等空间，假设为实心体进行三维建模；采用MIDAS-GTS自动网格划分，为实现1/3、1/2和2/3面积的偏压，把底面圆分为三个面积相等的部分，再利用拉伸方法形成三维网格；模型底部均采用固结节点边界条件。

表1 基坑周围岩土体参数一览表

图2 三弦轴力计偏心受压数值模型

为分别模拟单弦轴力计和三弦轴力计在偏心受压情况下监测数据与真实值的接近程度，弦位取点方式示意图如图3所示。由图3可知，采用中心点，即 a4、b4、c4的取值来模拟单弦轴力计测得的轴力值；采用外围等边三角形3顶点来模拟三弦轴力计3根弦的位置。以此来验证是否可以通过取平均值的方法来消除或减小偏压的影响。

取点方式a为有一根弦位于受压区最底部；取点方式b为在方式a的基础上沿顺时针旋转60°；取点方式c为在方式b的基础上沿顺时针旋转60°。这三种取点方式是为了研究在相同偏压情况下钢弦的位置，即三弦轴力计放置角度对监测数据的影响。表2为数值模拟计算结果统计表。

图3 弦位取点方式示意图

图4 为不同程度偏压下三弦轴力计的相对误差拟合曲线图。由图4可知，对于大偏心，即1/3面积偏压及以下，效果最好的转角在0°附近；对于小偏心，即1/2或2/3面积偏压及以上，效果较好的转角在10～40°之间，其相对误差可以控制在10%以内；当效果最好的转角在30°左右时，相对误差可以控制在3%以内。

因此，通过数值模拟分析得出三弦轴力计可以利用三弦设计减小安装工艺引起的偏压影响，以得到更为准确的监测数据。

表2 三弦轴力计数值模拟计算结果统计表

图4 不同程度偏压下三弦轴力计的相对误差拟合曲线图

3 自动化监测系统

考虑到地铁基坑开挖现场工况复杂，连续供电和线缆保护较为困难。因此，钢支撑轴力监测现场采用无线节点、无线中继、无线网关及安心云平台等设备，利用Zigbee（区域无线组网技术）和GPRS网络组成自动化监测系统，如图5所示。由图5可知，三弦轴力计与无线节点之间需要线缆联接，其他可实现无线跳传。自动化监测系统的工作流程为：① 云平台发送采集命令给无线网关；② 无线网关给无线节点发送采集命令；③ 无线节点采集实时数据，并传输至无线网关；④无线网关把采集到的实时数据通过GPRS和互联网传输至云平台。

无线节点自带太阳能电板供电，无线网关接市电。无线节点固定在专用立柱上，无线网关放置在施工现场办公室内，确保距离200 m以内，以保证信号的可靠传输。

图5 自动化监测系统示意图

4 数据分析

本项目采用的三弦轴力计安装角度均采用1根钢弦旋至最低处的状态进行预加载，如图3 a）所示。基坑土方开挖过程中，可登录安心云平台，查看实时连续的钢支撑轴力监测值。

4.1 偏心受压

三弦轴力计采用经典弦原理，结合3根均匀分布的钢弦采集的频率得出3个不同的值，并取算术平均从而得到监测值。图6为2016年7月1日（当日现场无施工）测点ZL1-1中3根钢弦的频率时程曲线图。由图6可知，在无施工的1 d内，3根钢弦的频率并不固定，从凌晨 ～13∶00，ZL1-1-1的频率呈增大趋势，支撑轴力值减小；ZL1-1-2的频率呈减小趋势，支撑轴力值增大；ZL1-1-3的频率呈减小趋势，支撑轴力值增大。由此可知，三弦轴力计处于连续的、变化的偏心受压状态下。

图6 测点ZL1-1中3根钢弦的频率时程曲线图（2016-07-01）

表3为测点ZL1-1在2016年7月1日的偏压参数表。由表3可知，三弦轴力计3根钢弦测得的钢支撑轴力值不尽相同，说明了偏心受压的存在；且凌晨均值较小，正午均值较大，在未施工的情况下，显然钢支撑受温度影响发生热胀效应，而两端又受限于地下连续墙，无法释放温度应力而导致钢支撑轴力增大现象。

表3 测点ZL1-1的偏压参数表

当三弦轴力计在全截面均匀受压荷载下，3根钢弦的力值应相等，标准差应为0 kN。三根钢弦的标准差越大，说明偏压越严重，故可选用变异系数来作为三弦轴力计偏压程度的指标。

偏压系数=变异系数=标准差/均值 （1）

由式（1）可知，全截面均匀受压，即不发生偏压的偏压系数为0；偏压程度越严重，偏压系数越大。

4.2 温度效应

根据材料力学变形协调理论，假设钢支撑及地下连续墙均受自身材料特性影响而产生温度效应，并假设地下连续墙不向围岩侧发生变形。则钢支撑轴力的计算公式为：

式中各变量含义和取值见表4。将表4中的参数取值代入式（2）中可知：在20 m宽的基坑内，温度升高1℃，钢支撑轴力增加37.95 kN，即温度增量与钢支撑轴力增量呈线性关系。三弦轴力计内置有温度传感器，采集粒度与钢支撑轴力相同，均为30 min。因此，可对温度和钢支撑轴力这2个参数进行Polynomial一阶线性拟合，得出拟合优度R2和线性函数斜率K。

表4 宁波项目温度效应参数取值表

为使钢支撑和轴力计内置温度传感器处于同一温度场内，即避免阳光直晒造成温度场不一致，选取18：00—次日6：00的温度和钢支撑轴力数据进行一阶线性拟合。图7为测点ZL1-1在8月10日—13日4天内18：00—次日6：00的一阶线性拟合图。

对上述拟合优度R2和K值做统计，如表5所示。由表5可知，温度和钢支撑轴力拟合优度的平均值高达0.965 4，再一次证明了温度增量和钢支撑轴力增量的线性关系。通过拟合得到的一阶函数的斜率K值的平均值为-31.68，其物理意义为：温度升高1℃，钢支撑轴力增大31.68 kN，该值与理论推导值37.95 kN相差6.27 kN，即误差为16.5%，即ZL1-1在发生偏压的情况下，三弦轴力计测量由温度引起的钢支撑轴力时存在16.5%的误差。同理可认为，在基坑开挖过程中，由土压力导致的钢支撑轴力监测的误差也可控制在16.5%以内。故通过3弦取平均值的方法，即三弦轴力计可大大提高基坑施工过程中钢支撑轴力监测的准确性。

表5 测点ZL1-1线性拟合参数统计表

4.3 采集粒度

宁波轨道交通3号线一期工程TJ3112标1#基坑共布设20个三弦轴力计，设置采集粒度为30 min，即30 min采集1次数据。表6为1#断面数据采集频次统计表。由表6可知，在基坑施工过程中，测点ZL1-1的实际采集次数始终多于理论采集次数，实际采集粒度高于设置采集粒度30 min，达29.7 min，说明自动化监测系统数据连续性良好，可以适应基坑复杂的施工环境。

表6 数据采集频次统计表

5 结论

目前，由于钢支撑装配工艺缺陷以及单弦轴力计的设计缺陷等因素影响，现场监测数据无法真实反应钢支撑的轴力情况。本文以宁波地铁TJ3112标1#基坑为例，验证了基于三弦轴力计的钢支撑轴力自动化监测系统的可行性。其主要体现在以下3点：

（1）通过数值模拟和现场实施，验证了施工现场轴力计偏心受压的普遍性、多样性以及三弦轴力计抵抗偏心受压的能力；

（2）通过采用自动化监测系统，验证了无线节点、无线中继及无线网关等设备可适应地铁基坑复杂的施工环境，采集粒度稳定在设置的30 min；

（3）通过对温度和钢支撑轴力的实时连续数据的一阶线性拟合，验证了三弦轴力计在偏心受压情况下，仍能将监测误差控制在16.5%以内。

综上所述，基于自动化监测技术以及三弦轴力计的钢支撑轴力监测系统初步解决了地铁基坑施工过程中钢支撑轴力监测数据的准确性以及温度效应等难题。

图7 测点ZL1-1一阶线性拟合图

［1］ 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）：51-54．

［2］ 陈春红，吴明明，彭加强．深基坑钢支撑预加轴力计算取值的影响分析［J］．浙江建筑，2013，30（5）：43-25．

［3］ 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）：336-338．

［4］ 刘静，谢腾，张金鹏．钢支撑在基坑支护过程中的应力变化分析［J］．天津市政工程，2006，68：17-18．

［5］ 张明聚，由海亮，杜修力，等．北京地铁某车站明挖基坑施工监测分析［J］．北京工业大学学报，2006，10（32）：874-878．

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013［S］．北京：中国建筑工业出版社，2013．

［7］ 惠渊峰．某地铁车站深基坑钢支撑温度应力计算与分析［J］．建筑科学，2012，28（9）：101-103．

［8］ 欧阳平．支撑轴力与地下水位、气温的灰色关联分析［J］．城市勘测，2009（4）：155-157．

［9］ 陈锋，艾英钵．基坑钢支撑温度应力的弹性热力学解答［J］．科学技术与工程，2013，13（1）：108-109．

Optimization of Steel Support Axial Force Monitoring in Foundation Pit Construction

KONG Yu，TANG Jixin，DU Peizhen，SHAO Fengxing，LIU Jun

In order to improve the accuracy of axial force monitoring during the construction of metro foundation pit，the axial force meter is redesigned.Firstly，software Midas is used to simulate the force behavior of the three-axis axial force meter under eccentric compression，the results show that when the number of sensor in the axial force meter increases to three，which are arranged on the apex of the equilateral triangle in the bearing surface respectively，the application of averaging method can effectively reduce the influence of the eccentric compression on the monitoring data.Secondly，based on TJ3112 1#foundation pit on Phase I of Ningbo metro Line 3，and combined with cloud platform technology，an automatic monitoring system of steel support axial force is designed.Finally，the temperature effect of the steel support axial force is studied through the first-order linear fitting of the real-time continuous axial force value and the temperature value，the accuracy of the three-axis axial force meter in eccentric compression state is achieved.

metro foundation pit； steel support axial force；tree-axis axial force meter；automatic monitoring

10.16037/j.1007-869x.2017.10.023

First-author′s address Jiangxi Fashion Technology Co.，Ltd.，330200，Nanchang，China

2017-01-13）