复杂环境下地铁车站超深基坑锚索应力损失控制研究

2021-01-09任志亮

铁道科学与工程学报 2020年12期

任志亮

任志亮

(中国铁建投资集团有限公司，北京 100855)

桩锚结构在基坑支护体系中具有广泛的应用，但在对锚索施加预应力之后，锚固体本身、锚头等装置以及锚固体周边土体均会受到影响，从而产生预应力损失。针对此种情况，结合锚索预应力损失理论分析和模型研究，根据青岛鞍山地铁车站超深基坑锚索施工情况，采取内支撑+格构柱的应急支撑体系来控制锚索预应力损失。通过对锚索轴力，周围地表沉降以及桥墩沉降数据进行现场监测，验证该应急支撑体系的有效性。同时对钢支撑轴力进行监测，表明采用篷布遮挡的方式可以减弱温度对支撑体系的影响，并在此基础上对该内支撑体系的拆除及后期优化提出了相关建议。大量实地监测数据充分反映出该应急支撑体系能够控制锚索的预应力损失，在一定程度上保障了基坑施工的安全，具有工程实用价值。

地铁车站；超深基坑；锚索预应力损失；监测分析

自20世纪80年代以来，国外岩土工程领域支锚结构体系按荷载传递途径，锚索腐蚀，评估预应力锚索的长期工作性能进行研究[1−4]，在最近几年中，通过预应力锚索这种支护形式对地铁车站深基坑进行支护逐渐得到了广泛的应用[5−6]。但是这种支护方式也存在着自身的缺点，比如在施工过程中，锚索预应力出现损失是非常普遍的问题[7−9]。锚索预应力损失既会削弱锚杆的支护效果，又抑制了其主动支护优势的发挥，同时如果应力损失不受约束而不断增大，会导致锚杆失效，进而使锚杆控制的土层发生突发的侧向位移，甚至有可能因此发生基坑坍塌等更严重的工程事故。所以基于工程安全考虑，对锚索预应力损失相关理论进行分析研究,并结合实际工程提出相应的解决方法是目前所面临的重要问题。毛佳艳等[10]依托石家庄地铁东里站采用的基坑锚索支护工程实例,对预应力锚索的主要施工方法进行了介绍。在此基础上分别从钢绞线松弛、施工因素、注浆控制以及锚具张拉损失等方面分析了造成预应力锚索应力损失的主要原因，并分别提出了针对性的改进措施。何正勇[11]分析了支护结构的变形和影响因素，根据监测的数据分析，对支护设计进行了调整，采取了相应施工措施来保证了支护结构的安全，在基坑支护施工中，合理的监测方法和准确的监测结果对基坑支护的施工非常重要。张维建[12]以有关预应力锚索的工作原理、设计、施工、试验长期监测及工作应力检测等为主线，以预应力锚索的工作应力为切入点，利用模拟对比验证等方法对预应力锚索在基坑工程的应用进行研究论述。刘金等[13]以义乌世贸中心工程为例,详细介绍了预应力锚索在深基坑支护中的施工要点以及避免预应力锚索在张拉过程中出现应力损失的预防措施,供相关工程参考。李长元[14]在深基坑桩锚支护体系施工中，发现预应力锚索的轴力存在不同程度的损失，有的甚至在张拉后24 h内出现应力损失一半左右的情况，严重影响到基坑的稳定安全。在施加的锚索预加力不同时，其基坑支护体系相应的基坑变形和结构内力也会发生变化，蔡立周等[15]对此进行了相关研究，分析了锚索预加力施加值的合理区间。张世民等[16]研究表明：基坑开挖对邻近建筑物的影响主要是在房屋基础以上的范围内,超过建筑物基础深度时，继续开挖对邻近建筑物的影响不再有明显变化。基坑围护结构的存在，在一定程度上会对建筑物的沉降控制有利。由以上相关文献可以看出，人们对于锚索预应力损失问题的研究大都集中在施工层面，依托实际工程和监测数据对锚索预应力损失现象进行描述与总结，而少有对损失机理进行分析，以及探讨减少预应力损失的有效且可行的方法。本文在以往研究的基础上，首先介绍锚索预应力损失相关理论，对造成预应力损失的有关原因进行分析，并给出相关计算公式。为了降低预应力损失对工程结构造成的不利影响，降低安全隐患，将在此基础上以青岛地铁鞍山站基坑锚索支护为例，结合该工程实际提出使用内支撑体系作为控制锚索预应力损失的措施，同时通过监控锚索轴力，周围地表以及桥墩沉降数据验证该控制方案的合理性和有效性。最后对内支撑体系后期优化及拆除提出相关建议，以期为同类工程提供借鉴。

1 深基坑锚索应力损失

1.1 预应力损失原理

根据众多的实际工程经验，造成锚索预应力损失通常由以下2个因素引起：第1个因素是预应力施加到锚索上后，短期内锚索的回缩造成结构体系的压缩变形以及施工或者设计过程中的缺陷使其产生预应力损失；第2个因素是锚索支护体系在长期的预应力荷载作用下，锚固段周边岩体会发生蠕变，灌浆材料也会产生徐变现象，这些都会造成锚索的预应力损失。

因此预应力的损失可以总结为短期和长期2个方面的原因。其中短期原因包括：

1) 夹片、锚具压缩形变产生的预应力损失；

2) 油泵、千斤顶等张力系统内的摩擦阻力引起的预应力损失；

3) 由震动、爆破冲击力等外界扰动造成的预应力损失。

其中第1项是由于张拉结束并进行锚固时，锚具和夹片将受到来自钢绞线收缩引起的巨大压力，进而使其产生压缩变形，此项预应力损失可以通过式(1)进行计算：

式中：为计算的预应力损失值，kN；为钢绞线的横截面积，m2；Δ为夹片与锚具的压缩形变量，m；为自由段的有效长度；y为钢绞线的弹性模量。

通过查阅国内多个锚索工程中对预应力的测定数据，发现短时间内预应力损失有如下特点：当锚索张拉完毕并锁定后，3～10 d内的预应力损失量是比较大的，能够占到总预应力损失量的30～50%，所以针对短期内的预应力损失，可以在张拉锁定施工完成3～10 d后通过对锚索进行补偿张拉以尽量减少其预应力的损失。

另一方面锚索在长期荷载作用下的预应力损失，关系到锚索工程的耐久性和安全性，对于结构安全同样非常重要。但是由于长期荷载作用下预应力损失的机理比较复杂，影响因素繁多，当前的研究还很难对预应力损失进行定量准确的计算。对此，针对长时间跨度下预应力的损失可以概括为以下3部分：

1) 由于循环往复荷载造成的预应力损失；

2) 受外界环境影响以及其中的腐蚀介质所产生的预应力损失；

3) 由岩体蠕变与钢绞线松弛引起的预应力损失。

1.2 各种变形引起的预应力损失

锚索服役过程中的总变形可以通过式(2) 表示：

式中：1和2分别表示锚杆自由段杆体和锚固体的弹性变形；3表示锚固体和土体二者间的剪切变形；4表示锚固体以及自由段杆体的塑性变形；5表示外力作用下土体自身的塑性形变；6表示锚头、承台结构以及锁定系统之间的空隙。

对于常规锚索的应力计算，因为土体、锚固体和自由段杆体发生的塑性变形都较小。所以理想状态下可对式(2)进行简化，其锚索的变形为：

但是工程实际中很少有理想状态，4，5和6这些非弹性变形是存在且不可忽视的，是影响锚索预应力损失的重要因素。特别是对于力学性质较差或者含水量较高的软弱土层，其塑性形变往往比较大，反而会使锚索预应力产生较大损失。为此，结合车站基坑的实际工作环境，考虑采用增加支撑的方式来减少周围土体变形，从而控制锚杆的预应力损失。

1.3 岩体蠕变造成的预应力损失

岩体蠕变是造成锚索预应力损失的一个重要原因。对锚索施加预应力后，岩体内部存在的节理与裂隙等在外作用下被压缩，这一缓慢的过程会持续很长时间。一般情况下，岩体质量较好的其变形较小，蠕变也相应较小。但如果是裂隙较多的软岩，其预应力损失是不容忽视的。

根据流变力学，Kelvin模型和Maxwell模型可以描述不同岩体的蠕变性质。图1为Kelvin模型的示意图，它是由一个弹簧()和一个黏性元件()并联而成的，其本构模型可用式(4)进行表达：

该模型可以用来解释应变随时间推移的蠕变现象。随着时间无限延长，应变不再变化并趋向某一定值。其不足之处在于无法描述瞬时应力松弛与弹性变形的现象。

图2为Maxwell模型的示意图，它亦是由一个弹簧()和一个黏性元件()组成，不同之处在于2个元件的连接关系为串联，其本构模型为：

该模型能够描述以下2种现象：当应力一定时，岩土体发生匀速蠕变；当变形一定时，应力发生匀速衰减即应力松弛现象。

在考虑以下几点前提的基础上：1) 对预应力锚索进行模拟时，忽略结构上的细节，仅仅考虑受力情况的相似性；2) 类比岩体蠕变过程与锚索预应力变化过程，暂不考虑岩体自身重量和周围环境应力的影响。3) 考虑岩土蠕变和锚索预应力损失二者相互影响，岩土体蠕变会使预应力产生损失，而同时其结果又会对影响到岩体的蠕变速度；4) 假设岩土体为均匀连续介质，通过调整岩土体弹性模量来处理解决结构面和其他细节的影响。将上述2种模型并联起来，从而建立起反映岩土体蠕变特点的新型预应力损失模型，如图3所示。

图3 预应力损失模型

此模型为2种较简单模型组合而成，由图3可知有4个参数，模型具体的推导及验证过程如下。根据预应力损失模型，有

因为当不等于0时，()=0，因此锚索拉力为

式中：为锚索拉力值；为锚索的横截面积。

2 工程概况

鞍山站为4号线和8号线的换乘站，车站南侧和东侧均为高架桥。车站主体采用明挖顺筑法施工，车站基坑深度38.5～42 m，从上到下的地层依次为素填土、粉质黏土(0～2.9 m)、强风化花岗岩(0.4～8.3 m)、中风化、微风化花岗岩及花岗斑岩(1.2～42 m)，穿插有煌斑岩及块状碎裂岩，富水性贫。围护结构采用钢管桩结合预应力锚索(锚杆)支护体系，根据基坑深度的不同，车站基坑较深处采用三级钢管桩+锚索(锚杆)的形式，基坑深度较浅处采用两级钢管桩+锚索(锚杆)+放坡的围护结构形式，上排采用双排或单排钢管桩，中排及下排采用单排钢管桩。

单位：mm

东西向车站小里程端基坑与高架桥位置关系如图4所示，基坑采用三级钢管桩+锚索(锚杆)的形式，上排采用双排钢管桩，中排及下排采用单排钢管桩。钢管桩钻孔直径200 mm，采用外径168 mm钢管，壁厚8 mm，钢管桩间距1.0 m，桩顶设冠梁，钢管底插入冠梁底部或基坑底部底不少于1.5 m，锚索(锚杆)水平间距2 m。车站主体围护结构外边缘距离高架桥承台最近处17.1 m。

3 锚索应力损失控制应急内支撑体系

为防止锚索应力损失带来的次生灾害，考虑基坑宽度较大，按相关施工风险管理规定[17]，临近既有建筑构筑物为施工期主要管理风险，因此应严格控制施工风险。在第1节的理论基础之上，考虑在车站西端应力损失部位采用增加内支撑+格构柱的应急支撑体系。基坑竖直方向设置2道钢支撑，钢支撑采用直径800 mm、壁厚20 mm的钢管，竖向间距8.45 m，钢支撑设置双道防坠落措施。第1道和第2道均采用车站纵向设置8道钢支撑，水平间距3.5 m，钢支撑横剖面图如图5所示。预加轴力时实时对锚索应力进行监测，一旦发现锚索应力损失，即刻停止预加钢支撑轴力。

单位：mm

型钢立柱设计支撑中部设型钢立柱，型钢立柱沿车站纵向间距7 m，车站横向间距4 m，型钢立柱基础入最终基坑底部2 m，基础打设4个Æ400的孔，孔中放置上部型钢立柱的角钢L200×20并灌注C35混凝土。型钢立柱沿车站横纵向均布置剪刀撑，内支撑纵剖面图如图6所示。

单位：mm

4 内支撑体系架设效果分析

根据本文提出的应急内支撑体系，在现场对已开工的鞍山车站深基坑进行了内支撑体系架设，并通过对锚索应力，周围大型桥墩沉降，地面沉降的数据监测和分析来验证该支撑体系的有效性。

4.1 锚索应力

当土的力学性质较差情况下，会有较大的锚索预应力损失，爆破施工后周围土体会进一步瓦解，导致预应力损失持续增加。关于锚索应力监测点位置，应选择在地质条件差，位于工程的受力较大且比较具有代表性的部位，基坑每条边的中部、拐角处等区段宜布设监测点。监测所用锚索测力计为振弦式锚索测力计，由测力钢筒、振弦式应变计、保护外护筒、锚垫板等组成。初次使用时在锚索张拉之前需置零初始值，并在锚索张拉之后当天连续读数2～3次，取中间数作为其预应力初始值。

现场施工断面某一锚索应力损失应力变化曲线如图7所示。可以看出，锚索在爆破施工后出现应力损失，锚索应力由552.81 kN降至466.13 kN，下降88.33 kN，31日出现第2次应力损失，下降145.33 kN。为防止锚索应力再次下降，紧急架设内支撑体系，该锚索单元在架设完第1道钢支撑后，应力在之后相当长时期内不再下降并出现上升趋势，锚索应力上升至366.09 kN，锚索应力处于稳定状态，基坑支护安全可控。可以看出该应急支撑体系的架设能够有效控制锚索预应力的降低，乃至可以在一定程度上恢复锚索的预应力。

图7 锚索应力变化曲线

4.2 高架桥墩沉降

建筑物受基坑开挖的影响是非常复杂的，并可能会对其造成结构损伤。例如基坑的开挖可能会使建筑物基础发生不均匀沉降，超过一定限度时会导致建筑上部结构变形不一致以及应力重分布现象，进而使建筑物发生开裂甚至破坏，所以必须严格对深基坑施工周围的建筑物沉降进行控制。本文选取基坑附近第149号和第150号桥墩进行沉降数据监测，每个桥墩2个监测点，分别布置在承台与墩身一侧，频次为每天监测一次。监测方法采用水准测量法，配备精密水准仪与水准尺。根据国家二等测量规范，建立符合精度要求的沉降监测网，按照相应的基准点、沉降变形点以及工作基点3类进行分级布设。

根据相关规范[18−19]可知，高架墩台竖向位移控制值5 mm，从图8中可以看出，在没有架设钢支撑时，该车站基坑周围的桥墩沉降很快达−5.66 mm，超过报警值，说明该深基坑的施工已经对周围已经结构基础产生了较大的变形影响，必须采取有效地措施控制桥墩沉降。

图8 钢支撑架设前后桥墩沉降曲线图

同时图8显示，在19年12月份之前，4个监测点的桥墩沉降数据都在不断增加。随后应急支撑体系架设完毕，直至底板浇筑完成，桥墩沉降曲线趋于平缓并最终维持稳定，证明了该支撑体系可以有效减少桥墩的沉降。

4.3 地面沉降

基坑开挖后，由于坑内土体的挖除相当于卸载，因此基坑外侧土体的应力场和应变场会因为荷载的重分布而发生相应改变。在基坑内外土压力差的作用下，支护结构受力产生变形，进而使坑壁土体产生向基坑内的位移，导致基坑周围地面发生沉降。本文选取DBC15-01，02，03共3个在同一直线上的观测点，距离基坑由近及远，观测点之间间隔10 m左右。监测频次与检测方法与监测方法同上述桥墩沉降监测。

图9 钢支撑架设前后地表沉降变化曲线图

爆破施工后地表沉降变化曲线如图9所示，以地表沉降监测点DBC15-01为例，爆破后日沉降速率超过3 mm/d，累计下沉13.96 mm，累计超过报警值。图9显示，3个监测点在2019年12月架设钢支撑之后，地表沉降量得到控制不再继续增加。待负二层中板浇筑完成，地表沉降趋于稳定并有部分回升。

5 内支撑体系后期优化及拆除

5.1 应急内支撑体系优化处理

钢支撑作为控制锚杆预应力损失的主要技术，对其布置支撑轴力测点，来对钢支撑轴力实时监测，以保证钢支撑结构所产生的轴力不会对钢支撑所在处的附近土体产生较大的应力集中。钢支撑架设完毕后轴力随温度变化较大，以现场某一钢支撑监测数据进行研究，其轴力随温度变化的情况如图10所示。从图10可以看出，钢支撑轴力随温度变化较为敏感，温差在±10度范围内变化时，轴力值会变化330 kN左右。

为降低温度对支撑轴力的影响，保证内支撑体系的施工效果，考虑增加篷布对钢支撑进行遮挡，篷布搭设方式为直接在架设好的钢支撑上包裹一层防水篷布，无负重，不占用其他空间，对施工与监测的影响可以忽略不计。增加篷布后的轴力变化情况如图11所示。可以看出，遮挡后的钢支撑轴力变化区间变小至280 kN，并且钢支撑轴力变化幅度变小，明显趋于平缓，有效地保障了钢支撑轴力变化过大产生的不利影响。

图10 ZCL02-01轴力随温度变化曲线图

图11 ZCL02-01增加篷布后轴力变化曲线图

5.2 应急内支撑体系拆除

车站基坑施工完成后需进行应急内支撑体系的拆除，其中第2道钢支撑和第1道钢支撑的拆除作业分两步进，具体拆除步骤如下：

1) 2道钢支撑在拆除时均采用跳仓施工，即隔一拆一。钢支撑在拆除时，首先使用龙门吊、汽车吊对钢支撑进行固定、预吊，防止拆除过程中钢支撑掉落。

2) 液压顶应缓慢进行减压，同时严格观察支撑和基坑的变化有没有异常情况出现，减压至可取出液压顶为止，避免瞬间预加应力释放过大而导致局部变形、开裂。

3) 减压后分节拆除钢支撑连接法兰，采用汽车吊分节起吊钢支撑将其吊至地面。钢围檩在拆除时，钢丝绳分系于钢围檩的两个吊环，解除钢围檩分段之间的钢缀板的单边焊缝，采用龙门吊分节起吊钢围檩，将其吊至地面，拆除角钢托架及组合钢平台。

4) 在整个拆除过程中，对车站墙体的水平位移、桩顶位移、锚索轴力、钢支撑轴力、周边地表沉降，以及对剩余钢支撑轴力监测点的实时监测，拆撑后加强对各监测项目加强监控量测，直至数据稳定。

6 结论

1) 该内支撑+格构柱的应急支撑体系能够明显控制锚索预应力的降低，乃至在一定程度上恢复锚索的预应力。

2) 通过现场监测数据发现，该应急支撑体系架设后，能够有效控制周围地表以及桥墩沉降，从而有效保证施工过程中以及结束后的基坑安全。

3) 该应急支撑体系存在温度敏感性，当温度较高时，会对支撑结构周围土体产生较大的应力集中，为此后期优化中采用了为支撑体系遮盖幕布的方式来改善不良影响。

4) 该应急支撑体系服役期结束后需配合合理的拆除方案，本文提出的合理拆除步骤能够有效地保障基坑施工的安全，避免二次变形的发生。

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Study on stress loss control of anchor cable in super deep foundation pit of metro station in complex environment

REN Zhiliang

(China Railway Construction Investment Group Co., Ltd., Beijing 100855, China)

The pile-anchor structure has a wide range of applications in the foundation pit support system, but after prestressing the anchor cable, the anchor itself, anchor head and other devices and the surrounding soil of the anchor are affected, resulting in prestress loss. In view of this situation, combined with the theoretical analysis and model research of the anchor cable prestress loss and based on the construction of the ultra-deep foundation pit anchor cable at Qingdao Anshan Metro Station, an emergency support system with the combination of internal support and lattice columns was adopted to control the anchor cable prestress loss. The effectiveness of the emergency support system was verified by on-site monitoring of the anchor cable axial force, surrounding ground settlement and bridge pier settlement data. Meanwhile, by monitoring the axial force of the steel support, it is shown that the method of tarpaulin shielding can reduce the influence of temperature on the support system, and on this basis, relevant suggestions were made for the dismantling and subsequent optimization of the internal support system. The large amount of field monitoring data in this paper fully reflects that the emergency support system can control the prestress loss of the anchor cable. To a certain extent, it guaranteed the safety of foundation pit construction and demonstrated engineering value in practices.

subway station; super deep foundation pit; prestress loss of anchor cable; monitoring analysis