溫度作用下深基坑鋼支撐自伺服系統軸力研究

趙良云，卜銘，徐茂虎，杜瀟，曾國良

(1.杭州地鐵集團，浙江 杭州 310028；2.中鐵二局第六工程有限公司；3.湖南聯智科技股份有限公司)

隨著城市基坑工程的規模不斷增大，基坑的支撐體系也逐漸由傳統的混凝土支撐向鋼支撐轉化，近來年機械自動化以及信息化技術的發展，使得鋼支撐自伺服體系也快速發展，并逐漸在工程中得到運用，以此達到嚴格控制基坑變形的需求。

姜忻良等通過對基坑支護結構內力與基坑位移的觀測以及數值模擬，提出開挖面處的土體及圍護樁產生的位移最大，施工中應盡量避免無支撐的情況出現；王繼槐通過對管廊深基坑進行模擬和監測，發現普通鋼支撐軸力隨開挖深度的變化規律；崔維久等通過對特殊工況下地鐵基坑的負載響應研究，發現“超挖、加撐滯后”會造成第1道撐的軸力遠大于設計值，第3道撐的軸力遠小于設計值，施工中應避免違規施工，同時通過安裝預應力補加裝置，可預防因支撐軸力過小而發生事故；郭利娜等通過對基坑的數值模擬，得到了施工過程中鋼支撐軸力變化規律；熊棟棟通過現場監測與數值分析，解釋了鋼支撐軸力設計值普遍比實測值偏大的原因，同時提出在鋼支撐固定端鋼管內灌漿能有效減小固定端的塑性變形；孫九春等通過對鋼支撐伺服系統的設置方式進行研究，發現不同的鋼支撐伺服系統的布置方式產生的控制效果差異較大，因此需要對伺服系統的設置方式進行合理性研究。

該文以杭州某基坑開挖為工程背景，研究鋼支撐自伺服系統對深基坑開挖過程中位移的影響，以及各支撐軸力的變化規律。另外，研究在不同溫度作用下，鋼支撐軸力變化規律，提出相應的溫度修正系數，從而確保鋼支撐自伺服系統軸力與位移的監測精度。

1 鋼支撐自伺服系統工作原理

鋼支撐自伺服系統主要由監控站、操作站、現場控制站、液壓伺服泵站系統等組成，同時利用現代機電液一體化自動控制技術、計算機信息處理技術以及可視化監控系統等高新技術手段，實現了對鋼支撐軸力的實時監測和控制，解決常規施工方法無法控制的苛刻變形要求和技術難題，使工程始終處于可控可知狀態，具有良好的社會效益、經濟效益和環境保護效益。

鋼支撐自伺服系統軸力可保持某一特定值，當軸力低于設定值時，自動啟動油泵補壓至設定值，當軸力高于最大設定值時，控制臺自動報警，通知技術人員進行保壓或減壓操作。

2 工程實例

基坑位于采用排樁加內支撐的支護方式，通惠路站地鐵基坑設計⑦～軸之間，基坑共設5道內支撐，第1道和第3道支撐為混凝土支撐，第2道、第4道及第5道為鋼支撐，每層鋼支撐為11根，共33根。其中第2道采用直徑φ609 mm的鋼支撐，第4道以及第5道采用直徑φ800 mm的鋼支撐。另外，在第2層鋼支撐的4#～8#支撐上采用自伺服系統，軸力目標值設定為2 000 kN。具體如圖1所示。

圖1 第2道鋼支撐布置圖

3 模型建立

3.1 基本假定

為方便計算，假定整個基坑及周圍土體均質成層分布，并采用摩爾-庫侖本構模型進行計算，同時忽略地下水的影響。

根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》相關規定，深基坑開挖影響范圍約為基坑開挖深度的3倍。根據實際工程背景基坑最大開挖深度為16.5 m，有限元模型尺寸為108 m×72 m×45 m?；娱_挖尺寸為36 m×24 m×16.5 m。

利用Midas GTS NX建立該項目有限元模型，為保證有限元模型較快收斂，將圍護樁轉化為等剛度的地下連續墻結構。項目鉆孔樁直徑為1 m，間距為0.2 m，根據轉換式(1)、(2)計算得到等效的地下連續墻厚度為0.79 m。模型中取0.8 m。

(1)

(2)

利用Midas GTS NX自動邊界功能，完成整個基坑模型的邊界條件設置，具體表現為固定側面水平方向位移，同時，底面水平位移和垂直方向位移均固定，基坑頂面保持為自由邊界。

3.2 參數選取

(1)土層參數

據現場提供的地質勘察報告可知，基坑開挖區各類地層的物理力學參數如表1所示。

表1 各土層物理力學參數

(2)內支撐參數

該項目內支撐包含混凝土支撐和鋼支撐，具體參數如表2所示。

表2 各內支撐物理力學參數

3.3 開挖工況

根據實際情況建立基坑開挖工況，具體見表3。

表3 開挖工況

4 結果分析

4.1 理論與實測值對比

利用鋼支撐自伺服系統對第2道內支撐中4#～8#鋼支撐進行軸力和位移監測，確保鋼支撐軸力與基坑位移滿足規范要求。另外，可根據監測數據，及時調整開挖速度及位置，防止因開挖過大，基坑產生較大的位移，甚至破壞。為模擬鋼支撐自伺服系統，在模型計算中，對相應鋼支撐預加2 000 kN軸力，由于在施工過程中軸力未出現報警情況，因此未啟動自動補償功能。具體計算結果如圖2～4所示。

圖2 實測軸力與理論軸力對比圖

圖3 實測位移與理論位移對比圖

圖4 首層混凝土撐理論軸力圖

由圖2、3可知：實測值與理論計算值變化規律一致，并且數據吻合較好，說明三維基坑模型能較好地反映實際情況。另外，第2道鋼支撐軸力與位移隨基坑開挖深度的增大而增大,在開挖完成后，內支撐軸力與位移略有減小，這是由于基坑開挖完成后，各道支撐完成內力重分布，基坑整體趨于穩定。在開挖到第5層時，第2道支撐軸力與位移達到最大，其中軸力最大值為1 855 kN，位移最大值約為15.9 mm。

鑒于第2道撐的實測和理論軸力均低于預加軸力，對首道混凝土撐的軸力進行了分析。由圖4可知：混凝土撐隨基坑開挖，軸力逐漸減小，出現了拉應力，表明基坑第2～5層支撐對地連墻結構具有良好的減跨作用。

4.2 地下連續墻位移

地下連續墻水平位移能較好地反映整個基坑的位移情況，因此利用三維模型對基坑地下連續墻的位移進行模擬分析，研究鋼支撐自伺服系統對地下連續墻的位移影響。選取地下連續墻3個斷面進行分析，左側斷面距基坑左側8 m，右側斷面距基坑右側8 m，中間斷面為地下連續墻中心處。詳細計算結果見圖5。

由圖5可知：隨基坑開挖深度的增大，地下連續墻的各點位移先減小后增大，3個斷面的變化規律一致，基坑最大位移出現在基坑底部，且中間斷面位移略大于兩側，最大位移約為2.5 cm。另外，由于第2道鋼支撐采用自伺服系統，軸力始終保持穩定，因此基坑在第2道支撐處的位移最小，約為4 mm。鋼支撐自伺服系統控制位移的效果明顯。

4.3 溫度影響下軸力變化

為提出鋼支撐在不同溫度荷載作用下的修正值，利用Midas模型研究分析溫度升高10、15以及20 ℃3種情況下的軸力變化，詳細結果如表4所示。同時考慮到該項目的工期以及當地氣候，重點分析升溫20 ℃時，各支撐軸力與位移的變化情況。計算結果見圖6、7。

由圖6、7可知：溫度升高時，鋼支撐在整個過程中的軸力與位移變化規律不變，但支撐軸力明顯增大，位移有所減小，主要是由于溫度升高，鋼支撐向兩側膨脹，導致基坑位移減小，同時由于腰梁對鋼支撐的約束，膨脹無法完全釋放，導致鋼支撐軸力明顯增大。同時，由表4可知：在溫度荷載下，鋼支撐軸力成線性增加，即溫度每升高1 ℃軸力增加約19.5 kN。

(a)中間斷面

表4 不同溫度下軸力變化情況

5 結論

通過對杭州某基坑鋼支撐軸力監測與有限元模擬，分析了基坑開挖過程中鋼支撐軸力與位移的變化規律，得到以下結論:

圖6 升溫前后軸力變化圖

圖7 升溫前后位移變化圖

(1)第2道鋼支撐軸力與位移隨著開挖深度的增加而增加，這是由于隨基坑開挖深度的增加，兩側主動土壓力增大，地下連續墻向內測移動的位移增大，從而使各道支撐的軸力與位移增大。隨基坑開挖完成，基坑周圍土體完成內力重分布，因此第2道鋼支撐軸力略有減小。

(2)地下連續墻的水平位移隨基坑開挖深度的增加，最大位移出現在基坑底部。由于第2道鋼支撐采用自伺服系統，軸力始終穩定在設定值，基坑在此處的水平位移最小。說明鋼支撐自伺服系統對控制基坑變形的效果明顯。

(3)在溫度作用的影響下，鋼支撐受熱膨脹，導致軸力增加，基坑內側位移減小，通過計算分析發現，在升溫10、15以及20 ℃下，軸力分別增加195、290以及390 kN，即溫度升高1 ℃鋼支撐軸力增加約19.5 kN，在鋼支撐自伺服系統中，可設置相應的溫度修正值。