地鐵基坑施工期鋼支撐軸力監測優化研究

孔 禹 湯繼新 杜培貞 邵風行 劉 俊

地鐵基坑施工期鋼支撐軸力監測優化研究

孔 禹1，2湯繼新3杜培貞3邵風行4劉 俊4

（1.江西飛尚科技有限公司，330200，南昌；2.基礎設施安全監測與評估國家地方聯合工程研究中心，330200，南昌；3.寧波市軌道交通集團有限公司，315101，寧波；4.寧波市政集團，315046，寧波//第一作者，助理工程師）

為提高地鐵基坑施工期鋼支撐軸力監測的準確性，對軸力計進行了改型設計。運用Midas軟件模擬了三弦軸力計在偏心受壓狀態下的受力特性。結果表明：當軸力計內傳感器增加到3個，且分別布置在承壓面內接等邊三角形的頂點上時，采用取平均值的方法能有效減小偏心受壓對監測數據的影響。以寧波地鐵3號線一期工程為依托，結合云平臺技術，設計了鋼支撐軸力自動化監測系統。通過實時連續的軸力值和溫度值的一階線性擬合，研究了鋼支撐軸力的溫度效應，得出三弦軸力計在偏心受壓狀態下監測的準確性。

地鐵基坑；鋼支撐軸力；三弦軸力計；自動化監測

U231.3

地鐵車站施工方法以明挖法居多，基坑形式以長條形居多，地下連續墻加鋼支撐的聯合支護體系作為一種經濟、有效的支護方式被廣泛運用［1-3］。其中，鋼支撐主要承受基坑工程中地下連續墻所傳遞的土壓力。科學地采用預加軸力鋼支撐，對周邊環境保護、節約造價以及縮短工期具有明顯優勢［4］。但是，由于設計階段所用土力學與土壓力計算方法的近似性，與現場實際鋼支撐軸力相差甚遠。因此，加強現場鋼支撐軸力監測，以此為依據采取相應的施工對策尤為重要［5-6］。

鋼支撐大多采用Q235鋼的薄壁圓筒結構加活絡端。目前，地鐵基坑項目中所使用的鋼支撐在活絡端與圓筒連接處，均存在較大縫隙。鋼支撐在吊裝、預加壓等過程中極易造成軸力計偏心受壓，如圖1所示。由圖1可知，在鋼支撐吊裝完后、預壓之前，由于沒有吊索的豎向拉力平衡鋼支撐的重力以及支撐活絡頭與鋼支撐之間伸縮縫隙的存在，導致鋼支撐活頭鋼板不完全豎直，產生了一定的轉角，從而發生軸力計偏壓的情況。

圖1 活絡端與圓筒連接處縫隙圖

目前，最常用的軸力計為單弦軸力計，當發生偏心受壓時，無法真實反映現場鋼支撐的軸力情況，且由于鋼支撐熱脹冷縮的溫度效應［7-9］，使鋼支撐的軸力隨著氣溫而變化。因此，以寧波市地鐵3號線一期工程TJ 3112標1#基坑作背景，為得到實時、準確的鋼支撐軸力監測數據，運用三弦軸力計抵抗鋼支撐安裝過程中產生的偏心受壓，結合自動化監測系統，將監測頻率提高到30 min/次，同時接入溫度監測元器件，來研究鋼支撐軸力的溫度效應。

1 工程背景

寧波軌道交通3號線一期工程TJ 3112標為高塘橋站—句章路站區間基坑。該基坑全長565 m，采用中隔墻分為3個小基坑。其中，1#基坑長135 m，開挖深度約15 m，采用地下連續墻+內支撐作為基坑的圍護結構。地下連續墻采用厚0.8 m、C35混凝土澆筑，插入比約為1∶1.25。第1道為混凝土支撐，采用早強C30混凝土澆筑，高1 m、寬0.8 m；其余4道采用外徑609 mm、Q235B型鋼、壁厚16 mm的鋼支撐，鋼支撐間距為3 m；基坑坑底采用3 m寬、3 m深、間隔3 m的抽條水泥攪拌樁加固。基坑周圍巖土體參數如表1所示。

2 三弦軸力計

由于單弦軸力計在偏心受壓情況下，測值極易偏離現場實際，其值遠小于實際軸力，現場參考價值較小。為驗證增加鋼弦數量，采用取平均值的方法消除或減小偏心受壓影響的改型方法可行，利用有限元軟件MIDAS建立了量程為0～300 t的三弦軸力計的偏心受壓數值模型，如圖2所示。該模型中，三弦軸力計采用45號鋼，直徑為140 mm，高度為122 mm；模型忽略軸力計中傳感器內部鋼弦及走線等空間，假設為實心體進行三維建模；采用MIDAS-GTS自動網格劃分，為實現1/3、1/2和2/3面積的偏壓，把底面圓分為三個面積相等的部分，再利用拉伸方法形成三維網格；模型底部均采用固結節點邊界條件。

表1 基坑周圍巖土體參數一覽表

圖2 三弦軸力計偏心受壓數值模型

為分別模擬單弦軸力計和三弦軸力計在偏心受壓情況下監測數據與真實值的接近程度，弦位取點方式示意圖如圖3所示。由圖3可知，采用中心點，即 a4、b4、c4的取值來模擬單弦軸力計測得的軸力值；采用外圍等邊三角形3頂點來模擬三弦軸力計3根弦的位置。以此來驗證是否可以通過取平均值的方法來消除或減小偏壓的影響。

取點方式a為有一根弦位于受壓區最底部；取點方式b為在方式a的基礎上沿順時針旋轉60°；取點方式c為在方式b的基礎上沿順時針旋轉60°。這三種取點方式是為了研究在相同偏壓情況下鋼弦的位置，即三弦軸力計放置角度對監測數據的影響。表2為數值模擬計算結果統計表。

圖3 弦位取點方式示意圖

圖4 為不同程度偏壓下三弦軸力計的相對誤差擬合曲線圖。由圖4可知，對于大偏心，即1/3面積偏壓及以下，效果最好的轉角在0°附近；對于小偏心，即1/2或2/3面積偏壓及以上，效果較好的轉角在10～40°之間，其相對誤差可以控制在10%以內；當效果最好的轉角在30°左右時，相對誤差可以控制在3%以內。

因此，通過數值模擬分析得出三弦軸力計可以利用三弦設計減小安裝工藝引起的偏壓影響，以得到更為準確的監測數據。

表2 三弦軸力計數值模擬計算結果統計表

圖4 不同程度偏壓下三弦軸力計的相對誤差擬合曲線圖

3 自動化監測系統

考慮到地鐵基坑開挖現場工況復雜，連續供電和線纜保護較為困難。因此，鋼支撐軸力監測現場采用無線節點、無線中繼、無線網關及安心云平臺等設備，利用Zigbee（區域無線組網技術）和GPRS網絡組成自動化監測系統，如圖5所示。由圖5可知，三弦軸力計與無線節點之間需要線纜聯接，其他可實現無線跳傳。自動化監測系統的工作流程為：① 云平臺發送采集命令給無線網關；② 無線網關給無線節點發送采集命令；③ 無線節點采集實時數據，并傳輸至無線網關；④無線網關把采集到的實時數據通過GPRS和互聯網傳輸至云平臺。

無線節點自帶太陽能電板供電，無線網關接市電。無線節點固定在專用立柱上，無線網關放置在施工現場辦公室內，確保距離200 m以內，以保證信號的可靠傳輸。

圖5 自動化監測系統示意圖

4 數據分析

本項目采用的三弦軸力計安裝角度均采用1根鋼弦旋至最低處的狀態進行預加載，如圖3 a）所示。基坑土方開挖過程中，可登錄安心云平臺，查看實時連續的鋼支撐軸力監測值。

4.1 偏心受壓

三弦軸力計采用經典弦原理，結合3根均勻分布的鋼弦采集的頻率得出3個不同的值，并取算術平均從而得到監測值。圖6為2016年7月1日（當日現場無施工）測點ZL1-1中3根鋼弦的頻率時程曲線圖。由圖6可知，在無施工的1 d內，3根鋼弦的頻率并不固定，從凌晨 ～13∶00，ZL1-1-1的頻率呈增大趨勢，支撐軸力值減小；ZL1-1-2的頻率呈減小趨勢，支撐軸力值增大；ZL1-1-3的頻率呈減小趨勢，支撐軸力值增大。由此可知，三弦軸力計處于連續的、變化的偏心受壓狀態下。

圖6 測點ZL1-1中3根鋼弦的頻率時程曲線圖（2016-07-01）

表3為測點ZL1-1在2016年7月1日的偏壓參數表。由表3可知，三弦軸力計3根鋼弦測得的鋼支撐軸力值不盡相同，說明了偏心受壓的存在；且凌晨均值較小，正午均值較大，在未施工的情況下，顯然鋼支撐受溫度影響發生熱脹效應，而兩端又受限于地下連續墻，無法釋放溫度應力而導致鋼支撐軸力增大現象。

表3 測點ZL1-1的偏壓參數表

當三弦軸力計在全截面均勻受壓荷載下，3根鋼弦的力值應相等，標準差應為0 kN。三根鋼弦的標準差越大，說明偏壓越嚴重，故可選用變異系數來作為三弦軸力計偏壓程度的指標。

偏壓系數=變異系數=標準差/均值 （1）

由式（1）可知，全截面均勻受壓，即不發生偏壓的偏壓系數為0；偏壓程度越嚴重，偏壓系數越大。

4.2 溫度效應

根據材料力學變形協調理論，假設鋼支撐及地下連續墻均受自身材料特性影響而產生溫度效應，并假設地下連續墻不向圍巖側發生變形。則鋼支撐軸力的計算公式為：

式中各變量含義和取值見表4。將表4中的參數取值代入式（2）中可知：在20 m寬的基坑內，溫度升高1℃，鋼支撐軸力增加37.95 kN，即溫度增量與鋼支撐軸力增量呈線性關系。三弦軸力計內置有溫度傳感器，采集粒度與鋼支撐軸力相同，均為30 min。因此，可對溫度和鋼支撐軸力這2個參數進行Polynomial一階線性擬合，得出擬合優度R2和線性函數斜率K。

表4 寧波項目溫度效應參數取值表

為使鋼支撐和軸力計內置溫度傳感器處于同一溫度場內，即避免陽光直曬造成溫度場不一致，選取18：00—次日6：00的溫度和鋼支撐軸力數據進行一階線性擬合。圖7為測點ZL1-1在8月10日—13日4天內18：00—次日6：00的一階線性擬合圖。

對上述擬合優度R2和K值做統計，如表5所示。由表5可知，溫度和鋼支撐軸力擬合優度的平均值高達0.965 4，再一次證明了溫度增量和鋼支撐軸力增量的線性關系。通過擬合得到的一階函數的斜率K值的平均值為-31.68，其物理意義為：溫度升高1℃，鋼支撐軸力增大31.68 kN，該值與理論推導值37.95 kN相差6.27 kN，即誤差為16.5%，即ZL1-1在發生偏壓的情況下，三弦軸力計測量由溫度引起的鋼支撐軸力時存在16.5%的誤差。同理可認為，在基坑開挖過程中，由土壓力導致的鋼支撐軸力監測的誤差也可控制在16.5%以內。故通過3弦取平均值的方法，即三弦軸力計可大大提高基坑施工過程中鋼支撐軸力監測的準確性。

表5 測點ZL1-1線性擬合參數統計表

4.3 采集粒度

寧波軌道交通3號線一期工程TJ3112標1#基坑共布設20個三弦軸力計，設置采集粒度為30 min，即30 min采集1次數據。表6為1#斷面數據采集頻次統計表。由表6可知，在基坑施工過程中，測點ZL1-1的實際采集次數始終多于理論采集次數，實際采集粒度高于設置采集粒度30 min，達29.7 min，說明自動化監測系統數據連續性良好，可以適應基坑復雜的施工環境。

表6 數據采集頻次統計表

5 結論

目前，由于鋼支撐裝配工藝缺陷以及單弦軸力計的設計缺陷等因素影響，現場監測數據無法真實反應鋼支撐的軸力情況。本文以寧波地鐵TJ3112標1#基坑為例，驗證了基于三弦軸力計的鋼支撐軸力自動化監測系統的可行性。其主要體現在以下3點：

（1）通過數值模擬和現場實施，驗證了施工現場軸力計偏心受壓的普遍性、多樣性以及三弦軸力計抵抗偏心受壓的能力；

（2）通過采用自動化監測系統，驗證了無線節點、無線中繼及無線網關等設備可適應地鐵基坑復雜的施工環境，采集粒度穩定在設置的30 min；

（3）通過對溫度和鋼支撐軸力的實時連續數據的一階線性擬合，驗證了三弦軸力計在偏心受壓情況下，仍能將監測誤差控制在16.5%以內。

綜上所述，基于自動化監測技術以及三弦軸力計的鋼支撐軸力監測系統初步解決了地鐵基坑施工過程中鋼支撐軸力監測數據的準確性以及溫度效應等難題。

圖7 測點ZL1-1一階線性擬合圖

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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）