某地鐵基坑鋼支撐軸力異常原因分析

許 陽 楊金品 何良盛

（中交公路規劃設計院有限公司， 北京 100088）

0 引言

某地鐵明挖區間基坑寬度為變寬19m～20m，深18m，主要位于密實卵石土區域。該基坑圍護結構采用圍護樁+內支撐結構，共設置3道?609(t=16)鋼支撐。

鋼支撐軸力監測采用振弦式軸力計，在夏季開挖階段，第一層部分鋼支撐軸力測值出現軸力監測數據異常，而其余監測項目數值穩定的情況，軸力監測已不能準確反映基坑實際工作狀況。擬對支撐軸力異常情況進行分析。

1 軸力計原理分析

振弦式軸力計的工作原理是當軸力計受力，引起內置鋼弦變化，而鋼弦自振頻率與張拉力的開平方成正比關系，通過測試鋼弦自振頻率，即可得到軸力計所受力的大小。鋼弦頻率與鋼弦應力之間的關系如下：

式中

f—鋼弦自振頻率；L—鋼弦長度；

日常監測中，軸力計生產廠家會提供各軸力計標定系數K，通過標定系數K與初始頻率換算可得到支撐軸力。計算公式如下：

式中

N—鋼支撐軸力(kN)；f—監測頻率(Hz)；

f0—初始頻率(Hz)；—標定系數（kN/Hz2）。

不同元器件廠商提供的標定系數正負符號不同，計算公共存在差異，本文采用K值為負的軸力計算公式。

2 數值異常變化量

本次監測過程中發現軸力監測出現異常波動，為分析其波動原因，在施工進度較平緩，無大量土體開挖時，對一處異常點軸力進行分時段對比監測，數據統計如下。

圖1 監測數據統計表

監測數據顯示，同時段監測軸力變化總體趨勢正常穩定，隨施工工況產生正常的波動。而不同時段的監測值差為80.56～138.20kN，平均軸力差為108.93kN。

3 異常原因分析

鋼支撐采用Q235鋼材，線膨脹系數為1.2×10-5/℃，因第一道支撐位于冠梁上，剛度較大，且樁頂水平位移監測數據穩定，故假定其在鋼支撐溫度力影響下不發生變形，則其轉化的溫度力計算如下：

式中

F—由溫度變化產生的軸力變化（kN）；a1—Q235鋼線膨脹系數，取1.2×10-5/℃； —溫度差（℃）；E—鋼支撐彈性模量，取2.06kN/mm2；A—鋼支撐截面面積（mm2）。

將本項目相關數據帶入公式計算得，溫度每升高1℃，軸力增加約3kN，鋼材比熱容較大，表面溫度高于氣溫，加密監測階段表面溫度最大可達約60℃，與早上溫差約40℃。最大軸力變化計算值約為118kN。

與實測值進行分析對比發現，平均軸力差為108.93kN，略小于計算值，經分析，假定中默認鋼支撐為軸心受壓構件，在實際安裝過程中，鋼支撐焊接不會完全同心，且基坑為變寬，軸力計接觸面未做處理，鋼支撐軸力計不能與冠梁側面密貼。因安裝問題導致的軸力計偏心受壓，使部分溫度力已釋放，實際略小于理論值。且每日最高表面溫度存在一定差異，對結果也存在一定影響。

4 結論

溫度對鋼支撐軸力監測存在較大影響，且軸力計的安裝效果也會在一定程度上影響監測值的穩定。

鋼支撐作為圍護結構體系中的重要部分，監測應盡量準確，現階段對鋼支撐軸力監測的工作情況主要由監測單位進行分析，而分析的過程主要是簡單地與設計提供控制值進行對比，這種分析方法并不能準確地分析出鋼支撐的工作狀況。為了不發生報假警，也不能漏報警，在數據分析中應盡量消除各方面的影響。

首先設計提供軸力監測控制值時，應將施工階段鋼支撐正常工作狀態中的溫度梯度納入考慮范圍，給控制值提供計算依據。

其次，在支撐軸力監測過程中，為消除溫度影響，大部分監測單位都做到了固定儀器固定時段，但實際固定時段并不一定是固定溫度，即使同樣的氣溫條件下，晴天與陰天鋼支撐的表面溫度差別也很大，在軸力監測中應更加注意記錄環境情況，尤其是氣溫與天氣。需要注意的是，隨著基坑深度的增加，陽光對下層鋼支撐的直射時間更短，在太陽角偏大時監測的話，下層鋼支撐影響會小一些，如果數據增大，應結合樁頂位移及樁體位移綜合分析，不能盲目歸結于溫度影響。