地鐵深基坑大跨度無格構柱鋼支撐撓度控制

苗子臻， 夏寶坤， 劉釗瑞， 郭彥杰， 王 歡， 侯 征

(北京市市政四建設工程有限責任公司， 北京 100176)

隨著城市規模的不斷擴大、城市人口的急劇增加，城市交通擁堵問題日趨嚴重，城市軌道交通應運而生發展迅速，相應地鐵深基坑工程規模不斷擴大，施工環境愈加復雜，如何確保基坑安全成為地鐵深基坑工程中的關鍵問題[1-4]。鋼支撐支護體系由于鋼材優良的性能在深大基坑得到廣泛應用，成為減少和控制基坑變形的有效手段[5-9]。北京大興國際機場線磁各莊站工程基坑長425.5 m，寬26 m，深20.8～21.63 m，根據圖紙設計要求，采用351根無格構柱直徑φ=800 mm，壁厚t=16 mm鋼管內支撐進行支護，最大軸力設計值為3 483.48 kN。通過計算發現，支撐自重產生撓度29.5 mm，最大設計軸力作用下支撐撓度值為40.8 mm，距《建筑基坑工程技術規范》(YB 9258—1997)及《基坑工程內支撐技術規程》(DB 11/940—2012)[10-11]規定限值 43.3 mm(l/600，其中l為支撐計算長度)僅剩 2.5 mm，基坑支撐撓度控制成為影響基坑安全的關鍵。因此，擬通過理論計算、現場量測，對車站基坑支撐撓度進行監測分析，查找影響支撐撓度的關鍵因素，針對性地提出相應控制措施，并根據工程實際進行權重分析比選驗證，確定減小支撐撓度的快速、經濟、有效方法，全力保障基坑安全。

1 工程概況

北京大興國際機場線一期工程北起草橋南至新機場北航站樓，全長41.36 km，是北京首次采用政府和社會資本合作(public-private partnership，PPP)模式建設的軌道交通線路，也是中國首條最高速度達到160 km/h的城市軌道交通線路。磁各莊站為PPP項目中唯一車站，位于團河路與沐新路交叉口西南側。車站結構形式為明挖地下兩層雙柱三跨及兩層單柱雙跨框架結構，基坑采用直徑1 m間距1.6 m鉆孔灌注樁+直徑800 mm壁厚t=16 mm 無格構柱鋼管內支撐支護體系，共設置支撐三道，從上到下三道鋼支撐軸力設計值分別為754.8、3 085.15、3 483.48 kN。基坑開挖采用豎向分層、水平分段、中間拉槽、兩側留臺方式進行，每層挖土深度h≤1.5 m，開挖至鋼支撐位置下部 0.5 m 時，及時進行支撐架設，相應圍護結構及土方開挖布置如圖1、圖2所示。

圖1 圍護結構標準橫斷面Fig.1 Standard cross-section of supporting structure

圖2 土方開挖工況示意Fig.2 Schematic diagram of earthwork excavation conditions

2 支撐撓度監測

支撐作為基坑支護的主要受力桿件，其受荷變形情況直接關系到基坑的安全。監控預警作為預防支撐體系發生破壞的重要手段，相關規范[10-13]從監測等級、監測項目、監測頻率、監測預警值等角度對支撐軸力監測做了明確要求，但對支撐撓度卻僅作為結構設計、安裝檢查時的一個變形規定，缺乏支撐使用過程中撓度監測相關要求，而對于大跨度無格構柱支撐，如果撓度過大，受力形式會發生變化，極易發生事故。因此，運用力學、測量學、統計學相關知識，對支撐使用過程中撓度變形進行監測分析。

2.1 測定方法

ω為距原點x長度處支撐撓度；x為支撐上某點距原點的距離圖3 鋼支撐撓度理論計算簡圖Fig.3 Theoretical calculation diagram of steel support deflection

在自重及軸力作用下，支撐受力可簡化為承受均布荷載和軸向壓力的簡支梁，相應計算簡圖如圖3所示，可知支撐最大撓度在跨中位置，其理論計算公式如式(1)～式(4)所示。基于支撐撓曲線形狀，考慮觀測操作安全，決定采用全站儀對支撐跨中位置處的最大撓度進行跟蹤觀測；觀測時，在支撐跨中及兩端布設觀測點，而后根據中間自由設站高程測量原理測定三點高程[14-16]，進而推算支撐中部最大撓度，相應測定方法如圖4、圖5所示，撓度計算公式為

圖4 中間自由設站高程測定原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of elevation measurement principle of free stationing in the middle

圖5 支撐撓度測算簡圖Fig.5 Calculation diagram of steel support deflection

(1)

(2)

(3)

q=ρAsg

(4)

hab=ha-z+hb=SAsinα+SBsinβ+

(5)

(6)

式中：ωmax，t為支撐最大撓度的理論值；ωmax，ac為支撐最大撓度的實測值；δ為自重在跨中位置所產生撓度值；q為支撐自重荷載；l為支撐計算長度；E為支撐材料彈性模量；Iz為支撐截面慣性矩；F為支撐最大設計軸力；Fcr為支撐受壓失穩歐拉臨界力；ρ為支撐材料密度；g為重力加速度；As為支撐截面面積；ha為反射棱鏡中心至觀測點水平視線的垂直距離；hb為監測點至觀測點水平視線的垂直距離；z為反射棱鏡的高度；K為大氣折光系數；hab為監測點與基準點間的高差；SA為觀測點至棱鏡中心的直線距離；α為棱鏡中心觀測線與水平視線的夾角；SB為觀測點至監測點的直線距離；β為監測點觀測線與水平視線的夾角；K為大氣折光系數；R為地球的平均曲率半徑；Δha為支撐活絡頭固定端高程變化值;Δhb為支撐跨中位置高程變化值；Δhc為支撐活絡頭活動端高程變化值。

2.2 測點布置

結合現場施工進展，按照上述監測方法，以工程放樣控制點為基準點，沿基坑兩側混凝土擋墻，對初期23根首層鋼支撐、20根二層鋼支撐、7根三層鋼支撐，共計50根鋼支撐撓度進行觀測，考慮圍護結構斷面形狀對監測數據的影響，監測鋼支撐選取避開第一區右側、第三區左側毗鄰相鄰標段盾構收發井區域以及第二區主體結構加寬段區域，具體測點布置情況如圖6所示。

圖6 測點布置圖Fig.6 Layout of measuring points

2.3 監測結果分析

以《建筑基坑工程技術規范》(YB 9258—1997)及《基坑工程內支撐技術規程》(DB 11/940—2012)規范[10-11]要求為底線：支撐撓度在豎向平面內不得大于其計算跨度的1/600～1/800，對測點數據進行分析整理，得到支撐撓度分布如圖7所示。由圖7得出如下結論。

圖7 現場支撐撓度分布情況(測量時間為架設后25～30 d)Fig.7 Distribution of on-site support deflection (the monitoring time is 25～30 days after erection)

(1)現場所測50根鋼支撐中有8根支撐撓度超出規范限值，占比14%；有10根支撐撓度距規范規定限值不足5 mm，占比22%；兩者累計占比36%，支撐整體撓度變形較大，支護體系存在安全隱患，進行支撐撓度控制十分必要。

(2)不考慮時空效應，當前監測狀態下，支撐軸力范圍為244.31～1 796.65 kN，除首層4根支撐因架設不及時及溫度效應等原因超出設計值以外，其余支撐軸力均在設計值以內，且由軸力平均值趨勢線可知，首層、二層、三層支撐軸力分別在594.65、1 229.67、752.12 kN附近波動，分別為相應軸力設計值的78.7%、39.8%、21.6%，從軸力角度看，支撐設計較為保守，安全系數足夠。

(3)綜合對比支撐撓度、軸力，發現撓度超限、較大現象多發生在軸力較大支撐，支撐撓度與支撐軸力整體呈現正相關關系，但受其他因素干擾局部會有波動。根據軸力分布，支撐撓度整體符合第二層>第三層>第一層規律，但也存在局部異常現象。同時，有9根支撐實測撓度已大于最大設計軸力撓度計算值，且有5根支撐撓度竟然小于等于自重荷載所產生撓度計算值，充分說明軸力、自重是影響支撐撓度的重要因素但絕非全部因素，其他因素的影響也不可忽略。

綜上，在支撐軸力監測之外，進行支撐撓度的監測與分析，十分必要。對于無格構柱鋼支撐，其撓度變形主要包括支撐生產安裝初始撓度及支撐受荷變形撓度兩個方面，前者主要包括材料陳舊產生變形以及組裝偏差產生變形，后者主要包括支撐自重、兩端軸力產生變形以及軸心受荷、偏心受荷所產生附加變形，其中安裝初始撓曲及偏心受荷等根據初始撓曲方向的不同，會對支撐后期撓度變形帶來相應增幅或抵消，從而導致監測數據波動。

為查找確定影響支撐撓度的關鍵，項目通過理論計算、查閱文獻、現場實測等方式對各因素對支撐撓度影響程度進行了分析，具體如下。

首先，經查閱鋼支撐廠家所提供的材料檢測報告以及現場實地查驗，發現現場支撐43.4%為首次使用新加工支撐，其余56.6%為二次使用九成新支撐，材料陳舊引起撓度變形較小，非主要影響因素。其次，按新舊支撐比例，隨機選取9根全新、11根九成新支撐進行組裝并量測其組裝撓曲變形，發現現場組裝工藝水平下，支撐組裝產生撓度變形均值為5.1 mm，約為支撐實測總撓度的11.3%，具有一定影響，但影響較小，如表1所示。同時，根據式(1)～式(4)進行自重及軸力作用下撓度計算可知，實測最大軸力作用下支撐撓度理論值為 35.33 mm，為支撐實測總撓度的78.2%，其中因支撐自重所產生撓度值為29.5 mm，占比65.3%，因軸向受荷所產生撓度變形值為5.83 mm，占比12.9%，占比較大。如將剩余變形全部考慮為各種原因所導致的附加變形，其占比為10.5%，比例較小，此與相應研究結果相符：鋼支撐與圍檁接觸不緊密時，容易產生軸向偏心，造成二階效應，帶來支撐撓度增幅，但影響較小[17]，非主要因素。

表1 支撐組裝偏差所產生撓曲變形

綜上，各因素對支撐撓度影響程度從大至小依次為：自重、軸力、安裝偏差、附加變形，其中自重為影響支撐撓度的關鍵。

3 撓度控制

針對上述影響支撐撓度的主要因素，小組根據相關研究成果[17-21]及工程實踐經驗，提出了“減小自重撓度”“減小軸力”“施加反撓度”“加設支撐構件”4種撓度控制對策，并根據項目工期緊、任務重等實際情況，基于權重分析方法從可行性、時間性、經濟性、有效性4個方面對各對策進行了綜合評價，經比選，最終選定“施加反撓度”為實施對策，分析情況如表2、表3所示。

表2 指標權重及分值確定原則

表3 對策綜合評價

依據選定對策，提出具體實施措施：首先，根據支撐初始組裝撓曲變形，選擇初始撓度向上的一面朝上，張貼相應監測點標識，而后使用“三分法吊裝”就位，即使兩起吊點位于支撐長度1/3處，吊裝過程始終保持支撐初始撓曲變形朝上。支撐就位后、施加軸力前改變“三分法吊裝”為“中部單點吊裝”，緩慢拉緊吊繩，在支撐中部施加向上預緊力，使支撐繼續產生向上撓度變形，施加向上預緊力過程注意保持平穩，確保支撐兩端不發生懸空，軸力施加完畢后放松吊繩，觀測支撐就位后初始撓度，并在架設完成25～30 d后，取相同比例支撐進行后期撓度觀測(本研究觀測樣本仍為50根，且為減少時空效應對支撐撓度影響，各測點支撐所處開挖狀態盡可能與前期未采取反撓度措施監測支撐保持一致)。反撓度措施實施原理如圖8所示，相應觀測數據如表4所示，根據觀測數據所整理措施實施前后撓度對比情況如圖9所示。

圖9 采取控制措施前后支撐撓度分布(監測時間為架設后25～30 d)Fig.9 Deflection distribution of support before and after taking control measures (the monitoring time is 25～30 days after erection)

由表4可知，通過支撐組裝撓度變形及中部單點吊裝施加預緊力方法可提供10.6～18.2 mm(均值14.1 mm)向上反撓度，其符合《基坑工程內支撐技術規程》(DB 11/940—2012)及《建筑基坑工程技術規范》(YB 9258—1997)中關于安裝撓曲變形不大于20 mm及支撐長度的1/1 000的要求；同時，措施實施后現場支撐實測撓度為20.7～36.6 mm(均值28.0 mm)，支撐整體撓度距離規范規定限值達6.7～22.6 mm，相比措施實施前支撐實測撓度28.4～45.2 mm(均值36.6 mm)出現明顯下降，支撐撓度得到有效控制。

ωa為向上反撓度(預拱撓度)；ωb為施加反撓度措施后支撐最終變形撓度；ωc為不采取措施狀態下支撐最終變形撓度圖8 反撓度措施實施原理Fig.8 Implementation principle of anti-deflection measure

表4 采取措施支撐撓度觀測數據

通過圖9對比可知，施加反撓度控制措施后，現場支撐撓度整體下降，下降幅值為7.3～11.6 mm，同時所有支撐撓度皆小于規范規定撓度限值5 mm以上，合格率達100%，且88%(46根)的支撐撓度小于規范限值10 mm以上，控制措施效果明顯，支撐體系安全性得到充分保證。另外，對比發現，支撐撓度下降幅值小于前期措施所提供的向上預拱撓度值，體現出預拱撓度不會100%反饋至撓度控制效果上來，會有一定折減。

4 結論

通過對磁各莊站地鐵深基坑無格構柱鋼支撐撓度監測數據及撓度控制方法的分析研究，得出如下主要結論。

(1)對于大跨度無格構柱支撐體系，受建設過程中各種因素影響，存在支撐撓度超出規范規定限值現象，嚴重時會導致支護體系失穩，影響基坑安全，因此施工過程中，不僅要按規范要求進行支撐軸力監測，還應加強支撐撓度監測，并基于監測數據及時調整，以確保基坑施工安全。

(2)自重及設計軸力作用下支撐撓度變形是影響支撐撓度的關鍵，對于本工程，兩者作用下支撐產生的撓度約占支撐實測撓度的78.2%，其中由支撐自重所產生撓度值占65.3%，因軸向受荷所產生撓度占12.9%，對于大跨度無格構柱鋼支撐撓度控制可從此兩方面入手。

(3)相比改變既有支撐材料、支撐軸力及支撐體系，采用“施加支撐反撓度”方法，可快速、有效降低支撐撓度，確保基坑安全，同時不會增加較多額外工時、費用，值得類似工程參考。