王俊東　梁　寅　王紅詠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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鋼支撐軸力在安裝過程中的監(jiān)測分析

王俊東梁寅王紅詠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要鋼支撐由于其架設(shè)進(jìn)度快、軸力可復(fù)加、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于地鐵基坑工程的支護(hù)系統(tǒng)中。但大量的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，鋼支撐架設(shè)并完成預(yù)應(yīng)力施加后，實(shí)測軸力往往遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。以長三角某城市地鐵深基坑工程鋼支撐施工現(xiàn)場試驗(yàn)為例，觀測支撐軸力在施加預(yù)應(yīng)力前后的動(dòng)態(tài)變化，得出鋼支撐在架設(shè)后的軸力變化規(guī)律，提出適當(dāng)提高預(yù)加軸力峰值及進(jìn)一步減小千斤頂回撒前軸力損失的具體思路。

關(guān)鍵詞鋼支撐軸力試驗(yàn)

在城市地鐵基坑工程的土方開挖過程中常常由于鋼支撐架設(shè)滯后、鋼支撐軸力偏小等因素導(dǎo)致兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形超限，如相鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異變形，則在圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生滲漏縫隙，引起坑外水土流失，對(duì)基坑及周邊環(huán)境形成一定的安全隱患。如何確保鋼支撐的有效預(yù)加軸力，滿足設(shè)計(jì)要求，是現(xiàn)場施工人員長期關(guān)注的問題。通過基坑工程鋼支撐安裝試驗(yàn)中的實(shí)測數(shù)據(jù)匯總、分析，總結(jié)了鋼支撐在架設(shè)后的變化規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場鋼支撐的安裝及預(yù)應(yīng)力施加具有一定的指導(dǎo)意義。

1工程概況

某城市地鐵區(qū)間采用明挖順作法施工，基坑主體結(jié)構(gòu)長177.6 m，寬10.8 m，挖深17.3-17.6 m，基坑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，設(shè)置四道支撐：(1道砼支撐+3道鋼支撐)，第2～4層支撐為609 mm×16 mm鋼支撐。

基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層主要為①人工填土層、③1黏土層、③2粉質(zhì)黏土、③3粉土、④1粉質(zhì)黏土層、④2粉土層；基底落于④2粉土層；圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑底以下繼續(xù)穿越④2粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2粉土、⑦2粉土層。⑤2粉土、⑦2粉土層為承壓水層且連通，圍護(hù)結(jié)構(gòu)未截?cái)啖?粉土層。

2試驗(yàn)?zāi)康?/p>

①鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，油壓表換算的理論軸力與軸力計(jì)實(shí)測軸力對(duì)應(yīng)情況；

②鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力過程中，實(shí)測軸力的消散量和消散過程。

3軸力計(jì)安裝

鋼支撐軸力監(jiān)測采用軸力計(jì)(量程2 500 kN)觀測。安裝步驟如下：

①先將專用的軸力圓筒安裝架焊接在鋼支撐固定端面，端面與安裝架之間要加焊一塊不小于25 mm厚的加強(qiáng)墊板，焊接時(shí)注意圓筒安裝架軸線要與鋼支撐的軸線重合。

②待安裝支架冷卻后，將軸力計(jì)推入圓筒安裝架內(nèi)，并用螺絲固定(如圖1所示)。

圖1　鋼支撐軸力計(jì)現(xiàn)場安裝照片

③鋼支撐吊裝就位后，即安裝架的另一端(空缺的那一端)與圍護(hù)墻體上的鋼板對(duì)上，中間加一塊250 mm×250 mm×25 mm的加強(qiáng)鋼墊板，以擴(kuò)大軸力計(jì)受力面積，防止軸力計(jì)受力后陷入圍護(hù)墻影響試驗(yàn)結(jié)果。

④將讀數(shù)電纜接到安全觀測區(qū)域，外露電纜作好保護(hù)措施。

4試驗(yàn)過程

(1)記錄軸力計(jì)在安裝前的初始頻率。

(2)鋼支撐吊裝就位后，使用千斤頂對(duì)鋼支撐分25 MPa、32 MPa、48 MPa三級(jí)施加預(yù)應(yīng)力，待鋼鍥打入、油頂回撤后采集軸力計(jì)讀數(shù)。

(3)完成加力后每10 min左右觀測1次，連續(xù)觀測3次。

(4)次日在同一外界條件下對(duì)軸力計(jì)再行觀測一次。

(5)在臨時(shí)支撐加力過程中，觀測油壓表和軸力計(jì)讀數(shù)動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)情況。

5計(jì)算公式

軸力計(jì)計(jì)算方法

式中N——鋼支撐軸力/kN；

k——軸力計(jì)標(biāo)定系數(shù)；

fi——軸力計(jì)監(jiān)測頻率/Hz；

f0——軸力計(jì)安裝后的初始頻率/Hz。

千斤頂換算預(yù)加軸力：

根據(jù)施工單位提供的千斤頂1號(hào)、2號(hào)檢定證書中的校準(zhǔn)方程換算，千斤頂1號(hào)校準(zhǔn)方程為

y=0.032 7x-0.688 5

千斤頂2號(hào)校準(zhǔn)方程為

y=0.032 7x-0.819 7

式中x——試驗(yàn)力/kN；

y——千斤頂指示器示值/MPa。

根據(jù)千斤頂1號(hào)、2號(hào)校準(zhǔn)方程換算出對(duì)應(yīng)油壓下千斤頂施加在鋼支撐上的理論預(yù)加軸力為

F=(2y+0.688 5+0.819 7)/0.032 7

值得說明的是,關(guān)于為什么上述斜向垂直環(huán)流圈在某一時(shí)段能夠形成而在另一時(shí)段不能形成的原因則還需進(jìn)一步探索。

式中F——理論預(yù)加軸力/kN；

y——千斤頂指示器示值/MPa。

6實(shí)測數(shù)據(jù)分析

(1)試驗(yàn)一

分三級(jí)(25 MPa、32 MPa、48 MPa)施加預(yù)應(yīng)力，待鋼鍥打入、油頂回撤后采集軸力計(jì)讀數(shù)，每隔10 min觀測1次，連續(xù)觀測3次，次日同等外界條件下(同溫度、同荷載)再行觀測一次(如表1所示)。

表1　分級(jí)施加后預(yù)應(yīng)力后的實(shí)測軸力統(tǒng)計(jì)

注：本次實(shí)測軸力為打入鋼鍥、油頂回撤后的穩(wěn)定讀數(shù)計(jì)算值。

由表1匯總數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：

①使用千斤頂油壓表峰值換算出的理論軸力并非鋼支撐有效實(shí)際軸力，實(shí)際軸力損失較多，隨著預(yù)應(yīng)力的加大，實(shí)際軸力損失量會(huì)有所減小。當(dāng)油壓峰值25 MPa(換算理論軸力約1 575 kN；12時(shí)05分)時(shí)，打完鋼鍥、回撤油頂后，實(shí)際軸力為523.88 kN，損失66.74%；當(dāng)油壓峰值為32 MPa(換算理論軸力2 003 kN；12時(shí)10分)時(shí)，打完鋼鍥回撤油頂后，實(shí)際軸力為866.32 kN，損失56.76%；當(dāng)油壓峰值48 MPa(換算理論軸力2 983 kN；12時(shí)20分)時(shí)，打完鋼鍥回撤油頂后，實(shí)際軸力為1 518.28 kN，損失49.10%。

②軸力預(yù)加完成后，隨著時(shí)間推移，軸力會(huì)有所消散，當(dāng)外界荷載及溫度條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。12時(shí)20分時(shí)，實(shí)際軸力為1 518.28 kN；12時(shí)30分時(shí)，實(shí)際軸力為1 487.68 kN，軸力消散2.02%；12時(shí)40分時(shí)，實(shí)際軸力為1 477.10 kN，軸力消散2.71%；12時(shí)50分時(shí)，實(shí)際軸力為1 455.91 kN，軸力消散4.11%；13時(shí)00分時(shí)，實(shí)際軸力為1 450.61 kN，軸力消散4.46%；次日13時(shí)10分時(shí)，實(shí)際軸力為1 433.97 kN，軸力消散5.55%。

在臨時(shí)支撐加力過程中，同步觀測油壓表讀數(shù)和軸力計(jì)讀數(shù)，每增加2 MPa同步觀測一次，待增加到50 MPa后，打入鋼鍥、回撤千斤頂后再行觀測一次(如表2)。

表2　分級(jí)施加后預(yù)應(yīng)力過程中實(shí)測動(dòng)態(tài)軸力統(tǒng)計(jì)

注：本次實(shí)測軸力為加力過程中對(duì)應(yīng)油壓表讀數(shù)的瞬時(shí)讀數(shù)計(jì)算值。

由表2匯總數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：

①千斤頂油壓在增大過程中，通過軸力計(jì)測出的動(dòng)態(tài)軸力基本呈線性增長，油壓表讀數(shù)換算出的軸力和實(shí)測軸力大致相同。當(dāng)油壓表峰值達(dá)50 MPa(換算軸力約3 104 kN)時(shí)，通過軸力計(jì)測出峰值為3 081.07 kN，為換算軸力的99.25%。

②千斤頂加力至峰值后，在打入鋼鍥并回撤油頂過程中，軸力損失較大。當(dāng)油壓表峰值達(dá)50 MPa時(shí)，通過軸力計(jì)測出峰值為3 081.07 kN，待打入鋼鍥并回撤油頂后，實(shí)測軸力為1 803.37 kN，軸力損失41.47%。

③軸力計(jì)在突破2 500 kN量程后，示值仍呈線性增長，所測得軸力依舊可以精確反映鋼支撐實(shí)際受力情況。但考慮實(shí)際基坑工程中，鋼支撐預(yù)加軸力通常不會(huì)大于2 000 kN，而且如果千斤頂油壓太大易導(dǎo)致千斤頂油管爆裂，具有一定的安全隱患，因此，在實(shí)際施工過程中，不建議對(duì)鋼支撐施加過高的預(yù)應(yīng)力。

7結(jié)論和建議

①使用千斤頂預(yù)加鋼支撐軸力時(shí)，油壓表換算出的軸力峰值與軸力計(jì)實(shí)測軸力峰值大致相同，但由于大部分軸力損失在打入鋼鍥并回撤油頂?shù)倪^程中，其最終的有效軸力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求應(yīng)通過附近軸力計(jì)實(shí)測驗(yàn)證。

②在預(yù)加軸力達(dá)到峰值(25～50 MPa范圍內(nèi))后、打入鋼鍥并回撤油頂過程中，實(shí)際軸力約損失40%以上，隨著預(yù)加軸力的加大，實(shí)際軸力消散量有所減小。

③鋼支撐完成軸力預(yù)加后，10 min內(nèi)軸力完成大部分衰減，隨著時(shí)間推移衰減量有所減小。

④使用千斤頂預(yù)加軸力可以使鋼支撐短暫達(dá)到設(shè)計(jì)軸力，但在打入鋼鍥并回撤油頂?shù)倪^程中“保力”難度較大，如何進(jìn)一步減小鋼支撐的軸力損失，可以從“適當(dāng)提高預(yù)加軸力峰值”和“進(jìn)一步減小千斤頂回撤前的軸力損失”兩個(gè)思路著手。

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收稿日期：2016-03-11

第一作者簡介：王俊東(1984—)，男，2006年畢業(yè)于東華理工學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0057-03

中圖分類號(hào)：TU473.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Monitoring and Analysis on Acial force of Steelpipe Support During Installation Procedure

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