苗子臻， 夏寶坤， 劉釗瑞， 郭彥杰， 王 歡， 侯 征

(北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 北京 100176)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、城市人口的急劇增加，城市交通擁堵問題日趨嚴(yán)重，城市軌道交通應(yīng)運(yùn)而生發(fā)展迅速，相應(yīng)地鐵深基坑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，施工環(huán)境愈加復(fù)雜，如何確?；影踩蔀榈罔F深基坑工程中的關(guān)鍵問題[1-4]。鋼支撐支護(hù)體系由于鋼材優(yōu)良的性能在深大基坑得到廣泛應(yīng)用，成為減少和控制基坑變形的有效手段[5-9]。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線磁各莊站工程基坑長(zhǎng)425.5 m，寬26 m，深20.8～21.63 m，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，采用351根無格構(gòu)柱直徑φ=800 mm，壁厚t=16 mm鋼管內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，最大軸力設(shè)計(jì)值為3 483.48 kN。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，支撐自重產(chǎn)生撓度29.5 mm，最大設(shè)計(jì)軸力作用下支撐撓度值為40.8 mm，距《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB 9258—1997)及《基坑工程內(nèi)支撐技術(shù)規(guī)程》(DB 11/940—2012)[10-11]規(guī)定限值 43.3 mm(l/600，其中l(wèi)為支撐計(jì)算長(zhǎng)度)僅剩 2.5 mm，基坑支撐撓度控制成為影響基坑安全的關(guān)鍵。因此，擬通過理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，對(duì)車站基坑支撐撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，查找影響支撐撓度的關(guān)鍵因素，針對(duì)性地提出相應(yīng)控制措施，并根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行權(quán)重分析比選驗(yàn)證，確定減小支撐撓度的快速、經(jīng)濟(jì)、有效方法，全力保障基坑安全。

1 工程概況

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線一期工程北起草橋南至新機(jī)場(chǎng)北航站樓，全長(zhǎng)41.36 km，是北京首次采用政府和社會(huì)資本合作(public-private partnership，PPP)模式建設(shè)的軌道交通線路，也是中國(guó)首條最高速度達(dá)到160 km/h的城市軌道交通線路。磁各莊站為PPP項(xiàng)目中唯一車站，位于團(tuán)河路與沐新路交叉口西南側(cè)。車站結(jié)構(gòu)形式為明挖地下兩層雙柱三跨及兩層單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)，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(gòu)柱鋼管內(nèi)支撐支護(hù)體系，共設(shè)置支撐三道，從上到下三道鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值分別為754.8、3 085.15、3 483.48 kN?；娱_挖采用豎向分層、水平分段、中間拉槽、兩側(cè)留臺(tái)方式進(jìn)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(shí)，及時(shí)進(jìn)行支撐架設(shè)，相應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土方開挖布置如圖1、圖2所示。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)測(cè)

支撐作為基坑支護(hù)的主要受力桿件，其受荷變形情況直接關(guān)系到基坑的安全。監(jiān)控預(yù)警作為預(yù)防支撐體系發(fā)生破壞的重要手段，相關(guān)規(guī)范[10-13]從監(jiān)測(cè)等級(jí)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)預(yù)警值等角度對(duì)支撐軸力監(jiān)測(cè)做了明確要求，但對(duì)支撐撓度卻僅作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝檢查時(shí)的一個(gè)變形規(guī)定，缺乏支撐使用過程中撓度監(jiān)測(cè)相關(guān)要求，而對(duì)于大跨度無格構(gòu)柱支撐，如果撓度過大，受力形式會(huì)發(fā)生變化，極易發(fā)生事故。因此，運(yùn)用力學(xué)、測(cè)量學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)支撐使用過程中撓度變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

2.1 測(cè)定方法

ω為距原點(diǎn)x長(zhǎng)度處支撐撓度；x為支撐上某點(diǎn)距原點(diǎn)的距離圖3 鋼支撐撓度理論計(jì)算簡(jiǎn)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(jiǎn)化為承受均布荷載和軸向壓力的簡(jiǎn)支梁，相應(yīng)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示，可知支撐最大撓度在跨中位置，其理論計(jì)算公式如式(1)～式(4)所示?；谥螕锨€形狀，考慮觀測(cè)操作安全，決定采用全站儀對(duì)支撐跨中位置處的最大撓度進(jìn)行跟蹤觀測(cè)；觀測(cè)時(shí)，在支撐跨中及兩端布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，而后根據(jù)中間自由設(shè)站高程測(cè)量原理測(cè)定三點(diǎn)高程[14-16]，進(jìn)而推算支撐中部最大撓度，相應(yīng)測(cè)定方法如圖4、圖5所示，撓度計(jì)算公式為

圖4 中間自由設(shè)站高程測(cè)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(cè)算簡(jiǎn)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(shí)測(cè)值；δ為自重在跨中位置所產(chǎn)生撓度值；q為支撐自重荷載；l為支撐計(jì)算長(zhǎng)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(shè)計(jì)軸力；Fcr為支撐受壓失穩(wěn)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(cè)點(diǎn)水平視線的垂直距離；hb為監(jiān)測(cè)點(diǎn)至觀測(cè)點(diǎn)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(shù)；hab為監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間的高差；SA為觀測(cè)點(diǎn)至棱鏡中心的直線距離；α為棱鏡中心觀測(cè)線與水平視線的夾角；SB為觀測(cè)點(diǎn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)的直線距離；β為監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)線與水平視線的夾角；K為大氣折光系數(shù)；R為地球的平均曲率半徑；Δha為支撐活絡(luò)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(luò)頭活動(dòng)端高程變化值。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展，按照上述監(jiān)測(cè)方法，以工程放樣控制點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，沿基坑兩側(cè)混凝土擋墻，對(duì)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(jì)50根鋼支撐撓度進(jìn)行觀測(cè)，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面形狀對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，監(jiān)測(cè)鋼支撐選取避開第一區(qū)右側(cè)、第三區(qū)左側(cè)毗鄰相鄰標(biāo)段盾構(gòu)收發(fā)井區(qū)域以及第二區(qū)主體結(jié)構(gòu)加寬段區(qū)域，具體測(cè)點(diǎn)布置情況如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of measuring points

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB 9258—1997)及《基坑工程內(nèi)支撐技術(shù)規(guī)程》(DB 11/940—2012)規(guī)范[10-11]要求為底線：支撐撓度在豎向平面內(nèi)不得大于其計(jì)算跨度的1/600～1/800，對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)論。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)支撐撓度分布情況(測(cè)量時(shí)間為架設(shè)后25～30 d)Fig.7 Distribution of on-site support deflection (the monitoring time is 25～30 days after erection)

(1)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)50根鋼支撐中有8根支撐撓度超出規(guī)范限值，占比14%；有10根支撐撓度距規(guī)范規(guī)定限值不足5 mm，占比22%；兩者累計(jì)占比36%，支撐整體撓度變形較大，支護(hù)體系存在安全隱患，進(jìn)行支撐撓度控制十分必要。

(2)不考慮時(shí)空效應(yīng)，當(dāng)前監(jiān)測(cè)狀態(tài)下，支撐軸力范圍為244.31～1 796.65 kN，除首層4根支撐因架設(shè)不及時(shí)及溫度效應(yīng)等原因超出設(shè)計(jì)值以外，其余支撐軸力均在設(shè)計(jì)值以內(nèi)，且由軸力平均值趨勢(shì)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(dòng)，分別為相應(yīng)軸力設(shè)計(jì)值的78.7%、39.8%、21.6%，從軸力角度看，支撐設(shè)計(jì)較為保守，安全系數(shù)足夠。

(3)綜合對(duì)比支撐撓度、軸力，發(fā)現(xiàn)撓度超限、較大現(xiàn)象多發(fā)生在軸力較大支撐，支撐撓度與支撐軸力整體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但受其他因素干擾局部會(huì)有波動(dòng)。根據(jù)軸力分布，支撐撓度整體符合第二層>第三層>第一層規(guī)律，但也存在局部異?，F(xiàn)象。同時(shí)，有9根支撐實(shí)測(cè)撓度已大于最大設(shè)計(jì)軸力撓度計(jì)算值，且有5根支撐撓度竟然小于等于自重荷載所產(chǎn)生撓度計(jì)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(jiān)測(cè)之外，進(jìn)行支撐撓度的監(jiān)測(cè)與分析，十分必要。對(duì)于無格構(gòu)柱鋼支撐，其撓度變形主要包括支撐生產(chǎn)安裝初始撓度及支撐受荷變形撓度兩個(gè)方面，前者主要包括材料陳舊產(chǎn)生變形以及組裝偏差產(chǎn)生變形，后者主要包括支撐自重、兩端軸力產(chǎn)生變形以及軸心受荷、偏心受荷所產(chǎn)生附加變形，其中安裝初始撓曲及偏心受荷等根據(jù)初始撓曲方向的不同，會(huì)對(duì)支撐后期撓度變形帶來相應(yīng)增幅或抵消，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)。

為查找確定影響支撐撓度的關(guān)鍵，項(xiàng)目通過理論計(jì)算、查閱文獻(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方式對(duì)各因素對(duì)支撐撓度影響程度進(jìn)行了分析，具體如下。

首先，經(jīng)查閱鋼支撐廠家所提供的材料檢測(cè)報(bào)告以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)選取9根全新、11根九成新支撐進(jìn)行組裝并量測(cè)其組裝撓曲變形，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝水平下，支撐組裝產(chǎn)生撓度變形均值為5.1 mm，約為支撐實(shí)測(cè)總撓度的11.3%，具有一定影響，但影響較小，如表1所示。同時(shí)，根據(jù)式(1)～式(4)進(jìn)行自重及軸力作用下?lián)隙扔?jì)算可知，實(shí)測(cè)最大軸力作用下支撐撓度理論值為 35.33 mm，為支撐實(shí)測(cè)總撓度的78.2%，其中因支撐自重所產(chǎn)生撓度值為29.5 mm，占比65.3%，因軸向受荷所產(chǎn)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(dǎo)致的附加變形，其占比為10.5%，比例較小，此與相應(yīng)研究結(jié)果相符：鋼支撐與圍檁接觸不緊密時(shí)，容易產(chǎn)生軸向偏心，造成二階效應(yīng)，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(chǎn)生撓曲變形

綜上，各因素對(duì)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(guān)鍵。

3 撓度控制

針對(duì)上述影響支撐撓度的主要因素，小組根據(jù)相關(guān)研究成果[17-21]及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了“減小自重?fù)隙取薄皽p小軸力”“施加反撓度”“加設(shè)支撐構(gòu)件”4種撓度控制對(duì)策，并根據(jù)項(xiàng)目工期緊、任務(wù)重等實(shí)際情況，基于權(quán)重分析方法從可行性、時(shí)間性、經(jīng)濟(jì)性、有效性4個(gè)方面對(duì)各對(duì)策進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，經(jīng)比選，最終選定“施加反撓度”為實(shí)施對(duì)策，分析情況如表2、表3所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重及分值確定原則

表3 對(duì)策綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)選定對(duì)策，提出具體實(shí)施措施：首先，根據(jù)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(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，而后使用“三分法吊裝”就位，即使兩起吊點(diǎn)位于支撐長(zhǎng)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(diǎn)吊裝”，緩慢拉緊吊繩，在支撐中部施加向上預(yù)緊力，使支撐繼續(xù)產(chǎn)生向上撓度變形，施加向上預(yù)緊力過程注意保持平穩(wěn)，確保支撐兩端不發(fā)生懸空，軸力施加完畢后放松吊繩，觀測(cè)支撐就位后初始撓度，并在架設(shè)完成25～30 d后，取相同比例支撐進(jìn)行后期撓度觀測(cè)(本研究觀測(cè)樣本仍為50根，且為減少時(shí)空效應(yīng)對(duì)支撐撓度影響，各測(cè)點(diǎn)支撐所處開挖狀態(tài)盡可能與前期未采取反撓度措施監(jiān)測(cè)支撐保持一致)。反撓度措施實(shí)施原理如圖8所示，相應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)所整理措施實(shí)施前后撓度對(duì)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(jiān)測(cè)時(shí)間為架設(shè)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(diǎn)吊裝施加預(yù)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(nèi)支撐技術(shù)規(guī)程》(DB 11/940—2012)及《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB 9258—1997)中關(guān)于安裝撓曲變形不大于20 mm及支撐長(zhǎng)度的1/1 000的要求；同時(shí)，措施實(shí)施后現(xiàn)場(chǎng)支撐實(shí)測(cè)撓度為20.7～36.6 mm(均值28.0 mm)，支撐整體撓度距離規(guī)范規(guī)定限值達(dá)6.7～22.6 mm，相比措施實(shí)施前支撐實(shí)測(cè)撓度28.4～45.2 mm(均值36.6 mm)出現(xiàn)明顯下降，支撐撓度得到有效控制。

ωa為向上反撓度(預(yù)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(tài)下支撐最終變形撓度圖8 反撓度措施實(shí)施原理Fig.8 Implementation principle of anti-deflection measure

表4 采取措施支撐撓度觀測(cè)數(shù)據(jù)

通過圖9對(duì)比可知，施加反撓度控制措施后，現(xiàn)場(chǎng)支撐撓度整體下降，下降幅值為7.3～11.6 mm，同時(shí)所有支撐撓度皆小于規(guī)范規(guī)定撓度限值5 mm以上，合格率達(dá)100%，且88%(46根)的支撐撓度小于規(guī)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，支撐撓度下降幅值小于前期措施所提供的向上預(yù)拱撓度值，體現(xiàn)出預(yù)拱撓度不會(huì)100%反饋至撓度控制效果上來，會(huì)有一定折減。

4 結(jié)論

通過對(duì)磁各莊站地鐵深基坑無格構(gòu)柱鋼支撐撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及撓度控制方法的分析研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)對(duì)于大跨度無格構(gòu)柱支撐體系，受建設(shè)過程中各種因素影響，存在支撐撓度超出規(guī)范規(guī)定限值現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體系失穩(wěn)，影響基坑安全，因此施工過程中，不僅要按規(guī)范要求進(jìn)行支撐軸力監(jiān)測(cè)，還應(yīng)加強(qiáng)支撐撓度監(jiān)測(cè)，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，以確?；邮┕ぐ踩?。

(2)自重及設(shè)計(jì)軸力作用下支撐撓度變形是影響支撐撓度的關(guān)鍵，對(duì)于本工程，兩者作用下支撐產(chǎn)生的撓度約占支撐實(shí)測(cè)撓度的78.2%，其中由支撐自重所產(chǎn)生撓度值占65.3%，因軸向受荷所產(chǎn)生撓度占12.9%，對(duì)于大跨度無格構(gòu)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(shí)不會(huì)增加較多額外工時(shí)、費(fèi)用，值得類似工程參考。