鋼支撐軸力在安裝過程中的監測分析

王俊東　梁　寅　王紅詠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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鋼支撐軸力在安裝過程中的監測分析

王俊東梁寅王紅詠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要鋼支撐由于其架設進度快、軸力可復加、可重復使用等優點被廣泛應用于地鐵基坑工程的支護系統中。但大量的實測數據表明，鋼支撐架設并完成預應力施加后，實測軸力往往遠小于設計要求。以長三角某城市地鐵深基坑工程鋼支撐施工現場試驗為例，觀測支撐軸力在施加預應力前后的動態變化，得出鋼支撐在架設后的軸力變化規律，提出適當提高預加軸力峰值及進一步減小千斤頂回撒前軸力損失的具體思路。

關鍵詞鋼支撐軸力試驗

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滯后、鋼支撐軸力偏小等因素導致兩側圍護結構變形超限，如相鄰圍護結構產生差異變形，則在圍護結構之間會產生滲漏縫隙，引起坑外水土流失，對基坑及周邊環境形成一定的安全隱患。如何確保鋼支撐的有效預加軸力，滿足設計要求，是現場施工人員長期關注的問題。通過基坑工程鋼支撐安裝試驗中的實測數據匯總、分析，總結了鋼支撐在架設后的變化規律，對現場鋼支撐的安裝及預應力施加具有一定的指導意義。

1工程概況

某城市地鐵區間采用明挖順作法施工，基坑主體結構長177.6 m，寬10.8 m，挖深17.3-17.6 m，基坑風險等級為二級，環境風險等級為二級。基坑圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，設置四道支撐：(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的土層主要為①人工填土層、③1黏土層、③2粉質黏土、③3粉土、④1粉質黏土層、④2粉土層；基底落于④2粉土層；圍護結構在坑底以下繼續穿越④2粉土、⑤1粉質黏土、⑤2粉土、⑦2粉土層。⑤2粉土、⑦2粉土層為承壓水層且連通，圍護結構未截斷⑦2粉土層。

2試驗目的

①鋼支撐施加預應力時，油壓表換算的理論軸力與軸力計實測軸力對應情況；

②鋼支撐施加預應力過程中，實測軸力的消散量和消散過程。

3軸力計安裝

鋼支撐軸力監測采用軸力計(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厚的加強墊板，焊接時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，將軸力計推入圓筒安裝架內，并用螺絲固定(如圖1所示)。

圖1　鋼支撐軸力計現場安裝照片

③鋼支撐吊裝就位后，即安裝架的另一端(空缺的那一端)與圍護墻體上的鋼板對上，中間加一塊250 mm×250 mm×25 mm的加強鋼墊板，以擴大軸力計受力面積，防止軸力計受力后陷入圍護墻影響試驗結果。

④將讀數電纜接到安全觀測區域，外露電纜作好保護措施。

4試驗過程

(1)記錄軸力計在安裝前的初始頻率。

(2)鋼支撐吊裝就位后，使用千斤頂對鋼支撐分25 MPa、32 MPa、48 MPa三級施加預應力，待鋼鍥打入、油頂回撤后采集軸力計讀數。

(3)完成加力后每10 min左右觀測1次，連續觀測3次。

(4)次日在同一外界條件下對軸力計再行觀測一次。

(5)在臨時支撐加力過程中，觀測油壓表和軸力計讀數動態對應情況。

5計算公式

軸力計計算方法

式中N——鋼支撐軸力/kN；

k——軸力計標定系數；

fi——軸力計監測頻率/Hz；

f0——軸力計安裝后的初始頻率/Hz。

千斤頂換算預加軸力：

根據施工單位提供的千斤頂1號、2號檢定證書中的校準方程換算，千斤頂1號校準方程為

y=0.032 7x-0.688 5

千斤頂2號校準方程為

y=0.032 7x-0.819 7

式中x——試驗力/kN；

y——千斤頂指示器示值/MPa。

根據千斤頂1號、2號校準方程換算出對應油壓下千斤頂施加在鋼支撐上的理論預加軸力為

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

值得說明的是,關于為什么上述斜向垂直環流圈在某一時段能夠形成而在另一時段不能形成的原因則還需進一步探索。

式中F——理論預加軸力/kN；

y——千斤頂指示器示值/MPa。

6實測數據分析

(1)試驗一

分三級(25 MPa、32 MPa、48 MPa)施加預應力，待鋼鍥打入、油頂回撤后采集軸力計讀數，每隔10 min觀測1次，連續觀測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　分級施加后預應力后的實測軸力統計

注：本次實測軸力為打入鋼鍥、油頂回撤后的穩定讀數計算值。

由表1匯總數據對比分析可知：

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際軸力，實際軸力損失較多，隨著預應力的加大，實際軸力損失量會有所減小。當油壓峰值25 MPa(換算理論軸力約1 575 kN；12時05分)時，打完鋼鍥、回撤油頂后，實際軸力為523.88 kN，損失66.74%；當油壓峰值為32 MPa(換算理論軸力2 003 kN；12時10分)時，打完鋼鍥回撤油頂后，實際軸力為866.32 kN，損失56.76%；當油壓峰值48 MPa(換算理論軸力2 983 kN；12時20分)時，打完鋼鍥回撤油頂后，實際軸力為1 518.28 kN，損失49.10%。

②軸力預加完成后，隨著時間推移，軸力會有所消散，當外界荷載及溫度條件相對穩定時，會逐漸趨于穩定。12時20分時，實際軸力為1 518.28 kN；12時30分時，實際軸力為1 487.68 kN，軸力消散2.02%；12時40分時，實際軸力為1 477.10 kN，軸力消散2.71%；12時50分時，實際軸力為1 455.91 kN，軸力消散4.11%；13時00分時，實際軸力為1 450.61 kN，軸力消散4.46%；次日13時10分時，實際軸力為1 433.97 kN，軸力消散5.55%。

在臨時支撐加力過程中，同步觀測油壓表讀數和軸力計讀數，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　分級施加后預應力過程中實測動態軸力統計

注：本次實測軸力為加力過程中對應油壓表讀數的瞬時讀數計算值。

由表2匯總數據對比分析可知：

①千斤頂油壓在增大過程中，通過軸力計測出的動態軸力基本呈線性增長，油壓表讀數換算出的軸力和實測軸力大致相同。當油壓表峰值達50 MPa(換算軸力約3 104 kN)時，通過軸力計測出峰值為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。當油壓表峰值達50 MPa時，通過軸力計測出峰值為3 081.07 kN，待打入鋼鍥并回撤油頂后，實測軸力為1 803.37 kN，軸力損失41.47%。

③軸力計在突破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際受力情況。但考慮實際基坑工程中，鋼支撐預加軸力通常不會大于2 000 kN，而且如果千斤頂油壓太大易導致千斤頂油管爆裂，具有一定的安全隱患，因此，在實際施工過程中，不建議對鋼支撐施加過高的預應力。

7結論和建議

①使用千斤頂預加鋼支撐軸力時，油壓表換算出的軸力峰值與軸力計實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的過程中，其最終的有效軸力是否達到設計要求應通過附近軸力計實測驗證。

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

③鋼支撐完成軸力預加后，10 min內軸力完成大部分衰減，隨著時間推移衰減量有所減小。

④使用千斤頂預加軸力可以使鋼支撐短暫達到設計軸力，但在打入鋼鍥并回撤油頂的過程中“保力”難度較大，如何進一步減小鋼支撐的軸力損失，可以從“適當提高預加軸力峰值”和“進一步減小千斤頂回撤前的軸力損失”兩個思路著手。

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收稿日期：2016-03-11

第一作者簡介：王俊東(1984—)，男，2006年畢業于東華理工學院，工學學士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0057-03

中圖分類號：TU473.2

文獻標識碼：B

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

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