地鐵深基坑鋼支撐預加軸力消散原因分析

李書銀 李世良

(1.中鐵城市規劃設計研究院有限公司，安徽蕪湖 241000;2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

對基坑工程而言，深基坑支護結構位移與內力監測是確保基坑施工安全的重要措施，也是進行信息化設計與施工的前提。支撐軸力監測是基坑監測的重要內容，是驗證基坑設計合理性，保證安全施工的重要依據[1]。在采用鋼支撐支護的基坑中，鋼支撐較普通鋼筋混凝土支撐連接形式簡單，受力明確，其軸力變化能夠反映出基坑土壓力的變化[2-4]。因此，在地鐵基坑監測中，需要及時關注支撐軸力的變化情況。實際工作中，通常會出現鋼支撐預加軸力不足以及軸力消散過快等情況。結合昆明地鐵4號線某監測標段現場情況，分析軸力消散的主要原因，并給出相應的處理措施。

2 鋼支撐預加軸力的作用

鋼支撐施加預加軸力的作用機理是利用鋼材輕質、高強、具彈塑性等材料特性，預先給鋼支撐施加一定軸力來抵抗基坑側向土壓力，從而達到控制基坑變形的作用。給鋼支撐施加預加軸力對圍護結構有三個重要作用[5-7]：①鋼支撐通過鋼圍檁進行應力傳遞，使其內支撐體系與圍護結構密貼，有效減少支護結構位移，確保周邊環境安全可控；②減少土方開挖時在土體內積聚的剪應力；③消除鋼支撐、圍檁與支護結構之間的施工縫隙，使內支撐提前主動進入合理的受力狀態。

從對鋼支撐施加預加軸力的作用機理可以看出，只有給鋼支撐施加合理的預加軸力值才能起到良好的支護效果。

3 鋼支撐預加軸力消散

以昆明地鐵4號線某監測標段范圍內各站點中較為典型的支撐軸力監測數據為例。圖1為2016年12月到2017年4月間，陳家營站標準段第一道鋼支撐的軸力監測數據變化曲線，該階段開挖面附近預加軸力保持在設計要求的43%～77%之間；圖2為2017年2月到2017年3月間，大河埂站標準段第一道鋼支撐的軸力監測數據變化曲線，該階段開挖面附近預加軸力保持在設計要求的66%～78%之間；圖3、圖4、圖5分別為2017年2月到2017年3月間，大塘子站擴大段及標準段鋼支撐軸力監測數據變化曲線，該階段開挖面附近的預加軸力為：①擴大段保持在設計要求的5%～69%之間，其中30%以內居多；②該站標準段保持在設計要求的22%～56%之間，其中40%內的居多。

圖1 陳家營站軸力監測情況

圖2 大河埂站軸力監測情況

圖3 大塘子站小里程擴大段軸力監測情況

圖4 大塘子站大里程擴大段軸力監測情況

圖5 大塘子站標準段軸力監測情況

圖6 ZCL2-25(DK3+610)軸力變化速率

圖7 ZCL3-25(DK3+610)軸力變化速率

圖1～圖5直觀給出了各處鋼支撐每天的實測軸力值及其波動趨勢。從中不難發現，所列舉的鋼支撐預加軸力均存在消散過快的現象。這一點在圖6、圖7分別對應的大塘子站標準段ZCL2-25(DK3+610)及ZCL3-25(DK3+610)軸力變化速率中均有所反映。在監測過程中，這兩組鋼支撐軸力變化速率均存在著明顯的波動。

4 軸力消散原因分析

4.1 地連墻成槽質量較差

在進行地下連續墻成槽及水下混凝土澆筑過程中，因質量管控不力，導致地連墻背土面出現鼓包、凹凸不平等質量問題，加之土方開挖過程中缺陷處理不到位，導致鋼圍檁架設后無法與地連墻面達到密貼狀態(如圖8所示)。若處理不當，則會出現鋼圍檁與地連墻之間縫隙過大，成為鋼支撐預加軸力消散的主要源頭。

圖8 地連墻表面不平整

4.2 支撐體系安裝架設質量不達標

(1)鋼圍檁架不規范：如圖9所示，架設后對其背后空隙未作處理，或在處理不當的情況下施加預加軸力。

圖9 地連墻表面與鋼圍檁背后縫隙過大

(2)鋼支撐本身存在質量問題：鋼支撐經多次轉場重復使用，端部或已出現變形等。規范的做法是：在進行地面組裝時，檢查好支撐體的平直度和完好性，變形或破損的一律不能使用。

(3)點受力較為突出：在施工過程中出現加塞鋼楔子的情況(如圖10所示)；以及鋼圍檁經多次轉場未經排查，將已變形鋼圍檁投入使用(如圖11所示)；以上兩種情況均可產生點受力。規范的做法是：在鋼圍檁背后適量加塞鋼板，不僅可以改善結構面受力，而且可增強背后填充物的強度，能在一定程度上解決預加軸力消散的情況。

圖10 加塞鋼楔子

圖11 鋼圍檁變形

(4)縫隙填料質量不達標：鋼支撐一般要求在土方開挖后8 h內架設完成，其中包含鋼支撐拼裝、吊裝、圍檁架設及地連墻表面處理等工序，而填料為水泥砂漿或“水泥+部分細骨料”，在短時間內很難形成理想強度，建議在填料中根據需要加入適量早強劑或提高填料的強度等級。

(5)鋼支撐偏心受力：架設時存在偏心現象，建議采取置換或調整墊板等方式改善其受力效果。

(6)預加軸力未分級施加：預加軸力未嚴格按照設計要求逐級施加，存在一次性加力過大，導致鋼支撐連接法蘭盤錯位、鋼圍檁或附加鋼板被頂變形現象(如圖12所示)。在千斤頂卸載后，導致施加軸力消散。

圖12 鋼板變形

(7)忽視液壓表設備現場校核檢驗：液壓表顯示壓力讀數與實測值不符，導致施加軸力偏大或偏小。應定期校核液壓表及相關設備裝置。

(8)鋼圍檁縱向搭接不牢靠或未進行有效連接：在縱向搭接不牢靠或縱向未進行有效搭接的情況下加力，導致鋼圍檁左右跑偏及錯位。

(9)穩壓后未對活絡端鋼楔子持力情況進行檢查：在預加軸力后、千斤頂泄壓前，未及時排查鋼楔子是否嵌入牢靠。

4.3 溫差影響與溫差控制

昆明地區早晚溫差較大，因溫差引起的混凝土圍護結構變形、周邊土體變形等均非常小，而由之引起的鋼支撐軸力變化則較為明顯，將“溫差影響”變為“溫差控制”，才能保證基坑安全。結合近幾年地鐵施工監測中的經驗，給出兩點建議：一是盡量避免每日氣溫最高或最低時施加軸力。二是建議監測單位在溫度相對恒定的情況下進行軸力監測。

4.4 試驗分析

為驗證以上所述觀點的合理性，在昆明地鐵3號、4號線某換乘通道基坑變形監測過程中，選取基坑第一道鋼支撐ZCL-1F01-03、ZCL-1F01-05作為試驗點。從鋼支撐架設開始，于每天上午9：00進行連續監測，對應監測結果如圖13、圖14所示。

圖13 ZCL-1F01-03軸力變化情況

圖14 ZCL-1F01-05軸力變化情況

由圖13、圖14可以看出，在鋼支撐架設初期，兩個監測點均出現了明顯的軸力消散現象，尤其以ZCL-1F01-03鋼支撐最為顯著。主要原因在于：ZCL-1F01-03鋼支撐處于基坑中部，受力較大，且兩端均采用鋼圍檁與基坑側壁連接，在開挖初期基坑側壁凹凸不平，鋼圍檁與側壁貼合不密實，存在受力不均勻的現象。在聽取專家意見后，及時采取在縫隙處墊加鋼板等措施，同時在基坑開挖過程中及時對側壁進行噴漿整平，在第二層鋼支撐架設完畢，經二次加力后，鋼支撐軸力監測值趨于穩定。而ZCL-1F01-05鋼支撐是位于基坑端頭的斜撐，在汲取之前經驗的基礎上，放棄鋼圍檁連接方式，進而采用現澆混凝土與基坑側壁剛性連接的方式。從圖14對應的監測結果可以看出，該支撐受力變化基本穩定，考慮到每天的溫度變化，所出現的波動可忽略不計。

5 結論

針對昆明地鐵4號線某監測標段范圍內部分鋼支撐預加軸力不足及軸力消散過快的問題。從地連墻成槽質量、鋼支撐體系架設以及溫度觀測等方面進行了詳細闡述和分析，可獲得如下結論：

(1)在成槽過程中，要保證地連墻面的平整性，使鋼圍檁與地連墻之間達到最佳密貼狀態，可有效避免鋼支撐預加軸力消散過快。

(2)為有效避免鋼支撐預加軸力消散過快，在支撐體系架設過程中，鋼圍檁架的安裝需符合規范要求，避免鋼圍檁縱向搭接不牢靠或未進行有效連接；在確保鋼支撐本身質量的同時，避免支撐發生點受力，保證鋼支撐軸向受力；在預加軸力時，嚴格按照設計要求分級施加。

(3)溫度對鋼支撐軸力影響較大，應避免在每日氣溫最高或最低時施加軸力，同時應在溫度相對恒定的情況下進行軸力監測。