舊城區(qū)綜合管廊工程支護(hù)數(shù)值分析與自動(dòng)化安全控制技術(shù)研究

李君君 劉曉慶 萬(wàn) 濤

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1） 河北石家莊 050041 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院2） 河北石家莊 051132）

1 工程概況

匯明路綜合管廊建設(shè)工程位于石家莊市西南，項(xiàng)目起自槐安路，終至清水街。途徑槐安路、南二環(huán)、新石北路、育新路、友誼大街、紅旗大街、匯寧街、濱河街等13條被交道路。管廊位于規(guī)劃匯明路下，采用明挖法施工，采用鉆孔灌注樁+鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)施工如圖1所示。

圖1 石家莊匯明路舊城區(qū)綜合管廊現(xiàn)場(chǎng)施工圖

2 數(shù)值計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，選擇最危險(xiǎn)典型斷面里程5+862.5處為一Ⅲ-Ⅰ型路段分支口節(jié)點(diǎn)，線路左側(cè)開挖邊線離一12層居民樓最小距離為9.4 m，鉆孔灌注樁樁徑為600 mm，縱向間距為1 m。鋼支撐采用?609，t=16鋼管，鋼支撐縱向間距3.0 m，分析圖示如圖2所示。

圖2 里程5+862.5處結(jié)構(gòu)分析橫斷面圖

2.1 地質(zhì)情況與計(jì)算內(nèi)容

管廊5+862.5處規(guī)劃地面高為68.52m，設(shè)計(jì)溝底高60.633m；開挖坑深為68.52-60.63=8.09 m。根據(jù)《綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地質(zhì)剖面圖》和《巖土工程勘察報(bào)告》，5+862.5處土層依次為①雜填土（地表～3.57m）③粉土（2.65～5.40m）⑥細(xì)砂（5.40m～9.9m）⑨粉土（9.90m～10.9m）⑩粉質(zhì)黏土（10.9m～20.9m）如表1所示。

表1 地層土力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120-2012）》，利用啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在各開挖工況的變形內(nèi)力以及地表沉降；采用通用有限元計(jì)算軟件 ANSYS計(jì)算基坑開挖各工況下腰梁和內(nèi)撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。線路左側(cè)12層居民樓引起的按地面超載按強(qiáng)度240 kPa、10 m寬計(jì)，施加在地面標(biāo)高處，距離基坑邊9.4 m。基坑安全等級(jí)取為二級(jí)。

圖3 計(jì)算模型圖

2.2 深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析

本項(xiàng)目采用啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算模型如圖3所示。

其中圍護(hù)樁主要信息為：擋墻類型：灌注樁；嵌入深度：5.51 m；混凝土等級(jí)：C25；樁徑：0.6 m；樁間距：1.0m。

計(jì)算時(shí)地下水位埋深取30.0m，地面荷載與支錨參數(shù)見表2、3所示，計(jì)算時(shí)考慮冠梁等效支撐剛度7.7MN/m2。

表2 地面荷載

表3 支錨信息

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)土壓力分別施加在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，共進(jìn)行了5鐘工況的計(jì)算分析，分別為開挖3.5m深度，在3m深處加鋼支撐，開挖到5m、6.5m、8.09m共計(jì)5種。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120-2012）》，圍護(hù)結(jié)構(gòu)5種工況的位移和內(nèi)力均形成位移、彎矩和剪力圖，鑒于篇幅問(wèn)題，僅將開挖到3.5m處并在3m處加鋼支撐的這一種工況為例，將啟明星巖土分析結(jié)果展示，如圖4所示。

圖4 基坑開挖在3m深處加上鋼支撐后豎向結(jié)構(gòu)位移及受力曲線圖

2.4 支撐及腰梁分析

利用ANSYS通用有限元計(jì)算軟件計(jì)算內(nèi)撐及腰梁的內(nèi)力。取管廊基坑縱向21m建立內(nèi)撐及腰梁結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算。如圖5所示，模型中有8根內(nèi)撐，腰梁為7跨連續(xù)梁。為了消除模型邊界對(duì)內(nèi)撐和腰梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響，取腰梁最中間3跨的內(nèi)力為腰梁內(nèi)力，最中間2根橫撐的內(nèi)力為橫撐內(nèi)力。

有限元模型中，腰梁、橫撐均采用BEAM44單元模擬，計(jì)算過(guò)程中上述桿件賦予質(zhì)量。根據(jù)各構(gòu)件的連接和受力特點(diǎn)，內(nèi)撐與腰梁間設(shè)置為鉸接。將啟明星軟件計(jì)算得到的內(nèi)撐每延米支撐力施加到腰梁?jiǎn)卧稀Ｒ曰油馏w開挖到3.5m深并且在3.0m處安裝并試駕預(yù)緊力166.67kN/m后的工況為例，將有限元軟件 ANSYS仿真分析的結(jié)果給予介紹。此時(shí)，根據(jù)軟件分析結(jié)果顯示，腰梁的彎矩最大值已經(jīng)達(dá)到127.2kN?m，彎曲應(yīng)力值為26.2MPa；鋼支撐的軸力為499.2kN，豎向彎矩為86.9kN?m，最小應(yīng)力達(dá)到36.9MPa。分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 腰梁水平彎矩與腰梁的應(yīng)力圖

圖7 鋼支撐支撐軸力與最小應(yīng)力圖

3 鋼支撐軸力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)試布設(shè)

選取3根處于危險(xiǎn)斷面處的鋼支撐布設(shè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)符合圣維南原理避開應(yīng)力集中的位置，并對(duì)稱布設(shè)以消除附加彎矩的影響，同時(shí)考慮到長(zhǎng)期室外惡劣的環(huán)境因素，溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，現(xiàn)場(chǎng)選定在每道支撐的 1/3處對(duì)稱布置兩個(gè)應(yīng)變傳感器，共選擇 3根鋼支撐，6個(gè)測(cè)點(diǎn)（BM1-1～BM1-6），現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)如圖8所示。

3.2 監(jiān)測(cè)頻率及報(bào)警

考慮到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集儀器的采樣頻率以及數(shù)據(jù)處理的方便程度，采集設(shè)備理論上可以穩(wěn)定的達(dá)到每5min鐘將數(shù)據(jù)采集一遍，并且考慮到施工的影響，本項(xiàng)目自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用的是每30min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)預(yù)警設(shè)置采用的是三級(jí)預(yù)警，即數(shù)據(jù)采集峰值達(dá)到理論支撐承載力的 50%的時(shí)候進(jìn)行一級(jí)預(yù)警，數(shù)據(jù)采集峰值達(dá)到理論支撐承載力的 75%的時(shí)候進(jìn)行二級(jí)預(yù)警，數(shù)據(jù)采集峰值達(dá)到理論支撐承載力的100%的時(shí)候進(jìn)行三級(jí)預(yù)警，其中達(dá)到一級(jí)預(yù)警現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)注意施工安全，減少施工荷載等對(duì)基坑的擾動(dòng)。達(dá)到二級(jí)預(yù)警現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密觀察，注意施工安全，隨時(shí)準(zhǔn)備整頓施工現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)達(dá)到三級(jí)預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)立即停工，采取保護(hù)措施并找出原因、調(diào)整施工方案。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與云平臺(tái)

經(jīng)與施工方確認(rèn)，將采集主機(jī)懸掛于邊坡處，采集機(jī)箱如圖9所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集通過(guò)自動(dòng)采集模塊自動(dòng)采集結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)（計(jì)算結(jié)構(gòu)軸力），支撐軸力沒有達(dá)到預(yù)警值時(shí)，每周進(jìn)行一次周報(bào)總結(jié)。采集的云平臺(tái)如圖10所示。

圖9 采集模塊示意圖

圖10 數(shù)據(jù)采集云平臺(tái)

3.4 自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)及趨勢(shì)分析

鑒于篇幅長(zhǎng)度，本例以測(cè)點(diǎn)BM1-1采集時(shí)長(zhǎng)為一天的數(shù)據(jù)，采樣頻率從30min提取出每4hour的數(shù)據(jù)做成表格，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并如表4所示。

以測(cè)點(diǎn)BM1-1為例將一周（7day）的采集數(shù)據(jù)，每30min所采集的海量數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)將數(shù)據(jù)以曲線圖的形式進(jìn)行介紹，如圖11所示。

表4 支撐軸力測(cè)試數(shù)據(jù)表（BM1-1） /4小時(shí)

圖11 支撐軸力測(cè)試時(shí)程曲線（BM1-1）

4 結(jié)語(yǔ)

石家莊市匯明路舊城區(qū)城市綜合管廊安全施工技術(shù)研究，采用了上述的安全保障措施，圓滿的完成了施工任務(wù)。研究中將啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件配合大型通用有限元仿真分析軟件ANSYS全方位的對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖各工況的變形內(nèi)力進(jìn)行數(shù)值分析并計(jì)算基坑開挖各工況下腰梁和內(nèi)撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力得到了有益的理論支撐，將基于物聯(lián)網(wǎng)的最新支撐應(yīng)力智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入到綜合管廊深基坑監(jiān)控中來(lái)，形成了海量測(cè)試數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示支撐結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，對(duì)安全施工進(jìn)行快速判斷，形成了一套安全施工保障措施。