基坑开挖阶段支撑轴力时空效应分析

沙建新 上海铁路局上海铁路枢纽工程建设指挥部

基坑开挖阶段支撑轴力时空效应分析

沙建新 上海铁路局上海铁路枢纽工程建设指挥部

以某基坑工程为研究背景，对基坑开挖阶段支撑结构的现场监测数据进行归纳分析，重点讨论基坑不同施工过程和空间位置对支撑轴力分布的影响。并发现：各道支撑轴力会因施工进程和所处位置的不同而发生变化；在开挖阶段，支撑的安装对其相邻支撑影响较大，对其他支撑的影响较小。

基坑监测；开挖阶段；支撑轴力

基坑开挖是一项十分复杂的岩土工程。在开挖过程中，随着土体卸载会引起围护结构在两侧土层压力差的作用下发生水平位移和围护结构外侧土体移动，故设置支撑来抵消围护结构内外的压力差，以减小施工影响和事故的发生。因此，在基坑施工中，其轴力的监测数据对基坑受力情况和施工安排有着重要的指导作用，也是判断基坑安全的重要参数。然而，基坑往往处于地质结构和力学性质相当复杂的地层中。同时地下工程的不确定性和设计理论中的简化和假定等的局限性使支撑轴力在设计和实际工程中的受力情况出现差异，很容易造成资源的浪费（设计轴力大于实际轴力值），或导致事故的发生（设计轴力小于实际轴力值）。为此支撑轴力的有效监测和预警也对整个工程实施具有极其重要的意义。本文以某基坑开挖工程现场支撑轴力监测数据为例，对开挖阶段各种工况下各支撑轴力的变化情况进行分析和讨论。

1 工程概况

1.1 基坑主体结构概况

该工程位于市中心，四周分别相邻交通干道，城市轨道交通枢纽，办公楼，地下管线错综复杂。基坑南北方向长84 m，东西方向宽75.5 m，基坑深约18.0 m，采用1.0 m厚地下连续墙围护结构，支撑采用钢筋混凝土水平桁架撑，坑底部采用水泥搅拌桩抽条加固。地面设计标高3.7 m（吴淞高程）。

1.2 工程地质条件

根据拟建场地工程地质勘察报告，特性如下：所揭露50.30 m深度范围内的地基土属第四纪上更新世Q3至全新世Q4沉积物，主要由饱和粘性土、粉性土和砂土组成，具水平层理；有第⑥层暗绿色粘性土硬土层，地层分布稳定；成因为滨海～河口，湿度为湿或饱和，状态为可塑、软塑与流塑，压缩性为中、高等，密实度为松散或中等。共可划分成7个主要层次（第①、②、④、⑤、⑥、⑦、⑧层）。其中，第②层可分为2个亚层（第②1层、第②3层），第⑦层可分为2个亚层（第⑦1层、第⑦2层）。

1.3 基坑支护结构

本基坑围护体系采用厚为1 m，标准幅每幅6 m的地下连续墙；加四道混凝土水平桁架内支撑方案。其中首道支撑为十字对称桁架，考虑作为施工栈桥。地连墙相邻槽段外侧采用两根相互咬合的Φ700@500旋喷桩止水帷幕止水。基坑顶部放坡度为1:1的坡度，坡高为0.9 m。坑底部采用水泥搅拌桩抽条加固。

2 支撑轴力监测

2.1 轴力监测点布置

根据相关规范及设计图纸，在各道混凝土支撑上分别布设8个支撑轴力监测点。支撑测点点位代码：ZL1-01～ZL4-08。布置如图1所示。

图1 基坑支撑轴力测点平面布置图

2.2 支撑轴力现场测量方法

支撑受到外力作用后产生微应变。其应变量通过振弦式频率计来测定，根据钢筋计频率及一些所需的矢量来推算出混凝土支撑所受的力。即采用应力计的量测方法。并通过对现场数据进行处理。

3 支撑轴力分析

3.1 同一监测平面支撑轴力分析

在基坑开挖阶段，通过对各道支撑的轴力变化曲线如图2所示，可知：

（1）从开挖开始，随着开挖深度的不断增加，在各道支撑安装后，其支撑轴力都在短期内发生较快增长，主要是迎土侧主动土压力增大，导致围护在水平方向有向坑内部发生位移的趋势，而各道支撑阻止这种位移趋势，因此其轴力不断增加，且在增大过程中呈波动状态，最终经内力重分布后趋于稳定。

（2）在开挖阶段，首道支撑中，ZL1-02和ZL1-04的轴力较大。第三道支撑施加（即工况7）时，ZL1-02达到其峰值4387 kN，此后其轴力值显著降低。因随开挖增加的基坑土压力主要由三道支撑共同承担，而第二道支撑轴力值变小，减小的土压力值由首、三道支撑共同承担。ZL1-04达到其峰值4 499 kN为浇筑底板（工况11）以后，且各道支撑波动但趋于平衡状态时。

图2 第一道支撑轴力变化曲线图

（3）在开挖阶段，第二道支撑中ZL2-02和ZL2-08的轴力较大，其峰值分别为3 601 kN和3 805 kN。ZL2-02达到其峰值时为工况7之前，其值一直处于波动上升阶段，第三道支撑施加后，其轴力值逐渐降低，最终趋于稳定。ZL2-08达到其峰值为工况11以后；第三道支撑中ZL3-03、ZL3-04和ZL3-08的轴力较大，其峰值分别为4 459 kN、4 284 kN和4649 kN，达到峰值时均为工况11以后，支撑轴力趋于平衡阶段；第四道支撑自安装以后，各断面轴力普遍增大，其中ZL4-02和ZL4-04的轴力较大，其峰值分别为2 836 kN和2636 kN，均为工况11后达到其峰值。

（4）各支撑中轴力较大的断面主要在Z2、Z4、和Z8断面，这表明基坑的支撑结构中，直撑相对于角撑的支护作用较为突出，会分担大部分基坑的土压力。但直撑位置ZL6断面轴力较其他位置轴力要低，表明支撑轴力的大小不仅与断面空间位置有关，还与施工的周边环境、工序和进程安排等因素有很大关系，为此不能单从支撑的空间位置对其轴力情况进行简单判断。

（5）由于总体上首道支撑会承担大部分基坑两侧的荷载，且其所承受的荷载值和自身设计刚度的高低对基坑工程的安全影响较大。因此，有必要对标准段首道支撑的轴力进行进一步归纳分析（表1）。从表可知，各支撑最大轴力均在设计值以内，其中ZL1-01、ZL1-03和ZL1-06轴力值不足设计值得一半，各支撑轴力峰值达到支撑轴力平均达到其控制值的59.83%，因此，可对各混凝土支撑设计进行优化。

表1 基坑第一道混凝土支撑各监测断面轴力汇总

3.2 同一监测断面支撑轴力分析

支撑轴力的大小及变化趋势与基坑土方开挖的具体过程有很大关系。在同一监测断面上，由于各支撑所处空间位置的不同，相同监测断面上各道支撑的轴力分布也有所不同。

（1）在开挖阶段，各监测断面支撑轴力总体随开挖深度增加而增大。在工况5条件以前，首道轴力增加较快，虽监测数据存在波动，但总体其轴力值逐渐增大。在工况5以后，第二道支撑自安装开始其轴力在短期内迅速升高，首道支撑与其共同承担两侧的土压力；至工况7时，首道支撑轴力值仍逐渐增大，第二道支撑轴力值有明显降低，此后其值不断增大，第三道支撑的轴力显著增大；至架设第四道支撑（工况9）时，首、二道支撑轴力变化较小，而第三道支撑轴力明显降低，此后逐渐增大；至工况11，即浇筑底板时，各道支撑轴力逐渐稳定，趋于稳定值。以ZL-04各道支撑的轴力变化曲线为例如图3，在工况5时间附近，ZL1-04轴力值由2 326 kN降低到1986 kN；在工况7附近，ZL2-04轴力值由3 243 kN降低到2005 kN，此时ZL1-04轴力值仍继续增大；在工况9附近，ZL3-04轴力值由4085kN降低到3 764 kN，此时ZL1-04和ZL2-04轴力值变化较小。

图3 ZL4监测断面轴力变化曲线图

（2）从施工进程来分析，各道支撑轴力的变化趋势都是先逐渐增加，在其相邻位置架设新的支撑时，其值会发生波动，并会显著降低，这是由于新的支撑会承担一部分基坑两侧的土压力，而影响其相邻支撑的轴力变化，但对其他支撑的轴力变化影响较小。之后随着开挖深度的增加，支撑轴力会逐渐增大，至基坑开挖完毕，各支撑完成内力重新分布后逐渐趋于稳定。并在工况11以后，各道轴力趋于稳定时，但其轴力分布有所差别，通过统计分析发现断面开挖结束后ZL1、ZL2、ZL4、ZL5和ZL7首、第四道支撑的轴力较大；ZL6和ZL8第二、第三道支撑的轴力较大；而ZL03第二、三、四道支撑轴力较大，首道支撑轴力最小。因此，在对轴力监测数据进行分析时，应综合考虑开挖现场情况、进度等因素。同理在支撑拆除时，应根据支撑的空间位置和实际轴力监测数据进行分析，以免基坑因支撑缺失而发生事故。

4 结论

（1）在各道支撑筑建初期，支撑内的轴力一般都较小，随着开挖深度的增加，各道支撑的轴力一般会逐渐增大，至浇筑底板以后，逐渐趋于稳定。

（2）在基坑开挖过程中，构筑同一竖向位置支撑时一般使其相邻支撑轴力降低，而对其他支撑的轴力影响较小。此时应加强对新增支撑相邻支撑的轴力和变形的监测，以防对其相邻支撑及基坑的整体稳定带来不利影响。

（3）在基坑开挖初期，斜撑会因基坑结构的应力集中，其轴力值变化速率较快，因此应注意监测数据的变化，并判断是否达到其控制值，必要时采取措施保证安全。

（4）在实际监测过程中，不应只以单个支撑轴力的平均累计值作为报警依据，应关注实际工况及其相邻支撑的应力情况，结合围护结构的其他监测数据对支撑轴力进行分析。

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责任编辑：宋飞 张建强

来稿时间：2015-12-01