地铁深基坑钢支撑预加轴力消散原因分析

李书银 李世良

(1.中铁城市规划设计研究院有限公司，安徽芜湖 241000;2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

1 概述

对基坑工程而言，深基坑支护结构位移与内力监测是确保基坑施工安全的重要措施，也是进行信息化设计与施工的前提。支撑轴力监测是基坑监测的重要内容，是验证基坑设计合理性，保证安全施工的重要依据[1]。在采用钢支撑支护的基坑中，钢支撑较普通钢筋混凝土支撑连接形式简单，受力明确，其轴力变化能够反映出基坑土压力的变化[2-4]。因此，在地铁基坑监测中，需要及时关注支撑轴力的变化情况。实际工作中，通常会出现钢支撑预加轴力不足以及轴力消散过快等情况。结合昆明地铁4号线某监测标段现场情况，分析轴力消散的主要原因，并给出相应的处理措施。

2 钢支撑预加轴力的作用

钢支撑施加预加轴力的作用机理是利用钢材轻质、高强、具弹塑性等材料特性，预先给钢支撑施加一定轴力来抵抗基坑侧向土压力，从而达到控制基坑变形的作用。给钢支撑施加预加轴力对围护结构有三个重要作用[5-7]：①钢支撑通过钢围檩进行应力传递，使其内支撑体系与围护结构密贴，有效减少支护结构位移，确保周边环境安全可控；②减少土方开挖时在土体内积聚的剪应力；③消除钢支撑、围檩与支护结构之间的施工缝隙，使内支撑提前主动进入合理的受力状态。

从对钢支撑施加预加轴力的作用机理可以看出，只有给钢支撑施加合理的预加轴力值才能起到良好的支护效果。

3 钢支撑预加轴力消散

以昆明地铁4号线某监测标段范围内各站点中较为典型的支撑轴力监测数据为例。图1为2016年12月到2017年4月间，陈家营站标准段第一道钢支撑的轴力监测数据变化曲线，该阶段开挖面附近预加轴力保持在设计要求的43%～77%之间；图2为2017年2月到2017年3月间，大河埂站标准段第一道钢支撑的轴力监测数据变化曲线，该阶段开挖面附近预加轴力保持在设计要求的66%～78%之间；图3、图4、图5分别为2017年2月到2017年3月间，大塘子站扩大段及标准段钢支撑轴力监测数据变化曲线，该阶段开挖面附近的预加轴力为：①扩大段保持在设计要求的5%～69%之间，其中30%以内居多；②该站标准段保持在设计要求的22%～56%之间，其中40%内的居多。

图1 陈家营站轴力监测情况

图2 大河埂站轴力监测情况

图3 大塘子站小里程扩大段轴力监测情况

图4 大塘子站大里程扩大段轴力监测情况

图5 大塘子站标准段轴力监测情况

图6 ZCL2-25(DK3+610)轴力变化速率

图7 ZCL3-25(DK3+610)轴力变化速率

图1～图5直观给出了各处钢支撑每天的实测轴力值及其波动趋势。从中不难发现，所列举的钢支撑预加轴力均存在消散过快的现象。这一点在图6、图7分别对应的大塘子站标准段ZCL2-25(DK3+610)及ZCL3-25(DK3+610)轴力变化速率中均有所反映。在监测过程中，这两组钢支撑轴力变化速率均存在着明显的波动。

4 轴力消散原因分析

4.1 地连墙成槽质量较差

在进行地下连续墙成槽及水下混凝土浇筑过程中，因质量管控不力，导致地连墙背土面出现鼓包、凹凸不平等质量问题，加之土方开挖过程中缺陷处理不到位，导致钢围檩架设后无法与地连墙面达到密贴状态(如图8所示)。若处理不当，则会出现钢围檩与地连墙之间缝隙过大，成为钢支撑预加轴力消散的主要源头。

图8 地连墙表面不平整

4.2 支撑体系安装架设质量不达标

(1)钢围檩架不规范：如图9所示，架设后对其背后空隙未作处理，或在处理不当的情况下施加预加轴力。

图9 地连墙表面与钢围檩背后缝隙过大

(2)钢支撑本身存在质量问题：钢支撑经多次转场重复使用，端部或已出现变形等。规范的做法是：在进行地面组装时，检查好支撑体的平直度和完好性，变形或破损的一律不能使用。

(3)点受力较为突出：在施工过程中出现加塞钢楔子的情况(如图10所示)；以及钢围檩经多次转场未经排查，将已变形钢围檩投入使用(如图11所示)；以上两种情况均可产生点受力。规范的做法是：在钢围檩背后适量加塞钢板，不仅可以改善结构面受力，而且可增强背后填充物的强度，能在一定程度上解决预加轴力消散的情况。

图10 加塞钢楔子

图11 钢围檩变形

(4)缝隙填料质量不达标：钢支撑一般要求在土方开挖后8 h内架设完成，其中包含钢支撑拼装、吊装、围檩架设及地连墙表面处理等工序，而填料为水泥砂浆或“水泥+部分细骨料”，在短时间内很难形成理想强度，建议在填料中根据需要加入适量早强剂或提高填料的强度等级。

(5)钢支撑偏心受力：架设时存在偏心现象，建议采取置换或调整垫板等方式改善其受力效果。

(6)预加轴力未分级施加：预加轴力未严格按照设计要求逐级施加，存在一次性加力过大，导致钢支撑连接法兰盘错位、钢围檩或附加钢板被顶变形现象(如图12所示)。在千斤顶卸载后，导致施加轴力消散。

图12 钢板变形

(7)忽视液压表设备现场校核检验：液压表显示压力读数与实测值不符，导致施加轴力偏大或偏小。应定期校核液压表及相关设备装置。

(8)钢围檩纵向搭接不牢靠或未进行有效连接：在纵向搭接不牢靠或纵向未进行有效搭接的情况下加力，导致钢围檩左右跑偏及错位。

(9)稳压后未对活络端钢楔子持力情况进行检查：在预加轴力后、千斤顶泄压前，未及时排查钢楔子是否嵌入牢靠。

4.3 温差影响与温差控制

昆明地区早晚温差较大，因温差引起的混凝土围护结构变形、周边土体变形等均非常小，而由之引起的钢支撑轴力变化则较为明显，将“温差影响”变为“温差控制”，才能保证基坑安全。结合近几年地铁施工监测中的经验，给出两点建议：一是尽量避免每日气温最高或最低时施加轴力。二是建议监测单位在温度相对恒定的情况下进行轴力监测。

4.4 试验分析

为验证以上所述观点的合理性，在昆明地铁3号、4号线某换乘通道基坑变形监测过程中，选取基坑第一道钢支撑ZCL-1F01-03、ZCL-1F01-05作为试验点。从钢支撑架设开始，于每天上午9：00进行连续监测，对应监测结果如图13、图14所示。

图13 ZCL-1F01-03轴力变化情况

图14 ZCL-1F01-05轴力变化情况

由图13、图14可以看出，在钢支撑架设初期，两个监测点均出现了明显的轴力消散现象，尤其以ZCL-1F01-03钢支撑最为显著。主要原因在于：ZCL-1F01-03钢支撑处于基坑中部，受力较大，且两端均采用钢围檩与基坑侧壁连接，在开挖初期基坑侧壁凹凸不平，钢围檩与侧壁贴合不密实，存在受力不均匀的现象。在听取专家意见后，及时采取在缝隙处垫加钢板等措施，同时在基坑开挖过程中及时对侧壁进行喷浆整平，在第二层钢支撑架设完毕，经二次加力后，钢支撑轴力监测值趋于稳定。而ZCL-1F01-05钢支撑是位于基坑端头的斜撑，在汲取之前经验的基础上，放弃钢围檩连接方式，进而采用现浇混凝土与基坑侧壁刚性连接的方式。从图14对应的监测结果可以看出，该支撑受力变化基本稳定，考虑到每天的温度变化，所出现的波动可忽略不计。

5 结论

针对昆明地铁4号线某监测标段范围内部分钢支撑预加轴力不足及轴力消散过快的问题。从地连墙成槽质量、钢支撑体系架设以及温度观测等方面进行了详细阐述和分析，可获得如下结论：

(1)在成槽过程中，要保证地连墙面的平整性，使钢围檩与地连墙之间达到最佳密贴状态，可有效避免钢支撑预加轴力消散过快。

(2)为有效避免钢支撑预加轴力消散过快，在支撑体系架设过程中，钢围檩架的安装需符合规范要求，避免钢围檩纵向搭接不牢靠或未进行有效连接；在确保钢支撑本身质量的同时，避免支撑发生点受力，保证钢支撑轴向受力；在预加轴力时，严格按照设计要求分级施加。

(3)温度对钢支撑轴力影响较大，应避免在每日气温最高或最低时施加轴力，同时应在温度相对恒定的情况下进行轴力监测。