旧城区综合管廊工程支护数值分析与自动化安全控制技术研究

李君君 刘晓庆 万 涛

（石家庄铁路职业技术学院1） 河北石家庄 050041 石家庄铁道大学四方学院2） 河北石家庄 051132）

1 工程概况

汇明路综合管廊建设工程位于石家庄市西南，项目起自槐安路，终至清水街。途径槐安路、南二环、新石北路、育新路、友谊大街、红旗大街、汇宁街、滨河街等13条被交道路。管廊位于规划汇明路下，采用明挖法施工，采用钻孔灌注桩+钢支撑围护结构，现场施工如图1所示。

图1 石家庄汇明路旧城区综合管廊现场施工图

2 数值计算

结合现场施工情况，选择最危险典型断面里程5+862.5处为一Ⅲ-Ⅰ型路段分支口节点，线路左侧开挖边线离一12层居民楼最小距离为9.4 m，钻孔灌注桩桩径为600 mm，纵向间距为1 m。钢支撑采用∅609，t=16钢管，钢支撑纵向间距3.0 m，分析图示如图2所示。

图2 里程5+862.5处结构分析横断面图

2.1 地质情况与计算内容

管廊5+862.5处规划地面高为68.52m，设计沟底高60.633m；开挖坑深为68.52-60.63=8.09 m。根据《综合管廊结构设计地质剖面图》和《岩土工程勘察报告》，5+862.5处土层依次为①杂填土（地表～3.57m）③粉土（2.65～5.40m）⑥细砂（5.40m～9.9m）⑨粉土（9.90m～10.9m）⑩粉质黏土（10.9m～20.9m）如表1所示。

表1 地层土力学参数表

根据国家行业标准《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》，利用启明星深基坑支挡结构设计软件计算基坑围护结构在各开挖工况的变形内力以及地表沉降；采用通用有限元计算软件 ANSYS计算基坑开挖各工况下腰梁和内撑结构的内力。线路左侧12层居民楼引起的按地面超载按强度240 kPa、10 m宽计，施加在地面标高处，距离基坑边9.4 m。基坑安全等级取为二级。

图3 计算模型图

2.2 深基坑支挡结构分析

本项目采用启明星深基坑支挡结构设计软件对支护结构进行数值分析，计算模型如图3所示。

其中围护桩主要信息为：挡墙类型：灌注桩；嵌入深度：5.51 m；混凝土等级：C25；桩径：0.6 m；桩间距：1.0m。

计算时地下水位埋深取30.0m，地面荷载与支锚参数见表2、3所示，计算时考虑冠梁等效支撑刚度7.7MN/m2。

表2 地面荷载

表3 支锚信息

围护结构内外两侧土压力分别施加在围护结构上，共进行了5钟工况的计算分析，分别为开挖3.5m深度，在3m深处加钢支撑，开挖到5m、6.5m、8.09m共计5种。

2.3 围护结构分析结果

根据《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》，围护结构5种工况的位移和内力均形成位移、弯矩和剪力图，鉴于篇幅问题，仅将开挖到3.5m处并在3m处加钢支撑的这一种工况为例，将启明星岩土分析结果展示，如图4所示。

图4 基坑开挖在3m深处加上钢支撑后竖向结构位移及受力曲线图

2.4 支撑及腰梁分析

利用ANSYS通用有限元计算软件计算内撑及腰梁的内力。取管廊基坑纵向21m建立内撑及腰梁结构的有限元模型进行模拟计算。如图5所示，模型中有8根内撑，腰梁为7跨连续梁。为了消除模型边界对内撑和腰梁结构内力计算的影响，取腰梁最中间3跨的内力为腰梁内力，最中间2根横撑的内力为横撑内力。

有限元模型中，腰梁、横撑均采用BEAM44单元模拟，计算过程中上述杆件赋予质量。根据各构件的连接和受力特点，内撑与腰梁间设置为铰接。将启明星软件计算得到的内撑每延米支撑力施加到腰梁单元上。以基坑土体开挖到3.5m深并且在3.0m处安装并试驾预紧力166.67kN/m后的工况为例，将有限元软件 ANSYS仿真分析的结果给予介绍。此时，根据软件分析结果显示，腰梁的弯矩最大值已经达到127.2kN⋅m，弯曲应力值为26.2MPa；钢支撑的轴力为499.2kN，竖向弯矩为86.9kN⋅m，最小应力达到36.9MPa。分析结果如图6、图7所示。

图6 腰梁水平弯矩与腰梁的应力图

图7 钢支撑支撑轴力与最小应力图

3 钢支撑轴力自动化监测

3.1 自动化监测测试布设

选取3根处于危险断面处的钢支撑布设应力测点，测点布设位置应符合圣维南原理避开应力集中的位置，并对称布设以消除附加弯矩的影响，同时考虑到长期室外恶劣的环境因素，温度对测试结果的影响，现场选定在每道支撑的 1/3处对称布置两个应变传感器，共选择 3根钢支撑，6个测点（BM1-1～BM1-6），现场布点如图8所示。

3.2 监测频率及报警

考虑到自动化监测采集仪器的采样频率以及数据处理的方便程度，采集设备理论上可以稳定的达到每5min钟将数据采集一遍，并且考虑到施工的影响，本项目自动化监测采用的是每30min进行一次数据采集。

数据预警设置采用的是三级预警，即数据采集峰值达到理论支撑承载力的 50%的时候进行一级预警，数据采集峰值达到理论支撑承载力的 75%的时候进行二级预警，数据采集峰值达到理论支撑承载力的100%的时候进行三级预警，其中达到一级预警现场应注意施工安全，减少施工荷载等对基坑的扰动。达到二级预警现场应进行严密观察，注意施工安全，随时准备整顿施工现场，数据达到三级预警，现场应立即停工，采取保护措施并找出原因、调整施工方案。

3.3 监测数据采集与云平台

经与施工方确认，将采集主机悬挂于边坡处，采集机箱如图9所示，监测数据采集通过自动采集模块自动采集结构应变数据（计算结构轴力），支撑轴力没有达到预警值时，每周进行一次周报总结。采集的云平台如图10所示。

图9 采集模块示意图

图10 数据采集云平台

3.4 自动化采集数据及趋势分析

鉴于篇幅长度，本例以测点BM1-1采集时长为一天的数据，采样频率从30min提取出每4hour的数据做成表格，对数据进行导出并如表4所示。

以测点BM1-1为例将一周（7day）的采集数据，每30min所采集的海量数据作为分析基础将数据以曲线图的形式进行介绍，如图11所示。

表4 支撑轴力测试数据表（BM1-1） /4小时

图11 支撑轴力测试时程曲线（BM1-1）

4 结语

石家庄市汇明路旧城区城市综合管廊安全施工技术研究，采用了上述的安全保障措施，圆满的完成了施工任务。研究中将启明星深基坑支挡结构设计分析软件配合大型通用有限元仿真分析软件ANSYS全方位的对基坑围护结构在开挖各工况的变形内力进行数值分析并计算基坑开挖各工况下腰梁和内撑结构的内力得到了有益的理论支撑，将基于物联网的最新支撑应力智能监测系统引入到综合管廊深基坑监控中来，形成了海量测试数据，并实时显示支撑结构安全状态，对安全施工进行快速判断，形成了一套安全施工保障措施。