温度作用下深基坑钢支撑自伺服系统轴力研究

赵良云，卜铭，徐茂虎，杜潇，曾国良

(1.杭州地铁集团，浙江 杭州 310028；2.中铁二局第六工程有限公司；3.湖南联智科技股份有限公司)

随着城市基坑工程的规模不断增大，基坑的支撑体系也逐渐由传统的混凝土支撑向钢支撑转化，近来年机械自动化以及信息化技术的发展，使得钢支撑自伺服体系也快速发展，并逐渐在工程中得到运用，以此达到严格控制基坑变形的需求。

姜忻良等通过对基坑支护结构内力与基坑位移的观测以及数值模拟，提出开挖面处的土体及围护桩产生的位移最大，施工中应尽量避免无支撑的情况出现；王继槐通过对管廊深基坑进行模拟和监测，发现普通钢支撑轴力随开挖深度的变化规律；崔维久等通过对特殊工况下地铁基坑的负载响应研究，发现“超挖、加撑滞后”会造成第1道撑的轴力远大于设计值，第3道撑的轴力远小于设计值，施工中应避免违规施工，同时通过安装预应力补加装置，可预防因支撑轴力过小而发生事故；郭利娜等通过对基坑的数值模拟，得到了施工过程中钢支撑轴力变化规律；熊栋栋通过现场监测与数值分析，解释了钢支撑轴力设计值普遍比实测值偏大的原因，同时提出在钢支撑固定端钢管内灌浆能有效减小固定端的塑性变形；孙九春等通过对钢支撑伺服系统的设置方式进行研究，发现不同的钢支撑伺服系统的布置方式产生的控制效果差异较大，因此需要对伺服系统的设置方式进行合理性研究。

该文以杭州某基坑开挖为工程背景，研究钢支撑自伺服系统对深基坑开挖过程中位移的影响，以及各支撑轴力的变化规律。另外，研究在不同温度作用下，钢支撑轴力变化规律，提出相应的温度修正系数，从而确保钢支撑自伺服系统轴力与位移的监测精度。

1 钢支撑自伺服系统工作原理

钢支撑自伺服系统主要由监控站、操作站、现场控制站、液压伺服泵站系统等组成，同时利用现代机电液一体化自动控制技术、计算机信息处理技术以及可视化监控系统等高新技术手段，实现了对钢支撑轴力的实时监测和控制，解决常规施工方法无法控制的苛刻变形要求和技术难题，使工程始终处于可控可知状态，具有良好的社会效益、经济效益和环境保护效益。

钢支撑自伺服系统轴力可保持某一特定值，当轴力低于设定值时，自动启动油泵补压至设定值，当轴力高于最大设定值时，控制台自动报警，通知技术人员进行保压或减压操作。

2 工程实例

基坑位于采用排桩加内支撑的支护方式，通惠路站地铁基坑设计⑦～轴之间，基坑共设5道内支撑，第1道和第3道支撑为混凝土支撑，第2道、第4道及第5道为钢支撑，每层钢支撑为11根，共33根。其中第2道采用直径φ609 mm的钢支撑，第4道以及第5道采用直径φ800 mm的钢支撑。另外，在第2层钢支撑的4#～8#支撑上采用自伺服系统，轴力目标值设定为2 000 kN。具体如图1所示。

图1 第2道钢支撑布置图

3 模型建立

3.1 基本假定

为方便计算，假定整个基坑及周围土体均质成层分布，并采用摩尔-库仑本构模型进行计算，同时忽略地下水的影响。

根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》相关规定，深基坑开挖影响范围约为基坑开挖深度的3倍。根据实际工程背景基坑最大开挖深度为16.5 m，有限元模型尺寸为108 m×72 m×45 m。基坑开挖尺寸为36 m×24 m×16.5 m。

利用Midas GTS NX建立该项目有限元模型，为保证有限元模型较快收敛，将围护桩转化为等刚度的地下连续墙结构。项目钻孔桩直径为1 m，间距为0.2 m，根据转换式(1)、(2)计算得到等效的地下连续墙厚度为0.79 m。模型中取0.8 m。

(1)

(2)

利用Midas GTS NX自动边界功能，完成整个基坑模型的边界条件设置，具体表现为固定侧面水平方向位移，同时，底面水平位移和垂直方向位移均固定，基坑顶面保持为自由边界。

3.2 参数选取

(1)土层参数

据现场提供的地质勘察报告可知，基坑开挖区各类地层的物理力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

(2)内支撑参数

该项目内支撑包含混凝土支撑和钢支撑，具体参数如表2所示。

表2 各内支撑物理力学参数

3.3 开挖工况

根据实际情况建立基坑开挖工况，具体见表3。

表3 开挖工况

4 结果分析

4.1 理论与实测值对比

利用钢支撑自伺服系统对第2道内支撑中4#～8#钢支撑进行轴力和位移监测，确保钢支撑轴力与基坑位移满足规范要求。另外，可根据监测数据，及时调整开挖速度及位置，防止因开挖过大，基坑产生较大的位移，甚至破坏。为模拟钢支撑自伺服系统，在模型计算中，对相应钢支撑预加2 000 kN轴力，由于在施工过程中轴力未出现报警情况，因此未启动自动补偿功能。具体计算结果如图2～4所示。

图2 实测轴力与理论轴力对比图

图3 实测位移与理论位移对比图

图4 首层混凝土撑理论轴力图

由图2、3可知：实测值与理论计算值变化规律一致，并且数据吻合较好，说明三维基坑模型能较好地反映实际情况。另外，第2道钢支撑轴力与位移随基坑开挖深度的增大而增大,在开挖完成后，内支撑轴力与位移略有减小，这是由于基坑开挖完成后，各道支撑完成内力重分布，基坑整体趋于稳定。在开挖到第5层时，第2道支撑轴力与位移达到最大，其中轴力最大值为1 855 kN，位移最大值约为15.9 mm。

鉴于第2道撑的实测和理论轴力均低于预加轴力，对首道混凝土撑的轴力进行了分析。由图4可知：混凝土撑随基坑开挖，轴力逐渐减小，出现了拉应力，表明基坑第2～5层支撑对地连墙结构具有良好的减跨作用。

4.2 地下连续墙位移

地下连续墙水平位移能较好地反映整个基坑的位移情况，因此利用三维模型对基坑地下连续墙的位移进行模拟分析，研究钢支撑自伺服系统对地下连续墙的位移影响。选取地下连续墙3个断面进行分析，左侧断面距基坑左侧8 m，右侧断面距基坑右侧8 m，中间断面为地下连续墙中心处。详细计算结果见图5。

由图5可知：随基坑开挖深度的增大，地下连续墙的各点位移先减小后增大，3个断面的变化规律一致，基坑最大位移出现在基坑底部，且中间断面位移略大于两侧，最大位移约为2.5 cm。另外，由于第2道钢支撑采用自伺服系统，轴力始终保持稳定，因此基坑在第2道支撑处的位移最小，约为4 mm。钢支撑自伺服系统控制位移的效果明显。

4.3 温度影响下轴力变化

为提出钢支撑在不同温度荷载作用下的修正值，利用Midas模型研究分析温度升高10、15以及20 ℃3种情况下的轴力变化，详细结果如表4所示。同时考虑到该项目的工期以及当地气候，重点分析升温20 ℃时，各支撑轴力与位移的变化情况。计算结果见图6、7。

由图6、7可知：温度升高时，钢支撑在整个过程中的轴力与位移变化规律不变，但支撑轴力明显增大，位移有所减小，主要是由于温度升高，钢支撑向两侧膨胀，导致基坑位移减小，同时由于腰梁对钢支撑的约束，膨胀无法完全释放，导致钢支撑轴力明显增大。同时，由表4可知：在温度荷载下，钢支撑轴力成线性增加，即温度每升高1 ℃轴力增加约19.5 kN。

(a)中间断面

表4 不同温度下轴力变化情况

5 结论

通过对杭州某基坑钢支撑轴力监测与有限元模拟，分析了基坑开挖过程中钢支撑轴力与位移的变化规律，得到以下结论:

图6 升温前后轴力变化图

图7 升温前后位移变化图

(1)第2道钢支撑轴力与位移随着开挖深度的增加而增加，这是由于随基坑开挖深度的增加，两侧主动土压力增大，地下连续墙向内测移动的位移增大，从而使各道支撑的轴力与位移增大。随基坑开挖完成，基坑周围土体完成内力重分布，因此第2道钢支撑轴力略有减小。

(2)地下连续墙的水平位移随基坑开挖深度的增加，最大位移出现在基坑底部。由于第2道钢支撑采用自伺服系统，轴力始终稳定在设定值，基坑在此处的水平位移最小。说明钢支撑自伺服系统对控制基坑变形的效果明显。

(3)在温度作用的影响下，钢支撑受热膨胀，导致轴力增加，基坑内侧位移减小，通过计算分析发现，在升温10、15以及20 ℃下，轴力分别增加195、290以及390 kN，即温度升高1 ℃钢支撑轴力增加约19.5 kN，在钢支撑自伺服系统中，可设置相应的温度修正值。