基坑開挖階段支撐軸力時空效應分析

沙建新 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設指揮部

基坑開挖階段支撐軸力時空效應分析

沙建新 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設指揮部

以某基坑工程為研究背景，對基坑開挖階段支撐結構的現場監測數據進行歸納分析，重點討論基坑不同施工過程和空間位置對支撐軸力分布的影響。并發現：各道支撐軸力會因施工進程和所處位置的不同而發生變化；在開挖階段，支撐的安裝對其相鄰支撐影響較大，對其他支撐的影響較小。

基坑監測；開挖階段；支撐軸力

基坑開挖是一項十分復雜的巖土工程。在開挖過程中，隨著土體卸載會引起圍護結構在兩側土層壓力差的作用下發生水平位移和圍護結構外側土體移動，故設置支撐來抵消圍護結構內外的壓力差，以減小施工影響和事故的發生。因此，在基坑施工中，其軸力的監測數據對基坑受力情況和施工安排有著重要的指導作用，也是判斷基坑安全的重要參數。然而，基坑往往處于地質結構和力學性質相當復雜的地層中。同時地下工程的不確定性和設計理論中的簡化和假定等的局限性使支撐軸力在設計和實際工程中的受力情況出現差異，很容易造成資源的浪費（設計軸力大于實際軸力值），或導致事故的發生（設計軸力小于實際軸力值）。為此支撐軸力的有效監測和預警也對整個工程實施具有極其重要的意義。本文以某基坑開挖工程現場支撐軸力監測數據為例，對開挖階段各種工況下各支撐軸力的變化情況進行分析和討論。

1 工程概況

1.1 基坑主體結構概況

該工程位于市中心，四周分別相鄰交通干道，城市軌道交通樞紐，辦公樓，地下管線錯綜復雜?；幽媳狈较蜷L84 m，東西方向寬75.5 m，基坑深約18.0 m，采用1.0 m厚地下連續墻圍護結構，支撐采用鋼筋混凝土水平桁架撐，坑底部采用水泥攪拌樁抽條加固。地面設計標高3.7 m（吳淞高程）。

1.2 工程地質條件

根據擬建場地工程地質勘察報告，特性如下：所揭露50.30 m深度范圍內的地基土屬第四紀上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由飽和粘性土、粉性土和砂土組成，具水平層理；有第⑥層暗綠色粘性土硬土層，地層分布穩定；成因為濱?！涌?，濕度為濕或飽和，狀態為可塑、軟塑與流塑，壓縮性為中、高等，密實度為松散或中等。共可劃分成7個主要層次（第①、②、④、⑤、⑥、⑦、⑧層）。其中，第②層可分為2個亞層（第②1層、第②3層），第⑦層可分為2個亞層（第⑦1層、第⑦2層）。

1.3 基坑支護結構

本基坑圍護體系采用厚為1 m，標準幅每幅6 m的地下連續墻；加四道混凝土水平桁架內支撐方案。其中首道支撐為十字對稱桁架，考慮作為施工棧橋。地連墻相鄰槽段外側采用兩根相互咬合的Φ700@500旋噴樁止水帷幕止水?；禹敳糠牌露葹?:1的坡度，坡高為0.9 m?？拥撞坎捎盟鄶嚢铇冻闂l加固。

2 支撐軸力監測

2.1 軸力監測點布置

根據相關規范及設計圖紙，在各道混凝土支撐上分別布設8個支撐軸力監測點。支撐測點點位代碼：ZL1-01～ZL4-08。布置如圖1所示。

圖1 基坑支撐軸力測點平面布置圖

2.2 支撐軸力現場測量方法

支撐受到外力作用后產生微應變。其應變量通過振弦式頻率計來測定，根據鋼筋計頻率及一些所需的矢量來推算出混凝土支撐所受的力。即采用應力計的量測方法。并通過對現場數據進行處理。

3 支撐軸力分析

3.1 同一監測平面支撐軸力分析

在基坑開挖階段，通過對各道支撐的軸力變化曲線如圖2所示，可知：

（1）從開挖開始，隨著開挖深度的不斷增加，在各道支撐安裝后，其支撐軸力都在短期內發生較快增長，主要是迎土側主動土壓力增大，導致圍護在水平方向有向坑內部發生位移的趨勢，而各道支撐阻止這種位移趨勢，因此其軸力不斷增加，且在增大過程中呈波動狀態，最終經內力重分布后趨于穩定。

（2）在開挖階段，首道支撐中，ZL1-02和ZL1-04的軸力較大。第三道支撐施加（即工況7）時，ZL1-02達到其峰值4387 kN，此后其軸力值顯著降低。因隨開挖增加的基坑土壓力主要由三道支撐共同承擔，而第二道支撐軸力值變小，減小的土壓力值由首、三道支撐共同承擔。ZL1-04達到其峰值4 499 kN為澆筑底板（工況11）以后，且各道支撐波動但趨于平衡狀態時。

圖2 第一道支撐軸力變化曲線圖

（3）在開挖階段，第二道支撐中ZL2-02和ZL2-08的軸力較大，其峰值分別為3 601 kN和3 805 kN。ZL2-02達到其峰值時為工況7之前，其值一直處于波動上升階段，第三道支撐施加后，其軸力值逐漸降低，最終趨于穩定。ZL2-08達到其峰值為工況11以后；第三道支撐中ZL3-03、ZL3-04和ZL3-08的軸力較大，其峰值分別為4 459 kN、4 284 kN和4649 kN，達到峰值時均為工況11以后，支撐軸力趨于平衡階段；第四道支撐自安裝以后，各斷面軸力普遍增大，其中ZL4-02和ZL4-04的軸力較大，其峰值分別為2 836 kN和2636 kN，均為工況11后達到其峰值。

（4）各支撐中軸力較大的斷面主要在Z2、Z4、和Z8斷面，這表明基坑的支撐結構中，直撐相對于角撐的支護作用較為突出，會分擔大部分基坑的土壓力。但直撐位置ZL6斷面軸力較其他位置軸力要低，表明支撐軸力的大小不僅與斷面空間位置有關，還與施工的周邊環境、工序和進程安排等因素有很大關系，為此不能單從支撐的空間位置對其軸力情況進行簡單判斷。

（5）由于總體上首道支撐會承擔大部分基坑兩側的荷載，且其所承受的荷載值和自身設計剛度的高低對基坑工程的安全影響較大。因此，有必要對標準段首道支撐的軸力進行進一步歸納分析（表1）。從表可知，各支撐最大軸力均在設計值以內，其中ZL1-01、ZL1-03和ZL1-06軸力值不足設計值得一半，各支撐軸力峰值達到支撐軸力平均達到其控制值的59.83%，因此，可對各混凝土支撐設計進行優化。

表1 基坑第一道混凝土支撐各監測斷面軸力匯總

3.2 同一監測斷面支撐軸力分析

支撐軸力的大小及變化趨勢與基坑土方開挖的具體過程有很大關系。在同一監測斷面上，由于各支撐所處空間位置的不同，相同監測斷面上各道支撐的軸力分布也有所不同。

（1）在開挖階段，各監測斷面支撐軸力總體隨開挖深度增加而增大。在工況5條件以前，首道軸力增加較快，雖監測數據存在波動，但總體其軸力值逐漸增大。在工況5以后，第二道支撐自安裝開始其軸力在短期內迅速升高，首道支撐與其共同承擔兩側的土壓力；至工況7時，首道支撐軸力值仍逐漸增大，第二道支撐軸力值有明顯降低，此后其值不斷增大，第三道支撐的軸力顯著增大；至架設第四道支撐（工況9）時，首、二道支撐軸力變化較小，而第三道支撐軸力明顯降低，此后逐漸增大；至工況11，即澆筑底板時，各道支撐軸力逐漸穩定，趨于穩定值。以ZL-04各道支撐的軸力變化曲線為例如圖3，在工況5時間附近，ZL1-04軸力值由2 326 kN降低到1986 kN；在工況7附近，ZL2-04軸力值由3 243 kN降低到2005 kN，此時ZL1-04軸力值仍繼續增大；在工況9附近，ZL3-04軸力值由4085kN降低到3 764 kN，此時ZL1-04和ZL2-04軸力值變化較小。

圖3 ZL4監測斷面軸力變化曲線圖

（2）從施工進程來分析，各道支撐軸力的變化趨勢都是先逐漸增加，在其相鄰位置架設新的支撐時，其值會發生波動，并會顯著降低，這是由于新的支撐會承擔一部分基坑兩側的土壓力，而影響其相鄰支撐的軸力變化，但對其他支撐的軸力變化影響較小。之后隨著開挖深度的增加，支撐軸力會逐漸增大，至基坑開挖完畢，各支撐完成內力重新分布后逐漸趨于穩定。并在工況11以后，各道軸力趨于穩定時，但其軸力分布有所差別，通過統計分析發現斷面開挖結束后ZL1、ZL2、ZL4、ZL5和ZL7首、第四道支撐的軸力較大；ZL6和ZL8第二、第三道支撐的軸力較大；而ZL03第二、三、四道支撐軸力較大，首道支撐軸力最小。因此，在對軸力監測數據進行分析時，應綜合考慮開挖現場情況、進度等因素。同理在支撐拆除時，應根據支撐的空間位置和實際軸力監測數據進行分析，以免基坑因支撐缺失而發生事故。

4 結論

（1）在各道支撐筑建初期，支撐內的軸力一般都較小，隨著開挖深度的增加，各道支撐的軸力一般會逐漸增大，至澆筑底板以后，逐漸趨于穩定。

（2）在基坑開挖過程中，構筑同一豎向位置支撐時一般使其相鄰支撐軸力降低，而對其他支撐的軸力影響較小。此時應加強對新增支撐相鄰支撐的軸力和變形的監測，以防對其相鄰支撐及基坑的整體穩定帶來不利影響。

（3）在基坑開挖初期，斜撐會因基坑結構的應力集中，其軸力值變化速率較快，因此應注意監測數據的變化，并判斷是否達到其控制值，必要時采取措施保證安全。

（4）在實際監測過程中，不應只以單個支撐軸力的平均累計值作為報警依據，應關注實際工況及其相鄰支撐的應力情況，結合圍護結構的其他監測數據對支撐軸力進行分析。

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責任編輯：宋飛 張建強

來稿時間：2015-12-01