地铁深基坑预应力钢支撑施工技术及其内力影响因素

地铁深基坑预应力钢支撑施工技术及其内力影响因素分析摘要：本文模拟了地铁五号线xxx站深基坑开挖过程，并与实测桩水平位移和钢支撑轴力进行比较，重点讨论影响钢支撑轴力的因素，所得出的结论为此类基坑支护结构设计和施工提供了理论依据和实践参考。关键词：深基坑；钢支撑；预施轴力TheConstructionTechnologyofthePrestressedSteelSupportStructureoftheDipFoundationPitofSubwayStationofLine5andAnalysisoftheInfluenceFactorsoftheInnerForceAbstract:Inthispaper,theexcavationprocessofthedipfoundationpitof*****subwaystationofNO.5Lineissimulated.Thesimulationisthenanalyzedandcomparedwiththefieldmeasurementsofthelateraldisplacementofthepitcompresolpileandinnerforceofsteelsupportstructure.Somekeyinfluencefactorsarediscussedinthispaperandtheresultmaybeofsomereferencevaluetothedesignandconstructionofexcavationproject.Keywords:deepfoundationpit;excavation;mechanicalanalysis;steelsupportstructure;innerforceofsteelsupportstructure1工程概况地铁五号线xxx路站位于平安大街与东四北大街交叉的十字路口处，为地下岛式站台车站，车站总长179.8m，其中横跨平安大街部分长68.6m，宽23.76m，为单层三跨拱形结构，暗挖法施工；两端为三层三跨框架结构，南端长55.8m，北端长55.4m，宽均为26.2m，明挖法施工；车站中心里程为K10+592m。明挖法施工段地下一层为站厅层，地下二层为设备层，地下三层为站台层。其南北向坡度为3‰，南北两端明挖基坑最深处为地面标高以下21米。在基坑开挖中，xxx车站基坑支护结构采用多支点、排桩支护体系加基坑外降水方案，外围护结构采用Φ800钻孔灌注桩，内支撑系统采用预应力钢管支撑；第一道钢支撑设于桩顶冠梁处，其它钢支撑通过水平钢围檩支撑在钻孔灌注桩上。2围护结构钢结构支撑由于其自重小，安装和拆除都很方便，而且具有可以重复使用，且可根据土方开挖深度，做到随挖随撑等优点，因而在深基坑工程支护中大量使用。在北京地区大部分采用大直径钢管支撑。xxx路站基坑围护结构采用四层支撑：第一层支撑位于冠梁处，距地面标高为1.9m；第二层支撑距地面7.22m(南基坑)和6.73m(北基坑)；第三层支撑距地面12.42m(南基坑)和11.93m(北基坑)；第四层支撑18.12m(南基坑)和17.63m(北基坑)。支撑体系分两部分：第一部分横向水平布置支撑，为Φ600、Φ800钢管，间距为3m；第二部分在基坑转角处布置斜撑，支撑体系为Φ600、Φ800钢管，间距为3m。（详见下图1）图1基坑支撑平面示意图3钢支撑轴力影响因素分析3.1开挖因素的影响在所有钢支撑内力影响因素中开挖因素无疑是最大最重要的影响因素，从国内外近十几年来深基坑施工实践和试验研究成果中，可以发现：在深基坑开挖及支撑过程中，每个开挖的空间尺寸和围护结构开挖部分无支撑暴露时间，与周围结构和土体位移有一定的相关性。依据基坑开挖过程中的时空效应规律，能可靠而合理地利用土体自身在开挖过程中控制位移的潜力。根据时空效应规律对地铁深基坑设计所选定的主要施工参数，按基坑的规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地层条件提出详细的可操作开挖与支撑参数。开挖与支撑的施工工艺基本是按分层、分步、平衡的原则而制定的，最主要的施工参数是分层开挖的层数，地层开挖深度，以及每层开挖中基坑围护桩未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度。为此在施工前进行方案比选。下图为选定的开挖方案(如图2)：按支护方案要求，采用“盆式”挖土，即每层土自基坑中央开挖，到标高后立即安装支撑，坑边土待基坑中央支撑完成后，再按“对称”在每根支撑两端同时开挖，并在24小时内完成支撑并施加预应力，以保证每根支撑能及时发挥作用。施工前地层数值分析见图3。图2基坑开挖示意图廊三维数值众分承析紧:古滋寿扫衣伶贩图妄3抬地层及有气限元模形冈图窑4贱开挖阶为段盆1群围护结构霜变踩形刻费肯价贡图辜5乱开挖阶稠段如2绵围护结构朗变形洪图钉6犯开挖阶搞段丽3钻围护结构半变祖形书吗糟是砍图团7叮尾开挖阶追段取4月、锣5秀围护结构疤变形系表卖1电枝有限元分倒析灌注桩龙最大水平珍位移卵开挖阶裕段卵1忍开挖阶哄段觉2把开挖阶顽段圣3艺开挖阶晋级员4泊、丽5项围护桩位皱移再7.5m搅m涛12.6惨mm肉15.8跌mm腿18.7收mm救图世8爽A暴桩沿深度命水平位雹移梨森等现朵图佳9梦B弄桩沿深度蒜水平位移辜测斜管实润测围护桩胸沿深度的堡水平位移滤与时间变幅化关系见垮图新8吹—给9蜂。某图络(嫩8脖—僻9摧)帜为同一轴截线上两侧蛛灌注桩实向测水平位买移曲线，墙由曲线可演以看出灌橡注桩的刚臂度是足够异的，由于气钢支撑材稍料有很好发的弹塑性丛，在弹性君范围内，捷钢支撑轴宴力可以简虫单表达为蚀，其中选为定值，缺变化大小奔基本上决粘定了钢支话撑轴力大样小，由于粱围护桩在铜钢支撑架碰设之前已茂有一定量英水平变形斗，在架设极完毕施加撇预应力之使后，钢支敌撑轴向变甲形基本和迷围护桩水却平变形同贸步，围护舌结构变形巷大小直接上影响钢支响撑轴力大晚小，钢支吸撑基本可删以看作长翠细杆，由市经典力学城欧拉公式落可知，轴痰力大小对嚼钢支撑稳黎定十分重暗要，而钢判支撑系统赠稳定直接镰影响整个招深基坑的兔稳定。由笼于围护桩未水平变形周和开挖过蝶程有关，显因此采用粱科学合理池的开挖过央程能有效尺控制围护尽桩变形，着从而减小研钢支撑轴娇力，增加尖基坑的稳映定性。从制钢支撑有痰限元计算抽结果和实麻测结果对液比可以看篮出，严格倾按照时空葬效应规律私进行科学沉施工组织链即可保证踪将围护结详构变形控颤制在充许艰范围内，锅并能有效街减少钢支辫撑轴力。猜3.控2仁预应力施胁加大小的捆影响务钢材是一买种理想的逼弹塑性材首料，钢支救撑与混凝糖土相比最童大的优越倘性是其可建以施加预聋应力，是喘一种积极魄支护措施爬，而混凝事土只有当蓝混凝土支迅撑压缩变务形到一定兵量后才能度显示出其植截属面抗力优耗势，但这制种支撑压唐缩变形已嘱对周围环底境产生不成利的影响摩。伙支撑预应置力可减少动支护结构告的位移量案值，这是斤因为向钢匠支撑施加票预应力可请使钢支撑惩紧抵支护槐结构从而浇消除支护撞系统的松腔弛。此外钥向支撑施胸加预应力筹还可减少镜开挖时在闯土体内积筑聚起来的心剪应力敌。砍Clou伙g搏h练及爽Tsu乒i夹指出：如司果支撑施彻加侧压力画相当根于羞0.古2坟到史0.4浇值时位移概量比不加涂预应力时强降过低暴50晌%滋，过大的肝预应力就糖不明显，娇因为太大填的预应力芦值能导致纳支护结构圾外向位移平，反而损眯坏邻近建悉筑或地下杏管线。私预施轴力幻的方法，爸选择在预遭施轴力端同的钢管上袜焊钻接斯“捆牛半腿般”拐，并将预推先焊好安的孕“废环向活动潜后紫背恢”培用螺栓连幼接固定甚在梅“篮牛挪腿桃”斤上，液压党千斤顶就趁位后，一润端与后背开固定，另垮一端顶在挤钢围檩上垫，按照计贵算出的轴忆力，与高救压泵上的旷读数进行减换算，并荣加上温度益对轴力的像影响值，省以此做为互每道支撑右预施轴力码的依据，达待预施轴弱力符合设宜计值后，既在预施轴摇力端施焊检，固定。们焊接完成奸后，撤除勤千斤顶，痕施做下道母支撑并预叶施轴力。即预施冻轴力施加寨时分级施慕加，重复稿进行，加喜至设计值开时，再次松检查各连乐接点的情韵况，对支孩撑中的节脆点及斜撑焦的中间，棋端头的节好点进行加陪固，待额浙定压力稳寄定后进行治锁定。西按预施轴给力分类：诊根据设计笑，各道支超撑施加预母应力值为催支撑设计遮轴力眼的论50逢%顾，斜支撑烂的设计轴型力为表中质值臂的蹦1.号4酿倍，各支筛撑钢管预耳施轴力见绳表汽2漏。丈表眉2搭炮钢支撑预孟施轴力表绑第一道支广撑隔剖面找设计轴力胳（ＫＮ／钥ｍ）黎水平撑轴害力（ｔ／汪ｍ）擦斜撑轴力曾（ｔ／ｍ怕）捡Ａ－Ａ敬183险27.4苗5宪51.2乌4甜Ｂ－Ｂ荡176都28.1夺6姨（日26.筹4蒜）犹49.2汁8笔第二道支赞撑泡剖面命设计轴力羞（ＫＮ／托ｍ）栏水平撑轴聚力（ｔ／逆ｍ）夕斜撑轴力熄（ｔ／ｍ爱）横Ａ－Ａ渗435会65.2没5烘121.设8榆Ｂ－Ｂ颤414渠66.2挂4秃（晒62.阴1跌）芝115.日92穷第三道支美撑虎剖面门设计轴力记（ＫＮ／计ｍ）丈水平撑轴奋力（ｔ／掉ｍ）寻斜撑轴力丧（ｔ／ｍ累）呜Ａ－Ａ诚802屈120.瓜3虚224.圆56侵Ｂ－Ｂ讯687董109.显9议2唯（钟103.咏0碑5柴）网192.子36滔第四道支推撑轰剖面全设计轴力胁（ＫＮ／育ｍ）滨水平撑轴错力（ｔ／饭ｍ）熊斜撑轴力打（ｔ／ｍ熔）仿Ａ－Ａ咳705谈105.纱75金197.淹4穴Ｂ－Ｂ争527悄84.3洁2舞（盯79.0章5递）概147.裹56凉钢管支撑巡轴力监惕测料:谜图溉1途0涛第一道支慰撑轴力随巩时间变化史图泉图贩1皮1吧第二道支蛮撑轴力随裂时间变化幼图胖图释1太2犬第三道支击撑轴力随羡时间变化睁图年图判13辅脏第四道支欲撑轴力随剖时间变化推图狮表躲3杠拿本基坑中奔采用的钢螺管与设计洁轴力干第一道支态撑谨第二道支恨撑肆第三道支抬撑持第四道支木撑稳选历材缘(疏mm)鸽理论设计吸轴力珠549k遗N海1305斤kN跟2406匙kN什2115刘kN他现场实测败轴力窜900k弱N撑1800鬼kN录2500悔kN猛1700雾kN努注：钢管斗钢材坊为脉Q235膜皮由表中数碎据可以看见出现实测株轴力除第夸四道支撑培外都比设蹈计值大，专由各支撑玉的轴力图婶可以看出修，除第一舍道支撑的日轴力有明篮显波动外历，其它各尼支撑轴力屠具有明显絮的规律性慎。即支撑欲轴力都随仓时间的增智加而增加仪，大约秀在唐7-1租0学天内达到杂稳定。到蒜达稳定后蓝其轴力变要化不大。篮钢支撑预停加轴力设凡计给定，铁但从现场迅实验得出翼，第一层畏钢支撑安锦装时机与徐预加轴力哈大小对围喉护结构变根形影响很哭大。由实除测轴力和舞灌柱桩变乡形可以看园出，第一咽层钢支撑育设计轴力厌较小，但乳用材与第船二层没有倒区别，因漏此最优的假施加预加劝轴力大小犬为设计轴以力女的驳80竖%然为宜，这递样能取得岩最好的支丹护效果。宪3.3条蝇钢支撑自淡重对内力慈的影响温重力对钢量支撑内力雪的影响是蚁先天性的画，其影响镜主要表现胶在由于重行力的存在罩，会使钢偶支撑有一日定的向下售挠度，由弹欧拉公式谋可知初始葬弯曲对钢狡支撑的稳社定十分不灶利，以下油为自重下羡钢管挠度纱计算：偷钢管连接捞完后最长咬的锹达乒26.2痛m式，每根钢梅支撑可以声看成一简抛支梁，钢认管受集度贵为ｑ的均猜布荷载作米用：伟概1主)膝确定支座克反力邻：汪R困A羽=R乐B途=ql/吊2沃2卡)苍简支梁的鲜弯矩方程饥为扩M(x略)虹＝护qlx/坐2勇－醋qx哈2雪/2耕图膜14衰号计算简图里3非)咳列出挠曲挤线近似微纹分方程并两进行积分永：玉EIy论″货=qlx绿/题2艳－勉qx荒2冻/2券通过两次迟积分得恋：买EIy稿′场=qlx碌2检/凶4顿－蓬qx与3虚/6+微C肠行扰阁（ａ）内姨板众EIy=当qlx潜3喜/1臂2奉－哭qx蠢4钉/24+谦CX+翁D翼（ｂ）茶4杠)油确定积分陪常数，简悄支梁的边战界条件是雹两支座处绸的挠度为亡零。岔孝即：ｘ耕＝贫0岸处，海Ya疑=0妨牲将其代入岂（ｂ）佩，涂D玻＝瑞0茄收ｘ＝奴ｌ处，焰Y贞b=0唱孤将其代入笼（ｂ）见，裹C煌＝踪-ql耕3找/24秋5晴)盼确定转角众方程和挠蹄度方程，奖将积分常批数窄C库、寒D漆代入聪式络(炊ａ备)剂、档(脖ｂ竞)向得：狠θ脸＝孟y盗′那＝趴-q(l联3-6l雪x2+4福x3)/涨24EI透浙碍y馋=舟－喂qx(l浆3及-2lx款2颠+x良3毛)/24窃EI槽6蜜)伸求最大挠预度，钢管匙载荷及边拣界条件均咐对称于管薄中康点碧C侵，由此可侧知，最大消挠度必在丑梁的中点马处，须挥著鞠喂变珍渴膨浪观让您并举蹦弯李惩腊做域快万爱糊妙物或推ｑ世＝叙17.4社KN/c翅m秀般E=亦20傅×傻10伞6德N/cm械2店炉I=为9579教3cm祥4计算得：嫩=5饲×夜17.4叮×扶26.2煎4遍×砖10录8斧/384间×杏20伯×额10恳6卡×叔9579为3=5.啊57cm谷夫盾由计算结瞒果可以看被出，钢管洞在自重下刺就会有眼约阀50m兔m厚多的位移茅，在弯矩顶作用下会猪造成钢管布中点处上叙部受压下枝部受拉从闲而降低钢继管的极限唤承截力。绣此外对于尘钢管两端庄并不是理傅想简支，宗在大多数小情况下还蓝有部分和尘钢围檩焊功接在一起裙，自重还辞会在两端汪造成负弯离矩存在，普对施加预址应力也是玩不利的。勿因此为保婚证安全施位加轴力，驰必须对钢爹管的挠度河进行计算提并采取必锣要的措施崇：在钢管申起吊时采靠用三分点园起吊，在些钢管弯矩时最小情况邮下能使变亚形最小；煮钢管安装约定位后，勤施加预应响力前改由析中点单点险起吊，使银其有一定膀的向上反望挠度，用潜水准仪精辽确确定反宏挠度值，狂反挠度值争应略大于宝自重产生弃的挠度值蹄；在施加孤预应力时渗，必须保真证支撑的泥水平位置巷和支撑的短连接部位济一定要牢舰固平稳，饶施加轴力秆钢支撑的权断面与支歉撑轴线必桌须垂直，尼钢管连接交完后保证匠整个钢管伟轴心在一威条直线上订，待施加辽预应力完宇毕后放松盖吊绳喊能有效降事低自重对陷钢支撑稳浸定承载力春的影响。多3.炕4县外界温度贴对钢支撑泰内力的影犬响种温度对钢番支撑的影妖响也是十胜分明显的峡，第一道步支撑轴力窃数据波动屈受温度变辨化最明显迷，除由开元挖因素外够，温度影途响也占很晨大的比例韵，因此施读工应在一霉天温度最肢低时安装违钢支撑。上200拣3镜年塑5接月开始安栽装谅至物200矿4楼年茂5馒月全部拆长除，历讽时气1烟2盟个月，中竹间跨冬夏纽两季，温歪差变化丧有拦6蜓0帖℃拐左右。税在钢支撑史施加应力惧的时候，请需考虑到何支撑表面疫温度对施椅加应力的棋影响，由靠钢件温度烂应力公式探可知：擦归寇P垦t真=E欢α秘A允Δ泡t肾敲E酒押—咱—肢刷锄钢管钢的针弹性模量准，迈E师＝货2.1拒×香10慢5茅MPa霞残A密冶—药—庭隙怀钢管断面炼积葱（臣mm们2版）泻α射—彼—凉泄深线膨胀系见数：深α剧＝茎0.00煤0011早8/成℃宴Δ色t芦龟—箭—粒箩孤温度变化宽，熊℃幕由此可计需算出械每瓶1涛℃铺产生温度约应力变化撤值。乒以第一道惕钢支撑为革例毅：圆Ø60韵0福，ｔ烤＝吸12m钩m库，调P坐t伞＝肢55忽以北京市乐平均温碑度朴24鞋℃咬为基准，箭根据现场屠钢支撑的迅实际温度悲，结合设室计给定的炼预应力大斥小，需适汤当调整预欧施轴力值式。茶4警棒结罚六论货通过本文心初步的分斥析可知影葛响地铁深熔基坑钢支金撑内力的岛因素主要尘为：叶在所有钢惯支撑内力免影响因素密中开挖因有素无疑是傍最大最重康要的