孔 禹 湯繼新 杜培貞 邵風(fēng)行 劉 俊

地鐵基坑施工期鋼支撐軸力監(jiān)測優(yōu)化研究

孔 禹1，2湯繼新3杜培貞3邵風(fēng)行4劉 俊4

（1.江西飛尚科技有限公司，330200，南昌；2.基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測與評估國家地方聯(lián)合工程研究中心，330200，南昌；3.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，315101，寧波；4.寧波市政集團(tuán)，315046，寧波//第一作者，助理工程師）

為提高地鐵基坑施工期鋼支撐軸力監(jiān)測的準(zhǔn)確性，對軸力計(jì)進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)。運(yùn)用Midas軟件模擬了三弦軸力計(jì)在偏心受壓狀態(tài)下的受力特性。結(jié)果表明：當(dāng)軸力計(jì)內(nèi)傳感器增加到3個(gè)，且分別布置在承壓面內(nèi)接等邊三角形的頂點(diǎn)上時(shí)，采用取平均值的方法能有效減小偏心受壓對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。以寧波地鐵3號線一期工程為依托，結(jié)合云平臺技術(shù)，設(shè)計(jì)了鋼支撐軸力自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)連續(xù)的軸力值和溫度值的一階線性擬合，研究了鋼支撐軸力的溫度效應(yīng)，得出三弦軸力計(jì)在偏心受壓狀態(tài)下監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

地鐵基坑；鋼支撐軸力；三弦軸力計(jì)；自動(dòng)化監(jiān)測

U231.3

地鐵車站施工方法以明挖法居多，基坑形式以長條形居多，地下連續(xù)墻加鋼支撐的聯(lián)合支護(hù)體系作為一種經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)方式被廣泛運(yùn)用［1-3］。其中，鋼支撐主要承受基坑工程中地下連續(xù)墻所傳遞的土壓力?？茖W(xué)地采用預(yù)加軸力鋼支撐，對周邊環(huán)境保護(hù)、節(jié)約造價(jià)以及縮短工期具有明顯優(yōu)勢［4］。但是，由于設(shè)計(jì)階段所用土力學(xué)與土壓力計(jì)算方法的近似性，與現(xiàn)場實(shí)際鋼支撐軸力相差甚遠(yuǎn)。因此，加強(qiáng)現(xiàn)場鋼支撐軸力監(jiān)測，以此為依據(jù)采取相應(yīng)的施工對策尤為重要［5-6］。

鋼支撐大多采用Q235鋼的薄壁圓筒結(jié)構(gòu)加活絡(luò)端。目前，地鐵基坑項(xiàng)目中所使用的鋼支撐在活絡(luò)端與圓筒連接處，均存在較大縫隙。鋼支撐在吊裝、預(yù)加壓等過程中極易造成軸力計(jì)偏心受壓，如圖1所示。由圖1可知，在鋼支撐吊裝完后、預(yù)壓之前，由于沒有吊索的豎向拉力平衡鋼支撐的重力以及支撐活絡(luò)頭與鋼支撐之間伸縮縫隙的存在，導(dǎo)致鋼支撐活頭鋼板不完全豎直，產(chǎn)生了一定的轉(zhuǎn)角，從而發(fā)生軸力計(jì)偏壓的情況。

圖1 活絡(luò)端與圓筒連接處縫隙圖

目前，最常用的軸力計(jì)為單弦軸力計(jì)，當(dāng)發(fā)生偏心受壓時(shí)，無法真實(shí)反映現(xiàn)場鋼支撐的軸力情況，且由于鋼支撐熱脹冷縮的溫度效應(yīng)［7-9］，使鋼支撐的軸力隨著氣溫而變化。因此，以寧波市地鐵3號線一期工程TJ 3112標(biāo)1#基坑作背景，為得到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的鋼支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用三弦軸力計(jì)抵抗鋼支撐安裝過程中產(chǎn)生的偏心受壓，結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，將監(jiān)測頻率提高到30 min/次，同時(shí)接入溫度監(jiān)測元器件，來研究鋼支撐軸力的溫度效應(yīng)。

1 工程背景

寧波軌道交通3號線一期工程TJ 3112標(biāo)為高塘橋站—句章路站區(qū)間基坑。該基坑全長565 m，采用中隔墻分為3個(gè)小基坑。其中，1#基坑長135 m，開挖深度約15 m，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻采用厚0.8 m、C35混凝土澆筑，插入比約為1∶1.25。第1道為混凝土支撐，采用早強(qiáng)C30混凝土澆筑，高1 m、寬0.8 m；其余4道采用外徑609 mm、Q235B型鋼、壁厚16 mm的鋼支撐，鋼支撐間距為3 m；基坑坑底采用3 m寬、3 m深、間隔3 m的抽條水泥攪拌樁加固。基坑周圍巖土體參數(shù)如表1所示。

2 三弦軸力計(jì)

由于單弦軸力計(jì)在偏心受壓情況下，測值極易偏離現(xiàn)場實(shí)際，其值遠(yuǎn)小于實(shí)際軸力，現(xiàn)場參考價(jià)值較小。為驗(yàn)證增加鋼弦數(shù)量，采用取平均值的方法消除或減小偏心受壓影響的改型方法可行，利用有限元軟件MIDAS建立了量程為0～300 t的三弦軸力計(jì)的偏心受壓數(shù)值模型，如圖2所示。該模型中，三弦軸力計(jì)采用45號鋼，直徑為140 mm，高度為122 mm；模型忽略軸力計(jì)中傳感器內(nèi)部鋼弦及走線等空間，假設(shè)為實(shí)心體進(jìn)行三維建模；采用MIDAS-GTS自動(dòng)網(wǎng)格劃分，為實(shí)現(xiàn)1/3、1/2和2/3面積的偏壓，把底面圓分為三個(gè)面積相等的部分，再利用拉伸方法形成三維網(wǎng)格；模型底部均采用固結(jié)節(jié)點(diǎn)邊界條件。

表1 基坑周圍巖土體參數(shù)一覽表

圖2 三弦軸力計(jì)偏心受壓數(shù)值模型

為分別模擬單弦軸力計(jì)和三弦軸力計(jì)在偏心受壓情況下監(jiān)測數(shù)據(jù)與真實(shí)值的接近程度，弦位取點(diǎn)方式示意圖如圖3所示。由圖3可知，采用中心點(diǎn)，即 a4、b4、c4的取值來模擬單弦軸力計(jì)測得的軸力值；采用外圍等邊三角形3頂點(diǎn)來模擬三弦軸力計(jì)3根弦的位置。以此來驗(yàn)證是否可以通過取平均值的方法來消除或減小偏壓的影響。

取點(diǎn)方式a為有一根弦位于受壓區(qū)最底部；取點(diǎn)方式b為在方式a的基礎(chǔ)上沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°；取點(diǎn)方式c為在方式b的基礎(chǔ)上沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°。這三種取點(diǎn)方式是為了研究在相同偏壓情況下鋼弦的位置，即三弦軸力計(jì)放置角度對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。表2為數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

圖3 弦位取點(diǎn)方式示意圖

圖4 為不同程度偏壓下三弦軸力計(jì)的相對誤差擬合曲線圖。由圖4可知，對于大偏心，即1/3面積偏壓及以下，效果最好的轉(zhuǎn)角在0°附近；對于小偏心，即1/2或2/3面積偏壓及以上，效果較好的轉(zhuǎn)角在10～40°之間，其相對誤差可以控制在10%以內(nèi)；當(dāng)效果最好的轉(zhuǎn)角在30°左右時(shí)，相對誤差可以控制在3%以內(nèi)。

因此，通過數(shù)值模擬分析得出三弦軸力計(jì)可以利用三弦設(shè)計(jì)減小安裝工藝引起的偏壓影響，以得到更為準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表2 三弦軸力計(jì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖4 不同程度偏壓下三弦軸力計(jì)的相對誤差擬合曲線圖

3 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

考慮到地鐵基坑開挖現(xiàn)場工況復(fù)雜，連續(xù)供電和線纜保護(hù)較為困難。因此，鋼支撐軸力監(jiān)測現(xiàn)場采用無線節(jié)點(diǎn)、無線中繼、無線網(wǎng)關(guān)及安心云平臺等設(shè)備，利用Zigbee（區(qū)域無線組網(wǎng)技術(shù)）和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示。由圖5可知，三弦軸力計(jì)與無線節(jié)點(diǎn)之間需要線纜聯(lián)接，其他可實(shí)現(xiàn)無線跳傳。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程為：① 云平臺發(fā)送采集命令給無線網(wǎng)關(guān)；② 無線網(wǎng)關(guān)給無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集命令；③ 無線節(jié)點(diǎn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并傳輸至無線網(wǎng)關(guān)；④無線網(wǎng)關(guān)把采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過GPRS和互聯(lián)網(wǎng)傳輸至云平臺。

無線節(jié)點(diǎn)自帶太陽能電板供電，無線網(wǎng)關(guān)接市電。無線節(jié)點(diǎn)固定在專用立柱上，無線網(wǎng)關(guān)放置在施工現(xiàn)場辦公室內(nèi)，確保距離200 m以內(nèi)，以保證信號的可靠傳輸。

圖5 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

4 數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目采用的三弦軸力計(jì)安裝角度均采用1根鋼弦旋至最低處的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)加載，如圖3 a）所示?；油练介_挖過程中，可登錄安心云平臺，查看實(shí)時(shí)連續(xù)的鋼支撐軸力監(jiān)測值。

4.1 偏心受壓

三弦軸力計(jì)采用經(jīng)典弦原理，結(jié)合3根均勻分布的鋼弦采集的頻率得出3個(gè)不同的值，并取算術(shù)平均從而得到監(jiān)測值。圖6為2016年7月1日（當(dāng)日現(xiàn)場無施工）測點(diǎn)ZL1-1中3根鋼弦的頻率時(shí)程曲線圖。由圖6可知，在無施工的1 d內(nèi)，3根鋼弦的頻率并不固定，從凌晨 ～13∶00，ZL1-1-1的頻率呈增大趨勢，支撐軸力值減??；ZL1-1-2的頻率呈減小趨勢，支撐軸力值增大；ZL1-1-3的頻率呈減小趨勢，支撐軸力值增大。由此可知，三弦軸力計(jì)處于連續(xù)的、變化的偏心受壓狀態(tài)下。

圖6 測點(diǎn)ZL1-1中3根鋼弦的頻率時(shí)程曲線圖（2016-07-01）

表3為測點(diǎn)ZL1-1在2016年7月1日的偏壓參數(shù)表。由表3可知，三弦軸力計(jì)3根鋼弦測得的鋼支撐軸力值不盡相同，說明了偏心受壓的存在；且凌晨均值較小，正午均值較大，在未施工的情況下，顯然鋼支撐受溫度影響發(fā)生熱脹效應(yīng)，而兩端又受限于地下連續(xù)墻，無法釋放溫度應(yīng)力而導(dǎo)致鋼支撐軸力增大現(xiàn)象。

表3 測點(diǎn)ZL1-1的偏壓參數(shù)表

當(dāng)三弦軸力計(jì)在全截面均勻受壓荷載下，3根鋼弦的力值應(yīng)相等，標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)為0 kN。三根鋼弦的標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明偏壓越嚴(yán)重，故可選用變異系數(shù)來作為三弦軸力計(jì)偏壓程度的指標(biāo)。

偏壓系數(shù)=變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/均值 （1）

由式（1）可知，全截面均勻受壓，即不發(fā)生偏壓的偏壓系數(shù)為0；偏壓程度越嚴(yán)重，偏壓系數(shù)越大。

4.2 溫度效應(yīng)

根據(jù)材料力學(xué)變形協(xié)調(diào)理論，假設(shè)鋼支撐及地下連續(xù)墻均受自身材料特性影響而產(chǎn)生溫度效應(yīng)，并假設(shè)地下連續(xù)墻不向圍巖側(cè)發(fā)生變形。則鋼支撐軸力的計(jì)算公式為：

式中各變量含義和取值見表4。將表4中的參數(shù)取值代入式（2）中可知：在20 m寬的基坑內(nèi)，溫度升高1℃，鋼支撐軸力增加37.95 kN，即溫度增量與鋼支撐軸力增量呈線性關(guān)系。三弦軸力計(jì)內(nèi)置有溫度傳感器，采集粒度與鋼支撐軸力相同，均為30 min。因此，可對溫度和鋼支撐軸力這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行Polynomial一階線性擬合，得出擬合優(yōu)度R2和線性函數(shù)斜率K。

表4 寧波項(xiàng)目溫度效應(yīng)參數(shù)取值表

為使鋼支撐和軸力計(jì)內(nèi)置溫度傳感器處于同一溫度場內(nèi)，即避免陽光直曬造成溫度場不一致，選取18：00—次日6：00的溫度和鋼支撐軸力數(shù)據(jù)進(jìn)行一階線性擬合。圖7為測點(diǎn)ZL1-1在8月10日—13日4天內(nèi)18：00—次日6：00的一階線性擬合圖。

對上述擬合優(yōu)度R2和K值做統(tǒng)計(jì)，如表5所示。由表5可知，溫度和鋼支撐軸力擬合優(yōu)度的平均值高達(dá)0.965 4，再一次證明了溫度增量和鋼支撐軸力增量的線性關(guān)系。通過擬合得到的一階函數(shù)的斜率K值的平均值為-31.68，其物理意義為：溫度升高1℃，鋼支撐軸力增大31.68 kN，該值與理論推導(dǎo)值37.95 kN相差6.27 kN，即誤差為16.5%，即ZL1-1在發(fā)生偏壓的情況下，三弦軸力計(jì)測量由溫度引起的鋼支撐軸力時(shí)存在16.5%的誤差。同理可認(rèn)為，在基坑開挖過程中，由土壓力導(dǎo)致的鋼支撐軸力監(jiān)測的誤差也可控制在16.5%以內(nèi)。故通過3弦取平均值的方法，即三弦軸力計(jì)可大大提高基坑施工過程中鋼支撐軸力監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

表5 測點(diǎn)ZL1-1線性擬合參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.3 采集粒度

寧波軌道交通3號線一期工程TJ3112標(biāo)1#基坑共布設(shè)20個(gè)三弦軸力計(jì)，設(shè)置采集粒度為30 min，即30 min采集1次數(shù)據(jù)。表6為1#斷面數(shù)據(jù)采集頻次統(tǒng)計(jì)表。由表6可知，在基坑施工過程中，測點(diǎn)ZL1-1的實(shí)際采集次數(shù)始終多于理論采集次數(shù)，實(shí)際采集粒度高于設(shè)置采集粒度30 min，達(dá)29.7 min，說明自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)性良好，可以適應(yīng)基坑復(fù)雜的施工環(huán)境。

表6 數(shù)據(jù)采集頻次統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

目前，由于鋼支撐裝配工藝缺陷以及單弦軸力計(jì)的設(shè)計(jì)缺陷等因素影響，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)無法真實(shí)反應(yīng)鋼支撐的軸力情況。本文以寧波地鐵TJ3112標(biāo)1#基坑為例，驗(yàn)證了基于三弦軸力計(jì)的鋼支撐軸力自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。其主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

（1）通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)施，驗(yàn)證了施工現(xiàn)場軸力計(jì)偏心受壓的普遍性、多樣性以及三弦軸力計(jì)抵抗偏心受壓的能力；

（2）通過采用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，驗(yàn)證了無線節(jié)點(diǎn)、無線中繼及無線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備可適應(yīng)地鐵基坑復(fù)雜的施工環(huán)境，采集粒度穩(wěn)定在設(shè)置的30 min；

（3）通過對溫度和鋼支撐軸力的實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)的一階線性擬合，驗(yàn)證了三弦軸力計(jì)在偏心受壓情況下，仍能將監(jiān)測誤差控制在16.5%以內(nèi)。

綜上所述，基于自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)以及三弦軸力計(jì)的鋼支撐軸力監(jiān)測系統(tǒng)初步解決了地鐵基坑施工過程中鋼支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及溫度效應(yīng)等難題。

圖7 測點(diǎn)ZL1-1一階線性擬合圖

［1］ 武進(jìn)廣，王彥霞，楊有海．杭州市秋濤路地鐵車站深基坑鋼支撐軸力監(jiān)測與分析［J］．鐵道建筑，2013（10）：51-54．

［2］ 陳春紅，吳明明，彭加強(qiáng)．深基坑鋼支撐預(yù)加軸力計(jì)算取值的影響分析［J］．浙江建筑，2013，30（5）：43-25．

［3］ 王光明，蕭巖，盧常亙．深基坑鋼支撐施加預(yù)加軸力的合理數(shù)值分析［J］．市政技術(shù)，2006，24（5）：336-338．

［4］ 劉靜，謝騰，張金鵬．鋼支撐在基坑支護(hù)過程中的應(yīng)力變化分析［J］．天津市政工程，2006，68：17-18．

［5］ 張明聚，由海亮，杜修力，等．北京地鐵某車站明挖基坑施工監(jiān)測分析［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，10（32）：874-878．

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911—2013［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013．

［7］ 惠淵峰．某地鐵車站深基坑鋼支撐溫度應(yīng)力計(jì)算與分析［J］．建筑科學(xué)，2012，28（9）：101-103．

［8］ 歐陽平．支撐軸力與地下水位、氣溫的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］．城市勘測，2009（4）：155-157．

［9］ 陳鋒，艾英缽．基坑鋼支撐溫度應(yīng)力的彈性熱力學(xué)解答［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（1）：108-109．

Optimization of Steel Support Axial Force Monitoring in Foundation Pit Construction

KONG Yu，TANG Jixin，DU Peizhen，SHAO Fengxing，LIU Jun

In order to improve the accuracy of axial force monitoring during the construction of metro foundation pit，the axial force meter is redesigned.Firstly，software Midas is used to simulate the force behavior of the three-axis axial force meter under eccentric compression，the results show that when the number of sensor in the axial force meter increases to three，which are arranged on the apex of the equilateral triangle in the bearing surface respectively，the application of averaging method can effectively reduce the influence of the eccentric compression on the monitoring data.Secondly，based on TJ3112 1#foundation pit on Phase I of Ningbo metro Line 3，and combined with cloud platform technology，an automatic monitoring system of steel support axial force is designed.Finally，the temperature effect of the steel support axial force is studied through the first-order linear fitting of the real-time continuous axial force value and the temperature value，the accuracy of the three-axis axial force meter in eccentric compression state is achieved.

metro foundation pit； steel support axial force；tree-axis axial force meter；automatic monitoring

10.16037/j.1007-869x.2017.10.023

First-author′s address Jiangxi Fashion Technology Co.，Ltd.，330200，Nanchang，China

2017-01-13）