软土基坑钢支撑伺服系统轴力的确定方法研究

确定方法研究曹虹 孙九春腾达建设集团股份有限公司 上海 200122摘要：传统的钢支撑轴力多是基于基坑围护结构的强度控制而确定。针对软土深基坑中钢支撑伺服系统轴力如何确定

的问题，提出了基于围护刚度控制的轴力确定方法，即引入“双控法”的概念以确定支撐轴力，不仅保证了经济可行 性，而且在控制围护侧向变形方面效果显著，为今后类似基坑的围护优化设计提供了参考。关键词：基坑施工；钢支撑；伺服系统；双控法；轴力中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2019)05-0754-05 DOI: 10.14144/j.cnki.jzsg.2019.05.005Study on Determination Method of Axial Force of Steel Support

Servo System in Soft Soil Foundation PitCAO Hong SUN JiuchunTengda Construction Group Co., Ltd., Shanghai 200122, ChinaAbstract: The traditional axial force of steel support is mostly determined by strength control of foundation pit support

structure. Aiming at the problem of how to determine the axial force of steel support servo system in deep foundation

pit of soft soil, an axial force determination method is proposed based on support stiffness control, that is, the concept

of \"double control method\" is introduced to determine the supporting axial force, which not only ensures the economic

feasibility, but also achieves significant effect in controlling the lateral deformation of foundation pit support, which can

provide a referenee for the optimization design of similar foundation pit support in the future.Keywords: foundation pit construction; steel support; servo system; double control method; axial force钢支撑由于自重轻、安装方便、可重复利用且安装后 钢支撑混合支撑方案的某基坑监测分析发现：钢支撑架设

可立即发挥作用，并能减少因时间效应引起的位移，因此 后，轴力不断增加，最终趋于稳定，朗肯土压力理论计算

在软土地铁车站基坑中被广泛使用。在目前的基坑设计中通常根据受力平衡计算钢支撑轴 力，该轴力与基坑变形没有必然关系。为了得到兼顾基坑

出的支撑轴力和实测轴力有很大偏差，在工程实际中，不 能完全采用朗肯土压力理论计算。武进广等⑷通过对某地

铁车站钢支撑轴力分析，表明伴随着基坑开挖，每道支撑

稳定与变形控制的钢支撑轴力，诸多学者对此做了深入研 架设后轴力逐渐增大，其下的一道支撑开始受力时该道支 撑轴力达最大，之后随着应力调整逐渐趋于稳定。张忠苗

究。蒋洪胜等⑴从实际工程出发，探讨了时空效应对支撑

等⑼分析杭州某地铁车站钢支撑轴力的监测数据发现：每 道支撑的设置或拆除会对相邻支撑产生很大影响，但对间 隔支撑的影响较小，基坑角撑部位应充分考虑基坑的空间 效应。郭利娜等冋根据武汉地铁车站钢支撑轴力监测数据

轴力的影响，认为支撑参数的确定应充分考虑时空效应

的影响，而不能惯例地按弹性或弹塑性理论计算。魏玉明 等0对某地铁站基坑开挖实例进行分析，讨论了影响钢支撑

轴力的因素，分析发现开挖是最重要的影响因素，基坑开 分析，发现各道支撑安装后，轴力都在短期内有较快增 长，开挖阶段结束后，各支撑轴力出现下降并趋于稳定。

挖过程中要运用时空效应规律，合理利用开挖过程中土体

控制位移的潜力；预应力大小和施加过程都会影响钢支撑 钢支撑在施加预应力初期，预应力损失严重，因此轴力变

的内力，钢支撑自重对钢支撑内力有一定影响，但能通过 科学的施工过程降低影响。张明聚等㈤通过对釆用锚索与化存在波动；钢支撑架设初期轴力迅速增大，施加下一道 支撑时分担上一道钢支撑的力，导致其轴力有所减小。目前的钢支撑轴力确定方法中，数值计算方法被广

泛应用。张光建等卩1通过地铁车站深基坑的三维有限元模

作舟简介：會奴（1988—） , *,硕士，工程师。 通信地址：上诲•市诫■东新区向城路58号11揍（200122）。

型，对开挖过程进行模拟计算，发现支撑轴力的计算值小

也子 : 841727014@qq.com收稿日期:2018-12-14

于实测值，但其发展变化的趋势几乎一致，三维有限元模 型能够较好地模拟异形基坑的开挖过程，可以为优化设计7542019 • 5 • Building Construction曹 虹、孙九春：软土基坑钢支撐伺服系统轴力的确定方法研究和施工提供有益的参考。赵彦庆等冋通过对天津某地铁车 基坑所处的环境复杂，北侧有平行于基坑布置的上船 大楼等建筑物，南侧有平行于基坑布置的大壶春小区、永

站基坑钢支撑轴力监测资料分析，得出各层钢支撑轴力变

化规律，同时运用有限元软件模拟得出与实际施工阶段较 为接近的不同开挖阶段的钢支撑轴力云图。吴小涛等何在

华大厦等建筑物；且在车站南北两侧有众多大直径管线近 距离靠近基坑。数值模拟的基础上，研究了预加轴力的施加对钢支撑的支 护效果的影响，得出预加轴力的合理数值，并进一步对钢 支撑基坑支护方案进行优化。因车站主体基坑较长，且跨越即墨路，将浦东南路站

主体分3个基坑分别施工，自西向东依次为A-1坑、B坑、

A-2坑。由于A-2坑周边环境最为复杂，施工难度最大，因

此先行施工B坑，然后施工A-1坑，最后施工A-2坑，并在

而为消除时空效应、邻近支撑的影响及轴力损失等问

题，轴力自动伺服系统被引入基坑开挖中。贾坚等㈣结合 深基坑工程实例，首次应用了钢支撑轴力伺服系统，有效 地控制了基坑变形。张德标等g针对上海某基坑开挖具体 情况，运用钢支撑轴力自动伺服系统，减少钢支撑轴力损

A-2坑施工中采用轴力伺服系统，以满足变形控制要求。采

用HS本构模型，建立基本计算模型（图2）。失并相应控制地下连续墙变形，取得了良好的社会效益。但目前还没有建立一套与围护侧向变形相匹配的钢

支撑轴力确定方法，本文结合工程实例，以有限元计算为 基础，提出轴力伺服系统中基于位移的钢支撑轴力确定方 法，为今后类似地铁基坑的优化设计提供参考。图2浦东南路站A-2坑计算模型基坑的施工工序为：激活地下连续墙一开挖至第1道混 凝土撑下20 cm-激活第1道混凝土支撑一开挖至第2道钢支

1 工程概况及计算模型轨交浦东南路站地处上海陆家嘴核心区域，基坑沿浦

掉下〜激活第2道钢支撑〜开挖至第3道钢支撑下一激活第

3道钢支撑一开挖至第4道钢支撑下〜激活第4道钢支撑一开

挖至第5道钢支撑下一激活第5道钢支撑一开挖至第6道钢支

东大道东西向敷设，骑跨即墨路。拟建车站地层分布为： ①1杂填土，②1粉质黏土，③淤泥质粉质黏土，③夹砂质 粉土，④淤泥质黏土，⑤1粉质黏土，⑥粉质黏土，⑦1-2

撑下一激活第6道钢支撑〜开挖到底。砂质粉土，⑦2粉砂。车站主体基坑坑底位于⑤1层中，围

2 基于零位移法的钢支撑轴力确定方法釆用伺服系统的钢支撑轴力可以根据需要实时调整，

护墙墙趾底位于第⑦2层中。基坑围护形式为厚1.0 m、深46 m的地下连续墙。标

其调整的目的是在保证自身安全的前提下尽可能减小围护 结构的变形，即钢支撑轴力是基于变形控制的。理论上当 轴力足够大时可以使得支撑处的围护结构位移为零，这种 基于支撑处围护结构位移为零的钢支撑轴力确定方法被称 之为“零位移法”。零位移法又可以分为2种。准段6道支撑，第1、4道支撑为混凝土支撑（1 000 mmX

800 mm、1 500 mm X 1 200 mm）,第5道支撑为800 mm X 20 mm钢管撑，其余为O 609 mm X 16 mm钢管

撑（图1）。船舶世纪大厦羽\\2.1静态零位移法不考虑施工过程，在分析中，把支撑刚度取大数，使 其由弹性变成刚性。然后一次激活所有支撑和挖除所有土

A-1区基坑 B区基坑A-2区基坑方，这样支撑处围护结构的位移为零，所得的支撑轴力即

6东方医院（a）平面\\ § /大壶春小区为基于“静态零位移法”的支撑轴力（图3、表1）。—

EA = 8 _第1道混凝土支撑支撵均取大刚度 同时激活所有支 摟并开挖坑内所 有土体EA = 8 _[]I

EA=8

图3静态位移法示意在刚性支撑作用下，基坑的变形如图4所示。在第6道

支撑以上的开挖区内，围护变形非常小（正负向都在2 mm

图1浦东南路站地铁基坑示意左右），基坑底部因无支撑围护变形略大（9 mm）。建筑施工•第41卷•第5期755曹 虹、孙九春：软土基坑钢支撑伺服系统轴力的确定方法研究表1静态零位移法下支撑轴力支撑表3支撑的轴力轴力/ ( kN・m-* )-23.870支撑第1道—第2道-420第3道-550第4道—第5道-1 000第6道-880第I道第2道轴力/ ( kN • m\")-225.6CX)第3道第4道-386300-829.700449.400-3 078.000第5道第6道图6 “动态零位移法”下基坑变形（放大500倍）在基坑“先挖再撑”的开挖过程中，想要使得位移为

图4静态零位移法下基坑变形（放大500倍）零，就必须将已经发生位移的土体再推回去。这部分推力 即由支撑轴力提供。随着开挖深度的加深，需要的推力也 就越大。由于基坑开挖过程是先挖土变形后施加支撑轴力，因

此这一方法不能考虑施工过程，同时对于含有混凝土支撑

的基坑，由于混凝土支撑无法施加预加轴力，在挖除下一

3 基于“双控法”的钢支撑轴力确定方法基于“零位移法”的支撑轴力确定方法虽然理论上

层土前不受围护结构土压力作用，因此这种方法获得的轴 力有一定的不合理性。可行，但计算所得的支撑轴力值非常大，远超过支撑的极

2.2动态零位移法与静态位移法不同，动杏位移法按照实际开挖顺序设 置计算工序（表2）,分步开轮并激活支撑（支撑同样取大 刚度），通过试算法寻找出钢支撑轴力，使得每次开挖加

限承载力，极大地增加了施工成本，不能满足实践需要。 同时对于绝大部分建筑物而言，自身具有…定的适应地层变形的能力，因此围护结构侧向变形控制指标可以根据需

要在零位移的基础上适当放宽。根据钢支撑的轴力限值，

撑过程中支撑处的围护结构位移均为零（图5）。以2 mm 为容许误差，得到“动态零位移法”下各支撑所需施加的

研究满足各道支撑处位移控制需要的支撑轴力，即“双控法”（图7） of f轴力，见表3。表2动态零位移法下支撑轴力支撑F.<[N]f、 f,<[f] Fy<[N]f2<[f] f2<[n]f3制目标。由于围护结构的水平变形与支撑体系的受力密切

一二E

一二

开挖层土活第支撑

重复前述工序直

，完至开 挖 成亠-

相关，钢支撑轴力越大对控制变形越有利，但轴力越大， 越接近支撑的极限承载能力，则支撑体系的风险也就越

大，相应的基坑风险也就越大。同时在坑外土压力一定的

情况下，浅层的钢支撑轴力过大会造成混凝土支撑受拉开 裂，从而引发基坑风险。因此既要控制围护结构的变形又 要控制支撑的轴力不超过限值。图5动态位移法示意3.1支撑轴力以2 mm为容许误差，得到“动态零位移法”下各道支

支撑轴力的合理值是指在保证支撑系统具有一定安全 性的前提下可能承受的最大值。撑支撑处的位移（图6）和各支撑所需施加的轴力。7562019 • 5 • Building Construction曹 虹、孙九春：软土基坑钢支撑伺服系统轴力的确定方法研究3.1.1混凝土支撑混凝土支撑既可以受拉又可以受压，不得产生超过容 许范围的拉应力或压应力。3.1.2钢支撑钢支撑只能受压不能受拉，钢支撑所受轴力不得超过 系统的极限承载力，对于宽25m左右的深基坑，在中间设 置有可靠系梁的工况下，少609 mm钢支撑的目标值初步确

定在2 200 kN, 800 mm钢支撑的目标值定在4 000 kN。3.2围护变形围护变形的指标需根据周边环境和支撑系统的轴力来

确定。控制指标越严格，所需要的轴力往往就越大，实现 的难度也就越大，因此控制指标的确定应当建立在科学研

究、合理分析的基础上。比如对于周边环境保护要求较高 的基坑，可以以开挖深度的0.08%为位移控制目标问。换算到二维模型中，¢609 mm钢管撑的极限承载能力

为718kN/m, 0800 mm钢管撑为1 306 kN/m,以开挖深度

的0.08%为位移控制目标，地下3层车站基坑的轴力计算见 表3,结构的变形情况如图&图9所示。图8结构模型网格变形（放大500倍）图9整体结构水平位移云图将开挖过程中地下连续墙侧移变化情况汇总于图10

中。开挖到底时，地下连续墙最大水平位移1.48 cm,能够 达到开挖深度的0.08%的控制目标，但坑内地下连续墙同样

出现了负向位移（0.55 mm）。将开挖过程中支撑轴力的变化列于表4中。由表4 可知，第1道与第4道混凝土支撑中都出现了拉力，第1

道混凝土支撑最大拉力52.81 kN/m,在受拉容许范围内（195.4 kN/m）；第4道混凝土支撑最大拉力145.5 kN/m,

其极限受拉轴力为2 052 kN,按间距换算到单位宽度为

293.1 kN/m,计算所得值并未超过受拉容许值。表5中列出了不同控制目标下轴力的计算值。对比可以发现传统的轴力确定方法获得的轴力值明显 偏小，无法满足位移控制的需要，不适合基坑的精确化主 动控制。126

鰹20粪24螺2832嫌瑕疽K-36-1O446 8 10 12 14 16 18 20 22 24地下连续墙侧移/mm图10开挖过程中地下连续墙的位移情况表4 3层车站基坑开挖过程中支撑轴力变化（单位：kN m '）工序第1道第2道第3道第4道第5道第6道3-0.01—————4-115.80—————53.470-42.00————6-13.90-515.30————731.80-408.10-550.00———836.60-449.70-631.30———936.60-449.70-631.300.05——1052.80-463.80-673.70-202.80——1142.00-438.50-611.4097.90-1 000.00—1247.60-441.60-623.7019.20-1 097.00—1340.90-436.10-604.00145.50-942.00-880.001444.20-436.90-609.40104.30-1 003.00-941.50表5 3层车站基坑各支撑轴力值（单位：kN-m1 ）支撑荷载结构法静态位移法动态位移法双控法第2道-420.00-225.60-475.00-420.00第3道-550.00-386.30-1 550.00-550.00第4道-840.00-829.70-1 925.00—第5道-800.004 49.40-2 750.00-1 000.00第6道-480.00-3 078.00-3 350.00-880.004 考虑周边建筑物的实际工程应用轨交浦东南路站A-2区基坑与上船大厦的最近距离仅 有4.5m,大厦位于基坑开挖的强影响区范围内。同时由于

大廈自重大，加剧了基坑开挖所引起的侧向变形，进而导 致大厦沉降随之变大。基坑开挖所引起的土体深层位移会

对大厦方桩产生不利影响，尤其是对桩基接头部位，影响

更为明显。建立考虑周边建筑物的有限元数值分析模型， 进一步说明“双控法”的应用效果。建立基本模型如图11 所示，采用SCC本构模型进行计算。由“双控法”计算得到基坑各道钢支撑的情况如表6所

7K o建筑施工•第41卷•第5期7577I曹 虹、孙九春：软土基坑钢支撑伺服系统轴力的确定方法研究上港小区上船大楼20.017.515.0|l2.5^10.0虽7.5® 5.02.5图11考虑周边建筑物的计算模型0~2'5

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14表6考虑周边建筑时各道支撑的轴力(单位：kN-m'1 )工况顺序图13 P25测点处各阶段各道支撑深度处围护变形变化曲线图第1道轴力—第2道-600第3道-700第4道第5道-1 200第6道-1 000—以基坑开挖深度23 m计算，其最大变形量约为挖深的

0.079%,与理论计算结果颇为吻合。A-2基坑支撑间距平均约为3 m,即第2道支撑轴力约

为一 1 800kN,第3道支撑轴力约为一2 100kN,第5道支撑

5 结语针对软土深基坑中的钢支撑，引入“双控法”的概念

轴力约为一3 600 kN,第6道支撑轴力约为一3 000 kN。将基坑开挖过程中上港小区及上船大楼侧地下连续 墙的侧移情况整理于图12中，由计算结果可知，在\"双控

以确定支撑轴力，既保证了经济可行性，且在控制围护变

形方面效果显著，也为今后类似地铁基坑中的优化设计提

法”所得支撑轴力作用下，两侧地下连续墙的侧移分别为 供参考。一.

[1]

挖深的0.087%和0.078%,均能控制在开挖深度的0.08%左

右。V…

=5参考文献 口“蒋洪胜，刘国彬.软土深基坑支撐轴力的时空效应变化规律研究[J].

岩土工程学报,1998,20(6): 105-107.[2]

魏玉明，沈辉，王丙辉.深基坑预应力钢支撑内力影响因素分析[C]// 北京市市政工程总公司,北京市政第一届地铁与地下工程施工技术

学术研讨会论文集•北京:北京市市政工程总公司,2005.⑶ 张明聚，谢小春，吴立.锚索与钢支撑混合支撑体系内力监测分析[J].

岩土工程学报,2010(增刊1):483-488.[4]

武进广，王彦霞，杨有海.杭州市秋涛路地铁车站深基坑钢支撑轴力 监测与分析[JJ.铁道建筑,2013(10):51・54.[5] 张忠苗，房凯，刘兴旺，等.粉砂土地铁深基坑支撑轴力监测分析[J].岩

土工程学报,2010(增刊1):426-429.根据上述理论计算和分析，在A-2区基坑施工过程

[6] 郭利娜，胡斌，李方成，等.武汉地铁深基坑围护结构钢支撑轴力研究

[J].地下空间与工程学报,2013,9(6): 1386-1393.中，以理论计算的钢支撑轴力值为指导，合理安排基坑的 土方开挖与支撑架设流程，将基坑的变形量控制在预期范

[7]

张光建，姚小波，胡瑾.地铁换乘车站基坑支撐轴力监测与数值模拟

[JJ.岩土工程学报,2014,36(增刊 2):455-459.围内。以A-2基坑长边中点附近(基坑变形量最大)的P25 测斜点断面为例，表7为该断面各道钢支撑轴力的实际值，

[8]

赵彦庆，张华恺,齐凯泽，等.钢支撐在天津某地铁深基坑中的稳定性 研究[JJ.施工技术,2016,45(20):96~ 100.图13为该断面各道支撑深度处围护变形的变化曲线。[9]

吴小涛，周文，袁丽佳，等•地下连续墙深基坑支护结构中钢支撐性能

表7 P25测斜点断面各道支撑的实际轴力(单位：kN )轴力初始研究[J].广西大学学报(自然科学版),2015(1):193-201.第1道—第2道-1 260第3道-1 650-1950第4道—第5道-3 100-3 700第6道-3 200-3 200[10] 贾坚，谢小林,罗发扬，等.控制深基坑变形的支撐轴力伺服系统[J].上

海交通大学学报,2009(10): 15-1594.[11] 张德标，费巍，王成炭，等.应力伺服系统在紧邻地铁深基坑钢支搏轴

最终—-1810—力监测中的应用[JJ.施工技术,2011,40(10):67-70.由表7和图13可知，A-2基坑各道支撑实际的最终轴力[12] 谢小林，贾坚•预测和控制深基坑变形的抗隆起稳定系数法[J].上海

与理论计算轴力相差无几，基坑的最大变形量为18.3 mm,

国 土资源,2004,25( 1 ):22-27.7582019 • 5 ・ Building Construction