基坑伺服軸力鋼支撐系統軸力加載策略研究

唐 克

（上海市市政工程建設發展有限公司，上海市 200025）

0 引言

伺服軸力鋼支撐系統可以通過對支撐軸力的主動控制來減少基坑開挖卸荷產生的土體變形，解決了傳統鋼支撐無法實施監測軸力、及時補償軸力損失的問題，近年來在環境保護等級高的鄰近地鐵等深基坑工程中得到了迅速推廣應用。目前，伺服系統設備不斷得到改進，也積累了一些伺服軸力支撐的軸力控制經驗[1-4]，但尚未形成成熟的支撐軸力控制理論。本文從基坑開挖的時空效應原理出發，提出了一種伺服軸力鋼支撐的軸力施加策略。通過工程實例，介紹了這一軸力施加策略的技術路線，從理論計算和實測數據結果闡述了這一軸力施加策略的實施效果。

1 伺服鋼支撐軸力施加策略

基坑開挖過程中，坑內土卸荷后，在短時間內，無支撐狀態的圍護結構承受坑外土體壓力并產生相應變形存在一定的滯后性。伺服軸力鋼支撐就是利用這一時空效應，在圍護結構產生較大變形前形成圍護支撐體系，并通過伺服油缸進行軸力施加，從而充分減少支撐受壓收縮產生的圍護結構變形。因此，軸力施加策略是控制基坑變形的一項關鍵技術。在理想狀態下，通過及時支撐并將支撐預加軸力設置為坑外土體壓力完全釋放后的支撐正常工作狀態軸力，支撐理論上不再承受更多的附加軸力，從而達到理論上無收縮量的效果，最大限度減小因支撐受力收縮產生的基坑變形。基于以上分析，本文提出采用基坑開挖各工況下的理論支撐軸力作為各工況支撐預加軸力的預加軸力策略。

2 工程概況

該基坑位于上海市楊浦區五角場地區，基坑內徑尺寸約27 m×46 m，開挖深度18.191～20.250 m，與某地鐵區間隧道并行，基坑與區間隧道水平凈距8.93～11.43 m，地鐵區間隧道埋深21.27～22.45 m，基坑坑底標高位于區間隧道范圍內，是典型的鄰近地鐵深基坑工程。基坑與區間隧道的平面位置關系及開挖深度最深處斷面位置關系如圖1、圖2所示。基坑所有鋼支撐均采用了伺服軸力系統。

圖1 與地鐵平面位置關系（單位：m）

圖2 與地鐵斷面位置關系

地鐵區間隧道采用盾構法施工，襯砌結構為單層裝配式鋼筋混凝土管片，外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，全環由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、2塊標準塊與1塊拱底塊共6塊管片組成。管片厚度為35 cm，環寬為1.2 m，管片的環與環、塊與塊間均以M30直螺栓連接，通縫拼裝。管片混凝土強度等級為C55，抗滲等級為1.0 MPa。

3 地質條件

根據勘察報告，在所揭露深度65.20 m范圍內的地基土主要由黏性土、粉性土以及砂土組成，分布較穩定，一般具有呈層分布的特點，主要圖層參數見表1。擬建場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水。孔隙水按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、承壓含水層。該工程勘探深度范圍內地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水和第⑦層粉性土的承壓水，施工中對承壓水隔斷處理。

表1 土層參數表

4 基坑方案

基坑深度 18.191～20.250 m，基坑寬 22.620～27.000 m，基坑縱向長度44.7 m，基坑安全等級為一級，環境保護等級一級。采用1 000 mm厚地下連續墻圍護，為隔斷承壓水，墻長42 m，墻趾位于⑧1黏土層中。沿基坑深度方向設置6道支撐，其中第一、第四道為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其余均為?609，t=16 mm鋼支撐。鋼支撐均采用軸力自補償伺服系統，斷面如圖2所示。

5 軸力施加策略的技術路線

（1）計算不施加軸力狀態下，基坑開挖各工況的每道支撐理論軸力，作為施工過程中各工況下支撐軸力控制值；

（2）開挖土體至第一道支撐頂面，開槽澆筑第一道頂圈梁及混凝土支撐；

（3）待第一道支撐強度達到設計強度后，開挖土體至第二道支撐位置，設置第二道鋼支撐，并施加該工況下支撐預加軸力；

（3）開挖土體至第三道混凝土支撐位置，開槽澆筑第三道混凝土圈梁及混凝土支撐，并調整上部鋼支撐預加軸力；

（4）待第三道混凝土支撐達到設計強度后，開挖土體至第四道鋼支撐位置，設置第四道鋼支撐施加軸力，并調整上部鋼支撐預加軸力；

（5）開挖土體至第五道鋼支撐位置，設置第五道鋼支撐，并施加預應力，附加上部支撐預應力；

（6）開挖土體至底板下基坑底面，澆筑素混凝土墊層，結構底板。

6 實施效果

6.1 支撐軸力計算值與實際值比較

圖3 是伺服軸力鋼支撐實際最大軸力與計算最大軸力的對比。結果顯示，實際支撐最大軸力與計算值較為接近，比計算值高約17.6%。在理論計算過程中，基坑開挖面以上的土體壓力一般采用主動土壓力計算，采用伺服軸力鋼支撐時，墻體水平位移有較大限制，土體壓力一般大于主動土壓力值，因此，實際支撐軸力略大于理論計算值。

6.2 圍護結構水平位移

圖4 為開挖深度20.25 m斷面的鄰近地鐵一側圍護結構水平位移實測值與計算值比較。結果顯示，計算最大水平位移為15.2 mm，深度21 m，實測值與計算值變形趨勢一致，變形略大于計算值，實測最大水平位移19.5 mm（＜1.0‰H=20.25 mm），深度24 m。伺服軸力鋼支撐對于基坑變形控制效果良好。

圖3 伺服軸力鋼支撐最大軸力對比（單位：kN/m）

圖4 圍護結構水平位移對比

6.3 坑外地表沉降

圖5 為開挖深度20.25 m斷面的鄰近地鐵一側坑外地表沉降實測值與計算值比較。結果顯示，實測值與理論計算沉降較為符合，實測最大沉降為-12.7 mm，位于坑外9.1 m處。

圖5 坑外地表沉降對比

6.4 區間隧道在基坑開挖期間的收斂沉降

如圖6、圖7所示，基坑正對區域，在距離基坑較近區間隧道最大收斂2.9 mm，最大沉降-1.1 mm。隧道變形呈“橫鴨蛋”變形模式，略有沉降，變形情況符合基坑開挖卸載下的力學特征。伺服軸力支撐有效控制了基坑圍護結構變形量，從而降低了開挖對地鐵區間隧道的擾動。

圖6 下行線（距離基坑較近區間）收斂

圖7 下行線（距離基坑較近區間）沉降

7 結 語

伺服支撐體系越來越多地在鄰近地鐵等地下隧道的基坑開挖工程中得以應用，其原理是根據時空效應的理論，及時補償支撐軸力，控制基坑圍護結構變形，提高基坑圍護變形控制精度。支撐軸力的調整需與地墻變形、各種土壓力變化等監測情況及施工工況等密切結合，但目前通過軸力變形來控制支撐軸力的系統聯動性仍需提高，在測控及受力機理上較為模糊，較難實際操作。本文提出以各開挖階段的理論軸力為依據，結合基坑工況變化動態調整軸力的軸力施加策略，符合基坑設計理論，有清晰的理論基礎且易于實際操作。

本文給出的實踐案例，充分展示了這一加載策略與理論計算的一致性，通過精心施工，可以達到較好的基坑變形控制效果。值得一提的是，支撐軸力控制值的計算受到坑外土壓力計算準確性的影響，由于伺服軸力鋼支撐對基坑圍護結構的變形良好的約束效果，使得坑外實際土壓力大于主動土壓力值，從而使支撐實際軸力值略大于理論計算值。因此，在基坑開挖理論計算中，可以適當考慮因伺服軸力支撐約束對土壓力的影響。

總體而言，采用伺服鋼支撐系統的基坑將圍護結構自身的變形降到最低，支撐安裝的及時性是影響圍護結構變形的主要因素，而且伺服鋼支撐安裝前圍護結構已發生位移的大小影響后續的軸力測控的目標差異。在實施過程中，依然需要通過精心施工才能取得良好的實施效果。當前，保障地鐵等城市交通基礎設施運營安全已成為我國緊湊型城市建設過程中的迫切需要，伺服軸力鋼支撐系統在環境保護等級高的基坑中將有越來越廣闊的應用前景和工程需求。