鋼支撐伺服系統在富水軟弱地層深基坑施工中的應用

龍華東 周輝 涂洪亮 冉貴猴 楊勇 高陽 胡明明

1.中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，武漢 430074；2.中國科學院武漢巖土力學研究所，武漢 430071

隨著我國城市軌道交通的快速發展，各大城市地鐵聯網運營［1］，地鐵隧道不可避免下穿既有線和建（構）筑物，導致車站基坑深度越來越大。深基坑的開挖與支護過程中容易遇到各種技術難題［2-4］，其中基坑壁的變形控制是深基坑安全的重要保障。基坑支護通常采用鋼筋混凝土支撐和普通鋼支撐。鋼支撐的預壓軸力受環境和晝夜溫差影響較大，又不可動態調節，容易產生軸力損失。文獻［5-7］指出地鐵深基坑在施工過程中容易出現鋼支撐軸力損失、腰梁與冠梁應力集中、地下連續墻變形不均勻、基坑底板隆起開裂等問題，導致深基坑失穩；建議在地下連續墻預埋鋼板和支撐分界處增設圍檁，提高深基坑的整體穩定性，并在施工期間分階段施加軸力，采用現場校核過的表面應變計實時監測軸力。但是該解決方案監測和校正工作量較大且難以保證準確。鋼支撐伺服系統［8-9］憑借其出色的控載及保壓技術可較好地解決這一難題。

本研究首先分析鋼支撐伺服系統的工作原理，然后結合現場監測數據分析深基坑的變形規律，驗證采用鋼支撐伺服系統對變形的控制效果。

1 工程概況

該地鐵車站為換乘站，地鐵隧道穿越既有線，導致該車站基坑埋深較大。車站站臺為四層雙柱三跨島式結構，呈東西走向，寬約13.00 m，總長約160.50 m，標準段寬22.70 m，端頭井處結構內凈寬26.60 m，站臺中心底板埋深約28.88 m，車站頂板埋深3.00 m。該地鐵車站分為三個區，如圖1所示。

圖1 地鐵車站平面圖

車站采用明挖順作法施工，基坑標準段和端頭井處開挖深度分別約29.0、30.5 m，車站主體面積為14 844 m2，設置3個出入口、1個換乘通道。

工程沿線位于沖積地區，水系發育，地勢平坦，地層含水率高。基坑開挖范圍內地層主要物理力學參數見表1。

表1 地層主要物理力學參數

2 鋼支撐伺服系統工作原理及特點

該車站基坑圍護結構施工時采用鋼支撐伺服系統。該系統包括主機、數控泵站和伺服端，通過有線和無線相結合的方式進行連接。

鋼支撐伺服系統由液壓、支撐和測量控制三大體系組成，通過加裝機械鎖裝置同時提高液壓系統的精確性、穩定性及可靠性［10］。鋼支撐伺服系統工作原理如圖2所示。

圖2 鋼支撐伺服系統工作原理示意

鋼支撐伺服系統的特點：①電控系統失效或者系統斷電時，可保壓，功效不變；②液控單向閥為機械閥，斷電后可以照常工作；③電磁閥不通電時處于軸力截止狀態，油壓不變；④油缸內泄露時，千斤頂上下腔密封帶隔離失效，但此時上腔處于封閉狀態，仍能保持原先的軸力。

3 基坑圍護結構施工

基坑圍護結構采用鋼筋混凝土支撐及鋼支撐支護。車站共設置8層支撐，其中第1、4、6層支撐為鋼筋混凝土支撐，第2、3、5、7、8層支撐為鋼支撐，第2、3、5層鋼支撐采用φ609壁厚16 mm鋼管，第7和8層鋼支撐采用φ800壁厚20 mm鋼管。根據設計圖紙要求，三區鋼支撐直撐施工時均采用伺服系統。三區布設5層鋼支撐，每層鋼支撐有4根直撐，共計20根。鋼支撐平面和支護現場分別見圖3、圖4。

圖3 車站三區鋼支撐平面（單位：m）

圖4 鋼支撐支護現場

現場施工過程包括油管支架安裝→監控室布置→現場設備接電、調試→鋼支撐及伺服頭拼裝→鋼支撐安裝→油管及數據線的安裝→施加軸壓→鎖定機械鎖。

軸力施加到設計值的100%后持荷5 min，機械鎖首先鎖到底，然后反轉1/3圈，使機械鎖與伺服支撐頭保留約2 mm的間隙，并考慮溫度變化對軸力的影響。

三區基坑第2、3、5、7、8道鋼支撐標高分別為-0.5、-9.0、-16.0、-23.5、-27.0 m，安裝時間分別為2017年6月20日、7月12日、8月12日、8月29、9月6日。每道安裝完成后及時按設計值施加軸力。

4 現場監測與分析

4.1 測斜管布置

本車站主體基坑安全保護等級為一級，在三區基坑四周布置6根測斜管（1#—6#），每根測斜管的深度約48 m，如圖5所示。

圖5 三區基坑測斜管布置示意（單位：m）

鋼支撐伺服系統采用程序控制與現場測量相結合，可實現實時監控、低壓補償和高壓報警。

4.2 監測結果分析

4.2.1 鋼支撐軸力

通過伺服支撐頭監測得到的鋼支撐軸力時程變化曲線見圖6。其中支撐3?1表示第3層第1根鋼支撐。可知：鋼支撐軸力在1 450~1 500 kN變化，波動幅度相對較小，說明鋼支撐伺服系統對軸力的控制效果較好。平均2 h調節一次軸力，支護20 h后軸力趨于穩定。

圖6 鋼支撐軸力時程變化曲線

4.2.2 基坑壁側向變形

采用測斜管對基坑壁側向變形進行監測，0#為普通鋼支撐區域的測斜管編號，1#—6#為采用鋼支撐伺服系統區域的測斜管編號。1#、3#、4#、6#的監測數據較為完整，因此選擇其進行對比分析。基坑壁側向變形曲線見圖7。其中側向變形量為正表示朝向基坑變形，側向變形量為負表示背離基坑變形。

圖7 基坑壁側向變形曲線

由圖7可知：①基坑壁側向變形隨深度增加由外擴逐漸變為內鼓。以測斜管3#為例，在埋深小于22.5 m時，基坑壁背離基坑變形，在埋深大于22.5 m時，基坑壁朝向基坑變形。②普通鋼支撐區域基坑壁側向最大變形量為34.15 mm，采用鋼支撐伺服系統區域基坑壁側向最大變形量為14.90 mm，減小56.4%。采用鋼支撐伺服系統對基坑壁側向變形的控制效果較好。

三區基坑距離既有地鐵線隧道僅15.3 m，施工過程中結構側向變形速率和累計變形量的預警值分別為2 mm/d和20 mm。采用鋼支撐伺服系統后，基坑壁側向變形滿足要求，保障了基坑的安全。

2017年3#測斜管上不同標高處變形見圖8。其中2~8表示第2層~第8層鋼支撐。可知：隨著基坑施工的進行，測斜管3#上不同標高處變形量整體呈增大趨勢，每一次開挖都伴隨著變形量的增大，每一次支護都能將變形穩定一段時間。2017年6月—11月，埋深小于22.5 m時基坑壁背離基坑變形，埋深大于22.5 m時基坑壁朝向基坑變形。不同標高處累計變形量均小于20.0 mm的預警值。

圖8 3#測斜管上不同標高處變形

5 結論

1）基坑壁側向變形隨深度增加由外擴逐漸變為內鼓，普通鋼支撐區域基坑壁側向最大變形量為34.15 mm，采用鋼支撐伺服系統區域基坑壁側向最大變形量為14.90 mm，減小56.4%。采用鋼支撐伺服系統對基坑壁側向變形的控制效果較好。

2）基坑施工過程中，測斜管上不同標高處變形量整體呈增大趨勢，每一次開挖都伴隨著變形量的增大，每一次支護都能將變形穩定一段時間。不同標高處累計變形量均小于預警值。