鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對地鐵深基坑變形的影響研究

王 瑜（上海市交通建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站， 上海 200030）

上海地區(qū)地表下 30 m 范圍內(nèi)分布著大量的軟土，其具有含水量高、壓縮性大、強度低及流變特性強等特點。在這種地質(zhì)條件下實施軌道交通車站深基坑的開挖施工需要有效控制支護體系變形及受力狀態(tài)，從而確保周邊地表、建構(gòu)筑物及市政管線的變形穩(wěn)定。控制環(huán)境變形的根本是減小支護體系的變形。近年來部分軌道交通車站建設(shè)項目采用了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，在控制環(huán)境變形方面取得了良好的效果，特別是周邊 1 倍挖深范圍內(nèi)存在既有軌道交通、共同溝、大直徑燃氣管道、輸油管線、大型壓力總水管、高壓鐵塔、歷史文物、近代優(yōu)秀建筑物、城市重要道路的基坑等，采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可大大減小圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，進而減小環(huán)境變形達到基坑安全穩(wěn)定的目的。本文以上海某軌道交通車站深基坑實測變形成果為例，對比分析了采用伺服系統(tǒng)的端頭井與未采用伺服系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)段變形特征，為軟土地基深基坑施工過程中的環(huán)境保護措施提供參考依據(jù)。

1 伺服系統(tǒng)工作原理

鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件程序共同組成，主要適用于基坑施工過程中對周邊環(huán)境保護要求較高的項目，可實現(xiàn) 24 h 實時監(jiān)控，并對應(yīng)力變化實行低壓自動伺服、高壓自動報警，對基坑本體及周邊環(huán)境提供全方位自動安全保護。

鋼支撐頭內(nèi)置壓力傳感器及超聲波位移傳感器，用以控制并實時監(jiān)測支撐軸力及位移。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的軸力值及動態(tài)范圍進行動態(tài)調(diào)整。當(dāng)監(jiān)測到鋼支撐實際承擔(dān)的軸力低于設(shè)計值時，系統(tǒng)立即啟動進行軸力自動補償；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到鋼支撐的軸力值大于設(shè)計值時，系統(tǒng)會自動降低軸力，使之保持在設(shè)計值范圍內(nèi)，確保基坑本體及周邊環(huán)境變形在安全區(qū)間。系統(tǒng)還可在監(jiān)控端手動調(diào)整軸力值，以適應(yīng)不同工況下的軸力值大小。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警范圍，系統(tǒng)自動報警，可設(shè)置基坑具體情況軸力或支撐位移預(yù)警值。

2 工程概況

2.1 基坑概況

某軌道交通車站采用明挖順作法施工；車站主體圍護結(jié)構(gòu)設(shè)置 2 堵封堵墻，將基坑分為左（1～13 軸）、中（13～30 軸)、右（31～43 軸）3 段，長度依次為左 92.1 m、中 144.9 m、右 100.2 m，分兩期施工。其中左、右兩段為一期基坑，中間段為二期基坑。一期基坑南端頭井基坑開挖深度為 16.815 m，平面外包尺寸 26.84 m×15.70 m，沿基坑深度方向設(shè)置 5 道支撐，第 1 道為 800 mm×900 mm 鋼筋混凝土支撐，其余 4 道均為Φ609 （t=16 mm）鋼管支撐。一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度 15.084 m，平面外包寬度 22.04～23.04 m，沿基坑深度方向設(shè)置 4 道支撐，其中第一道為 800 mm×900 mm 鋼筋混凝土支撐，其余均為Φ609（t=16 mm）鋼管支撐。

南端頭井南側(cè)為市政道路，道路下方為既有運營軌道交通線區(qū)間，軌面標(biāo)高為 -17.366 m，與車站基坑平面距離最近約 27 m；道路下方同時分布有上水、燃氣、污水等重要的硬性管線。為確保既有軌道交通線路區(qū)間及重要市政管線的運營安全，在南端頭井基坑第 2、3、4 道支撐采用了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形進行控制。

2.2 地質(zhì)條件

（1）場地地層分布。本項目場地地層分布見表 1。

表 1 地層特性表

（2）承壓水。承壓水對基坑的影響主要表現(xiàn)為基坑開挖過程中是否會產(chǎn)生承壓水突涌問題。本擬建場地存在賦存于 ⑤1j層中的微承壓水、⑦1-1層和 ⑧2-2層（與 ⑧2-3層連通）中的承壓水。基坑開挖后，抗承壓水頭的穩(wěn)定性應(yīng)滿足式（1）要求。

式中：Pcz—坑底開挖面以下至承壓含水層頂板間覆蓋土的自重壓力，地下水位以下按飽和重度計算，kPa；

Pwy—承壓水壓力，kPa。

經(jīng)計算，一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段、南端頭井Pcz/Pwy均為0.39，因此土方開挖過程中均應(yīng)按需降壓，防止突涌。

3 監(jiān)測項目監(jiān)測點布置

基坑監(jiān)測項目及監(jiān)測點布設(shè)應(yīng)根據(jù)基坑監(jiān)測等級進行選擇與設(shè)置。基坑監(jiān)測等級由基坑安全等級及周邊環(huán)境保護等級綜合判別。一期基坑安全等級為二級，環(huán)境保護為二級，因此監(jiān)測等級為二級，基坑本體設(shè)置了圍護頂部沉降及水平位移、圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移、支撐軸力、立柱隆沉監(jiān)測點、坑外地下水位等監(jiān)測項目，周邊環(huán)境設(shè)置了坑外地表剖面沉降、市政管線變形、周邊建筑物沉降等監(jiān)測項目。

圍護頂部沉降及水平位移監(jiān)測點布設(shè)間距一般為10～12 m；地下連續(xù)墻深層水平位移按每 4 幅墻布設(shè) 1 孔，布設(shè)間距為 20～24 m，南端頭井每側(cè)邊布設(shè) 1 孔；坑外地下水位按 40～48 m 布設(shè) 1 孔，南端頭井每側(cè)邊布設(shè) 1 孔；支撐軸力監(jiān)測點按 40～48 m 布設(shè) 1 個監(jiān)測剖面，南端頭井在西側(cè)斜撐設(shè)置 1 個軸力監(jiān)測剖面，混凝土支撐在上、下、左、右各安裝1支鋼筋計，鋼管撐在左、右側(cè)各安裝 1 支鋼板應(yīng)變計；因基坑開挖過程中存在承壓水突涌風(fēng)險，每個鋼格構(gòu)柱頂部均布設(shè)了立柱隆沉監(jiān)測點；坑外地表沉降監(jiān)測剖面布設(shè)間距一般為 40～48 m，南端頭井每側(cè)邊布設(shè) 1 條監(jiān)測剖面，受施工場地條件限制，坑外地表沉降剖面監(jiān)測點僅可布設(shè)至坑外 1 倍挖深范圍，每條地表豎向位移監(jiān)測剖面上布設(shè) 5 個監(jiān)測點，由密至疏布置，至基坑邊線的距離分別為2 m、4 m、7 m、11 m、15 m；南端頭井南側(cè)軌道交通 7號線盾構(gòu)區(qū)間變形監(jiān)測由專業(yè)監(jiān)護單位實施，基坑監(jiān)測單位不另布點監(jiān)測；市政管線變形監(jiān)測點布設(shè)間距為 20 m。

4 主要施工工況

一期基坑主要施工工況見表 2。

表 2 一期基坑主要施工工況

5 監(jiān)測成果分析

5.1 標(biāo)準(zhǔn)段深層水平位移監(jiān)測

（1）車站一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段未安裝鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，鋼支撐預(yù)應(yīng)力采用傳統(tǒng)油泵＋液壓千斤頂施加，預(yù)應(yīng)力施加值為設(shè)計軸力值的 70%。圖 1、圖 2 為與端頭井相鄰標(biāo)準(zhǔn)段 CX2、CX34 兩個測孔在不同工況的深層水平位移曲線，其中 CX2 位于標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè)，CX34 位于標(biāo)準(zhǔn)段東側(cè)。第1 道混凝土支撐達到強度后進行了第 2 層土方的開挖，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)形成壓力差后開始向坑內(nèi)位移，深層水平位移位移曲線表現(xiàn)出典型支撐約束后的形態(tài)，即開挖面附近位移最大，向頂部和底部逐漸遞減，由于混凝土支撐具有較大的剛度，第 2 層土方開挖過程中地下連續(xù)墻位移總體不大。

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)段 CX2 孔各工況深層水平位移曲線

圖 2 標(biāo)準(zhǔn)段 CX34 孔各工況深層水平位移曲線

（2）第 2、3、4 道支撐為Φ609 鋼管撐，其安裝時間短，基坑暴露時間短，時間效應(yīng)小，但支撐剛度小，控制地下連續(xù)墻位移效果較混凝土支撐要弱，第 3、4、5 層土方開挖過程中地下連續(xù)墻深層水平位移增長速率明顯大于第 2 層土方時的速率。第 2 層土方開挖高度為 4.2 m，產(chǎn)生的最大深層水平位移為 13.55 mm，每米厚度土方開挖產(chǎn)生的平均位移量為 3.2 mm；鋼支撐架設(shè)后的土方開挖總高度為 9.7 m，圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大深層水平位移為 32.59 mm，每米厚度土方開挖產(chǎn)生的平均位移量為 3.4 mm，可見鋼管支撐開挖過程中對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的控制效果弱于混凝土支撐。

（3）監(jiān)測末期標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè) CX2 測孔最大位移發(fā)生在坑底上方約 0.5 m 處，累計量為 44.22 mm，約占基坑挖深的0.29%；西側(cè) CX34 測孔最大位移發(fā)生在坑底下方約 2.0 m處，累計量為 43.46 mm，約占基坑挖深的 0.29%。測孔最大位移統(tǒng)計見表 2。

表 2 監(jiān)測末期標(biāo)準(zhǔn)段最大深層水平位移統(tǒng)計

5.2 端頭井深層水平位移監(jiān)測

（1）端頭井基坑第 2、3、4 道鋼管撐安裝鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，采用數(shù)控泵站＋液壓千斤頂施加軸力，軸力施加值為設(shè)計軸力值，監(jiān)控主機實時監(jiān)測支撐實際軸力值及位移量。圖 3～5 為與端頭井 CX1、CX35、CX36 3 個測孔在不同工況的深層水平位移曲線，其中CX1 位于端頭井西側(cè)中部區(qū)域，CX35 位于端頭井東側(cè)中部區(qū)域，CX36 位于端頭井南側(cè)中部區(qū)域。第 1 道混凝土支撐達到強度后進行了第 2 層土方的開挖，從 3 個測孔的深層水平位移曲線可以看出，鋼支撐未架設(shè)前端頭井圍護變形曲線與標(biāo)準(zhǔn)段變形曲線形態(tài)相似，由于端頭井基坑開挖先于標(biāo)準(zhǔn)段，對標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻內(nèi)土體形成了擾動，標(biāo)準(zhǔn)段土方未開挖時已經(jīng)產(chǎn)生少量位移，因此在第 2 層土方開挖過程中標(biāo)準(zhǔn)段總體位移量大于端頭井6～7 mm。端頭井基坑平面尺寸呈南寬東西窄分布，第 2 層土方開挖過程中南側(cè)圍護表現(xiàn)處明顯大于東西側(cè)圍護的變形量，6～7 mm。

圖 3 端頭井 CX1 孔各工況深層水平位移曲線

圖 4 端頭井 CX35 孔各工況深層水平位移曲線

圖 5 端頭井 CX36 孔各工況深層水平位移曲線

（2）第 3 層土方開挖前完成了第 2 道鋼管支撐伺服系統(tǒng)安裝，實時對鋼支撐的軸力進行了補償，可以看出端頭井三側(cè)圍護在支撐底部以上的側(cè)向位移得到了明顯控制：南側(cè)及西側(cè)圍護在該層土方開挖過程中位移增量僅 2 mm，東側(cè)圍護基本未變形，支撐底部以下圍護位移有少量增加。第 4層土方開挖后坑外水土圍壓進一步增大，采用伺服系統(tǒng)增加了軸力值，東側(cè)圍護在支撐底部以上仍未變形，但南側(cè)、西側(cè)圍護出現(xiàn)了向坑外方向的位移，尤以南側(cè)寬邊最為明顯，累計位移量為負值，即支撐上部墻體在空間上向坑外壓縮土體；受坑外水土圍壓及承壓水降壓施工共同影響，該層土方開挖過程中支撐底部墻體表現(xiàn)出向坑內(nèi)的明顯位移。第 5 層土方開挖后坑外水土圍壓持續(xù)增大，第 4 道鋼支撐亦增加了軸力值，基坑三側(cè)圍護在支撐底部上方及下方均未產(chǎn)生明顯位移。

（3）從圖 3～5 可以看出，端頭井三側(cè)圍護深層水平位移拐點均出現(xiàn)在 10～11 m 深度，該深度對應(yīng)于第 4 道鋼支撐的安裝標(biāo)高，說明鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對上部圍護體的側(cè)向位移有較強的約束作用，對下部圍護體亦有明顯的變形約束作用。伺服系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)鋼支撐支護引起的圍護墻變形特性及變形量，將圍護墻的最大位移量大大減小，同時將最大變形位移量下移。端頭井的深度較標(biāo)準(zhǔn)段深1.73 m，但監(jiān)測末期的最大累計位移量要小得多，三側(cè)圍護墻深層水平位移最大量均在 21 mm左右，約占基坑挖深的0.12%。測孔最大位移統(tǒng)計見表 3。

表 3 監(jiān)測末期端頭井最大深層水平位移統(tǒng)計

5.3 坑外地表剖面沉降監(jiān)測

（1）圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移量是決定坑外剖面地表沉降量的主要影響因素，圍護滲漏引起的坑外土體固結(jié)后亦會增加地表剖面沉降量，坑外車輛、挖機、施工材料等超載同時是地表沉降不可忽視的因素。楊敏等[1]對上海軟土地基共32 個深基坑變形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析統(tǒng)計，認為坑外地表剖面最大沉降與最大深層水平位移接近；劉濤[2]對上海軌道交通一般深基坑的變形數(shù)據(jù)進行了關(guān)聯(lián)統(tǒng)計，認為坑外地表剖面最大沉降與最大深層水平位移比值大部分落在 0.9～1.0 區(qū)間。

（2）本項目在端頭井及標(biāo)準(zhǔn)段坑外各選擇 1 個地表沉降剖面的實測數(shù)據(jù)繪制其歷時過程曲線，見圖 6、圖 7。其中：DB21 為端頭井坑外地表沉降剖面，DB2 為標(biāo)準(zhǔn)段坑外地表沉降剖面。

朇 6 DB21 妵面帟測點沉降崁雝過程線

朇 7 DB2 妵面帟測點沉降崁雝過程線

（3）DB21 斷面位于基坑最南側(cè)，緊鄰工地大門，土方運輸車輛往來頻繁，且混凝土支撐施工用鋼筋及鋼管撐堆放于地表，形成了較大的坑外超載，導(dǎo)致基坑開挖前地表已有明顯沉降，至第 3 層土方開挖完成后最大地表沉降已達25.41 mm，較對應(yīng)圍護最大深層水平位移大約 10 mm；后續(xù)土方開挖過程中，坑周材料超載移除，地表沉降速率得到了有效控制，至土方開挖完成階段最大沉降量增加僅 12 mm，對應(yīng)圍護最大深層水平位移增加 13 mm，可見控制圍護深層水平位移對控制地表沉降的重要性。

（4）DB2 斷面位于標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè)，地表僅有少量鋼筋及鋼管撐等施工材料超載，土方運輸車輛少，地表剖面沉降主要由圍護深層變形引起，基坑開挖前最大沉降僅 10 mm 左右，地表沉降主要發(fā)生基坑土方開挖階段，且在深部土方開挖過程中的地表沉降速率要大于淺部土方開挖速率，與圍護深層水平位移變形速率關(guān)聯(lián)性較強。基坑底板澆筑完成后，圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移逐漸收斂，坑外土體進入次固結(jié)階段，地表剖面沉降逐漸收斂。至監(jiān)測末期，剖面最大沉降量為 40.87 mm，對應(yīng)圍護最大深層水平位移為 44.22 mm，前者與后者比值為 0.92，與楊敏、劉濤的統(tǒng)計基本一致。

6 結(jié) 語

（1）支撐體系作為控制圍護結(jié)構(gòu)變形的重要桿件，其軸力值決定了圍護變形值的大小。軸力值過大支撐存在失穩(wěn)風(fēng)險，軸力值過小將引起圍護變形過大。傳統(tǒng)支撐預(yù)應(yīng)力施加后損失明顯，復(fù)加效果一般難以達到設(shè)計要求，采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)自動控制支撐軸力值可較好地解決這一問題，軸力衰減后可實時補償，有效控制圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。建筑物密布的中心城區(qū)實施軌道交通車站建設(shè)時應(yīng)采用該系統(tǒng)控制周邊環(huán)境的安全。

（2）鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)軸力值控制應(yīng)以圍護變形值為依據(jù)，同時兼顧支撐自身抗彎能力。基坑土方開挖過程中應(yīng)結(jié)合工況及時關(guān)注圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移及周邊地表、建構(gòu)筑物及市政管線的變形，驗證實時軸力值的準(zhǔn)確性與可靠性，有效控制基坑本體與環(huán)境變形。