鋼支撐伺服系統對基坑圍護結構水平位移控制的技術研究

朱文霞ZHU Wen-xia；何建峰HE Jian-feng；姜克寒JIANG Ke-han

（①長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 410000；②中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410000）

0 引言

在地鐵設計過程中，對于基坑安全一直是重中之重，尤其是在中心城區范圍，周邊建設環境復雜，除了滿足深基坑本身的強度和安全穩定外，還需要控制深基坑開挖所帶來的變形以及產生的坑外地層沉降，以滿足周邊環境的保護要求。一些復雜項目的基坑開挖在施工過程中對圍護結構的位移和變形控制要求更高。為達到相關的保護要求，在常規技術領域采取了各種方式進行實踐，如加強支撐剛度、對被動區土體進行加固、增加圍護結構嵌入深度。但以上方式普遍存在造價高、材料浪費、施工步驟繁瑣以及施工過程不易把控等問題。

基于上述情況，能夠實時可視化管理的鋼支撐自動應力伺服補償系統被大量運用。鋼支撐伺服系統，作為一項先進的基坑工程施工技術，憑借其結構組成簡單、施工操作方便、能夠實現重復利用等特點，在深基坑工程中逐步廣泛運用。根據相關統計研究表示：伺服液壓系統對于控制基坑變形有著較為明顯的效果，基坑內采用伺服鋼支撐越多，基坑變形控制越有利。

1 伺服液壓系統介紹

對于一般的鋼支撐，基坑在開挖過程中，鋼支撐在受力過程中不可避免地會出現一定程度應力松弛帶來的軸力損失，需要對其復加軸力。鋼支撐在受到圍護結構擠壓時無法保證軸力的穩定，需要人工進行逐個測量，在軸力不足時需要通過打入鋼楔塊進行補償，耗時又費力。而且鋼支撐補償具有滯后性，補償時圍護結構的位移無法得到控制。

圖1 常規鋼支撐形式

不同于傳統鋼支撐模式，支撐軸力伺服系統是由硬件設備和軟件程序共同組成的一套智能基坑水平位移控制系統，它適用于基坑開挖過程中對基坑側壁的變形有嚴格控制要求的工程項目，可以24 小時實時監控，低壓自動伺服、高壓自動報警，對基坑提供全方位多重安全保障。

本工程采用的TH-AFS（A）支撐軸力伺服系統的硬件部分主要由程控主機、數控泵站、支撐頭總成三部分組成。數據泵站作為中間紐帶將程控主機和支撐頭總成連接起來，在兩者之間進行信息的傳遞，實現人對鋼支撐軸力的測控。（如圖2）

圖2 支撐軸力伺服系統

該系統具有如下特點：

①可實現支撐軸力實時全自動監測及補償；②采用分離式雙機械鎖作為突發狀況時的系統安全保障；③伺服系統組成簡單，施工安裝、拆卸便捷；④采用變頻電機調整液壓油流量，無需安裝比例溢流閥，系統失效可能性減小；⑤可實現24h 全天候遠程網絡監控及預警。

2 工程概況

花橋站為長沙地鐵6 號線第23 個站，本站位于人民東路與白沙灣路交叉十字路口，沿人民東路東西向布置于交叉口東南側。本站施工工法采用明挖順作法，為地下兩層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結構。車站總長度為240.4m，標準段寬度（含主體結構）為21.1m。基坑深度約為17.9~21.3m。車站主體基坑采用地下連續墻+內支撐的圍護結構形式，其中第一道支撐采用混凝土支撐，第二、三道支撐采用鋼支撐。

#83 號鐵塔地面部分距離車站約30m，超過1.5 倍基坑深度，車站施工時可不采取措施。#057 電塔基礎為四個臺階式基礎，基礎底埋深2.9m，基礎底部平面尺寸為4.2m×4.2m，基礎采用C15 混凝土，2002 年竣工。#057 鐵塔地面部分距離花橋站圍護結構距離為3.56~5.77m，基礎底部距離花橋站圍護結構距離為0.4~4.65m。電塔處車站基坑地層由上而下依次為（1-2）雜填土、（1-6）粉質粘土、（1-11）圓礫、（8-2）中風化泥質粉砂巖。其中電塔基礎位于粉質粘土層，車站基底位于中風化泥質粉砂巖中。

車站主體基坑安全等級為一級，變形控制保護等級為一級。基坑圍護結構水平位移應控制在min（30mm，0.25%H）以內；地面沉降控制在min（30mm，0.15%H）以內。結合本站所處環境、工程地質、水文地質，經計算分析、技術經濟綜合比較，本站主體圍護結構采用800mm地下連續墻+內支撐系統支護形式。地下連續墻厚800mm，第一道支撐采用混凝土支撐（700×900），第二、三道支撐均采用單根鋼支撐（φ609，t=16mm）。基坑內角部各支撐平面內均設置角撐。

在57#電塔附近區域基坑范圍，為了控制地表變形沉降，保證電塔安全，第一道混凝土支撐間距采用6.75m，其余段支撐間距8.0m，鋼支撐采用伺服液壓補償系統，間距2m。

3 有限元分析

本次分析采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件PLAXIS2D，建立二維平面應變單元模擬計算基坑開挖過程中基坑及周邊建筑物的變形，土體本構模型選用摩爾庫倫模型。

土層的物理力學參數根據勘察資料進行選取，如表1所示。

表1 土層基本參數表

根據花橋站與電塔的空間關系，本次計算選取一個典型斷面進行分析。基坑設置3 道支撐：1 道砼支撐，2 道鋼支撐。將電塔臺階基礎等效為板，施加均布荷載作為上部結構荷載傳遞。

根據計算結果，開挖至基底時，圍護結構最大水平位移為13.51mm，地表最大豎向位移13.54mm 均滿足一級基坑控制標準。地表沉降變形圖如圖3 所示。

圖3 地表沉降變形圖

4 理論計算值與實測值的對比分析

本工程基坑于2019 年4 月24 日開挖至基底，于2019 年5 月26 日完成中板澆筑，根據基坑開挖期間的監測數據，選取幾個關鍵時間節點的監測數據分析，分別是：開挖至基底、底板施工完成、第三道伺服支撐拆除，測斜孔深層水平位移曲線變化如圖4~圖5 所示。

圖4 底板澆筑時深層水平位移曲線

圖5 第三道伺服支撐拆除時深層水平位移曲線

通過將實測數據與有限元模擬結果對比發現：

①實測數據指標相對比理論計算值偏大，主要原因是理論模型偏理想化，模型單元按照各向同性考慮，而土層參數與實際工程存在無法消除的誤差。另外在進行實際開挖時，對土體產生的擾動程度是無法準確模擬的。

②圍護結構水平位移變化的整體變化趨勢：理論計算與實測基本吻合，最大變形位置基本靠近第二道支撐標高附近。根據以往對基坑變形的研究，我們發現隨著基坑開挖深度的增加，剛性墻體繼續表現為向基坑方向內的三角形水平位移，本工程的水平位移變化也符合此規律。

③基坑開挖具有明顯的時空效應，采用伺服液壓系統也是對時空效應的一種動態匹配，根據實測數據，在基坑開挖至基底的過程中，土體卸荷一直進行，伺服系統持續工作，能通過液壓系統自主調節軸力，使地連墻變形發生回彈。在卸荷完成后，圍護結構變形穩定，已基本收斂，能夠有效的控制基坑變形。

5 結論

①根據實測結果及數值模擬結果，鋼支撐伺服系統對圍護結構側向變形及周邊建構筑物沉降能產生有效的控制。對于周邊環境復雜，變形控制要求高的基坑工程，采用鋼支撐伺服系統是一項重要的技術手段。

②數值模擬結果雖然偏理論化，但整體變化趨勢與實際情況有較高的吻合度，在后續項目中，可根據具體基坑工程的特點，結合數值模擬結果，合理布置支撐體系，通過針對性的布置，一方面能夠降低成本，另一方面也能滿足變形控制要求。