基坑主動(dòng)變形控制-軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用探討

周 勇，楊紅坡

(深圳市巖土工程有限公司，廣東 深圳 518028)

采用預(yù)應(yīng)力加固的內(nèi)支撐支護(hù)體系，通常認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力鋼支撐，具有提供主動(dòng)抗力、減小基坑變形、支撐安裝和拆卸方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在城市建設(shè)基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)力度逐漸加大，一方面基坑深度越來(lái)越深，鋼支撐的剛度和抗壓承載能力有限，已不能滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求；另一方面基坑周邊環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，地下管線密布，尤其是地下交通工程發(fā)展建設(shè)，對(duì)基坑變形控制要求越來(lái)越嚴(yán)格。

傳統(tǒng)的混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系屬于被動(dòng)變形控制，根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[1](以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)，支撐無(wú)預(yù)加力時(shí)，只有當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)支點(diǎn)處發(fā)生變形時(shí)，支撐才會(huì)產(chǎn)生支反力以抵抗變形。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2-3]的研究，基坑開(kāi)挖完成后最終呈現(xiàn)類(lèi)似“大肚狀”的變形形態(tài)，隨著基坑開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸累計(jì)增大。對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)支撐支護(hù)體系控制基坑開(kāi)挖變形的問(wèn)題，已有學(xué)者研究獲得了具有價(jià)值的成果，如潘駿等研究表明支撐截面增大能減小支護(hù)樁最大水平位移，但增大至某一值后對(duì)位移減小作用不大[4]；趙升峰研究表明增大支撐截面或增大支護(hù)樁徑均能使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形減小[5]；崔自治應(yīng)用桿系有限元法研究表明支撐存在一個(gè)臨界剛度，當(dāng)支撐剛度達(dá)到臨界剛度后，支撐剛度的變化對(duì)支護(hù)樁的內(nèi)力和位移幾乎沒(méi)有影響[6]。從以往研究成果來(lái)看，都是通過(guò)增大支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的方法來(lái)控制基坑最大變形[7]，如增大支護(hù)樁直徑、增大支撐截面、增加支撐層數(shù)等措施，基本也能滿足常規(guī)一級(jí)基坑變形控制要求，但是對(duì)于某些超一級(jí)的基坑工程，傳統(tǒng)的混凝土內(nèi)支撐體系難以達(dá)到要求，而無(wú)限制的增加支撐層數(shù)又非常影響施工效率和成本。因此，有必要在傳統(tǒng)混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系中引入主動(dòng)變形控制措施。

本文對(duì)主動(dòng)變形控制原理和軸力伺服系統(tǒng)工作機(jī)制進(jìn)行探討，并依托實(shí)際工程，建立數(shù)值模型，對(duì)比分析考慮施工順序的伺服軸力取值方案以及軸力伺服系統(tǒng)對(duì)基坑變形控制的效果，以期得到伺服軸力與支撐剛度兩者之間的影響關(guān)系，更好地服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。

1 主動(dòng)變形控制原理

根據(jù)規(guī)范，內(nèi)支撐支反力按下式確定：

Fh=kR(vR-vR0)+Ph

(1)

Δx=(vR-vR0)

(2)

其中，F(xiàn)h為支點(diǎn)處支反力；kR為支點(diǎn)剛度系數(shù)；vR為支點(diǎn)處的水平位移值；vR0為支點(diǎn)的初始水平位移值；Ph為預(yù)加力；Δx為支撐安裝后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的支點(diǎn)處位移。

由式(1)，式(2)可知支點(diǎn)處水平位移增量值：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)需要減小Δx時(shí)，可以采取增大剛度kR或者增大預(yù)加力Ph的方法。

2 軸力伺服系統(tǒng)工作機(jī)制

基坑工程按照施工順序，根據(jù)內(nèi)支撐層數(shù)和地下結(jié)構(gòu)層數(shù)會(huì)形成若干個(gè)施工工況，目前普遍使用增量法[8]進(jìn)行研究。眾所周知，在基坑開(kāi)挖階段均采用先挖后撐的施工工序，各層支撐安裝前擋土結(jié)構(gòu)均存在一個(gè)初始變形Δxi0，每次開(kāi)挖被動(dòng)區(qū)卸荷相當(dāng)于主動(dòng)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)土壓力增量ΔEak，使擋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)大小不等的增量變形Δxi，在回筑階段每層支撐拆除時(shí)支撐應(yīng)力釋放，均會(huì)使擋土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一個(gè)大小不等的增量變形Δyi。

TOT模式是指:政府將已投入使用的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)權(quán)移交給私營(yíng)企業(yè)，并在特許經(jīng)營(yíng)期內(nèi)從私營(yíng)企業(yè)獲取利潤(rùn)用于建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目;特許經(jīng)營(yíng)期滿后，私營(yíng)企業(yè)無(wú)償將設(shè)施的經(jīng)營(yíng)權(quán)交還給政府。TOT模式由于不涉及建造環(huán)節(jié)故前期工作量較少，運(yùn)作程序亦相對(duì)簡(jiǎn)化，而且該模式僅轉(zhuǎn)讓線路的經(jīng)營(yíng)權(quán)，沒(méi)有涉及產(chǎn)權(quán)、股權(quán)的變更，可有效減少政府和民間資本合作糾紛，也保證了政府對(duì)鐵路這一特殊基礎(chǔ)設(shè)施的所有權(quán)，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，相應(yīng)投資收益也較低，且國(guó)有資產(chǎn)的評(píng)估易造成國(guó)有資產(chǎn)的流失，因此該模式通常應(yīng)用于經(jīng)營(yíng)性非新建項(xiàng)目。

若要控制基坑支護(hù)全生命周期的總變形，必須控制每一個(gè)工況下的初始變形Δxi0、增量變形Δxi和Δyi。軸力伺服系統(tǒng)則根據(jù)基坑變形特征，結(jié)合每一個(gè)工況對(duì)開(kāi)挖面以上各支點(diǎn)的影響，提前一個(gè)工況調(diào)整各層伺服力從而調(diào)整支撐軸力，以平衡下一個(gè)施工工況產(chǎn)生的增量效果，達(dá)到控制擋土結(jié)構(gòu)變形的目的。軸力伺服系統(tǒng)由伺服箱體、壓力調(diào)控箱以及室內(nèi)線上管理系統(tǒng)組成，伺服箱體與傳統(tǒng)鋼筋混凝土內(nèi)支撐變形控制端連接，其支護(hù)模型如圖1所示。

圖1中各參數(shù)滿足以下平衡關(guān)系：

Fhi=Nki0+Ji=kri×Δxri=Hki

(4)

軸力伺服后的支撐軸力為：

Tki=Nki0+Ji=kri×Δxi+Ji

(5)

其中，kri為第i層支撐剛度系數(shù)；Δxri為第i層支撐總彈性變形；Fhi為第i層支撐支反力；Nki0為第i層支撐增量變形為Δxi時(shí)對(duì)應(yīng)的支撐軸力；Δxi為第i層支點(diǎn)處的增量變形；Ji為伺服系統(tǒng)施加的伺服力；Hki為第i層支撐段擋土結(jié)構(gòu)上的土體壓力；Tki為第i層支撐軸力。

3 伺服軸力取值方法

軸力伺服系統(tǒng)在工作時(shí)須同時(shí)滿足兩個(gè)必要條件：

條件一：最大伺服力Jmax≤伺服系統(tǒng)額定承載力設(shè)計(jì)值Rd。

條件二：支撐總壓縮變形Δxri≤伺服系統(tǒng)內(nèi)置千斤頂?shù)挠行谐苔i。

在應(yīng)用過(guò)程中，充分利用軸力伺服作用使擋土結(jié)構(gòu)變形滿足要求。根據(jù)式(4)和式(5)可知，調(diào)整kri或Ji均可以平衡土體壓力，但Ji的影響力度比kri大得多，在擋土結(jié)構(gòu)增量變形恒定時(shí)，伺服軸力的取值與支撐剛度呈負(fù)相關(guān)。

按基坑施工工序，每層支撐完成后在下一個(gè)工況時(shí)產(chǎn)生支反力，以此支反力作為本層支撐的初步伺服軸力參與分析計(jì)算，進(jìn)而得到相應(yīng)的內(nèi)力和變形增量，根據(jù)變形情況判定伺服軸力是否合適，否則調(diào)整伺服軸力后重新分析計(jì)算，依此直到伺服軸力取值合理。同理，可以確定往后各工況下本層支撐的伺服軸力。最終以施工工況為橫坐標(biāo)，伺服軸力為縱坐標(biāo)，可以得到本層支撐在其全生命周期的伺服曲線。

4 算例分析

4.1 工程概況

深圳市南山區(qū)某項(xiàng)目，基坑呈矩形，東西長(zhǎng)118 m，南北寬74 m，基坑支護(hù)長(zhǎng)約370 m，開(kāi)挖面積約8 451 m2，設(shè)置6層地下室，基坑開(kāi)挖深度38.95 m～42.25 m。

基坑北側(cè)緊靠地鐵11號(hào)線和9號(hào)線，北側(cè)地下室外墻距地鐵11號(hào)線右線隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近約4.4 m，隧道埋深17 m～21.9 m，位于基坑半腰位置，基坑總平面圖如圖2所示。按深圳市地鐵集團(tuán)的要求，隧道變形控制值10 mm，基坑支護(hù)擋土結(jié)構(gòu)變形控制值20 mm，需嚴(yán)格控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑施工的變形對(duì)地鐵的影響。

4.2 地質(zhì)條件

項(xiàng)目位于深圳灣濱海軟土區(qū)，場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化球(孤石)發(fā)育，基巖埋深起伏大，地理環(huán)境特殊，工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件復(fù)雜。具體巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 支護(hù)形式及設(shè)計(jì)參數(shù)選取

基坑采用地下連續(xù)墻配合八道鋼筋混凝土內(nèi)支撐擋土，北側(cè)和東西側(cè)地連墻厚1.5 m，南側(cè)地連墻厚1.2 m，地連墻兼作地下室外墻，有效墻深約53 m。為減小地連墻施工對(duì)地鐵隧道的影響，北側(cè)地連墻外側(cè)提前設(shè)置一排1.2 m直徑的葷素咬合隔離樁，為控制基坑施工對(duì)地鐵隧道的影響，北側(cè)第3道～第7道內(nèi)支撐引入軸力伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)間距2.0 m，承載能力設(shè)計(jì)值5 000 kN，總行程200 mm。

設(shè)計(jì)計(jì)算取2個(gè)超載，其中一個(gè)15 kPa條形荷載，臨基坑邊，寬18 m，一個(gè)為道路荷載25 kPa。基坑支護(hù)平面布置如圖3所示，北側(cè)支護(hù)剖面布置情況如圖4所示。

4.4 計(jì)算模型工況

根據(jù)施工順序，不計(jì)地連墻和隔離樁施工工況，本工程全生命周期一共有31個(gè)工況，具體如下：

工況一：開(kāi)挖第一層土方；工況二：施工第一道支撐；工況三：開(kāi)挖第二層土方；工況四：施工第二道支撐；工況五：開(kāi)挖第三層土方；工況六：施工第三道支撐；工況七：開(kāi)挖第四層土方；工況八：施工第四道支撐；工況九：開(kāi)挖第五層土方；工況十：施工第五道支撐；工況十一：開(kāi)挖第六層土方；工況十二：施工第六道支撐；工況十三：開(kāi)挖第七層土方；工況十四：施工第七道支撐；工況十五：開(kāi)挖第八層土方；工況十六：施工第八道支撐；工況十七：開(kāi)挖到基坑底；工況十八：B6底板施工；工況十九：拆除第八道支撐；工況二十：B5層地下室施工；工況二十一：拆除第七道支撐；工況二十二：B4層地下室施工；工況二十三：拆除第六道支撐；工況二十四：拆除第五道支撐；工況二十五：B3層地下室施工；工況二十六：拆除第四道支撐；工況二十七：B2層地下室施工；工況二十八：拆除第三道支撐；工況二十九：B1層地下室施工；工況三十：拆除第二道支撐；工況三十一：拆除第一道支撐。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)第八道支撐未設(shè)置伺服系統(tǒng)，根據(jù)計(jì)算分析，在第七道支撐支點(diǎn)處總變形接近零時(shí)，第十五和十七兩個(gè)開(kāi)挖工況下產(chǎn)生的初始位移為14 mm，之后第十九和二十一兩個(gè)拆撐工況下產(chǎn)生的增量變形3.4 mm，此時(shí)累計(jì)最大水平位移已達(dá)到17.4 mm，接近控制值20 mm，因此，可以認(rèn)為第十四工況前的所有工況及后續(xù)拆換撐工況的擋土結(jié)構(gòu)變形應(yīng)按接近零控制。

根據(jù)前文伺服軸力取值方法，以第四道支撐作為研究對(duì)象，對(duì)比不同支撐剛度系數(shù)時(shí)伺服軸力的取值結(jié)果。圖5為不同支撐剛度下第四道支撐在各工況的支點(diǎn)處水平位移控制值。圖6為不同支撐剛度下第四道支撐的伺服軸力曲線。由圖6看出，伺服軸力在開(kāi)挖加撐工況時(shí)逐漸減小，在拆換撐工況時(shí)逐步增大，呈下拋線形態(tài)，變化幅度隨支撐剛度增大而增大，K=50 MN/m2時(shí)變化幅度為45.8%，K=130 MN/m2時(shí)變化幅度為62.5%，不同支撐剛度時(shí)的初始伺服力和最終伺服力差異很小，每級(jí)剛度之間相差約1.47%～1.87%。根據(jù)式(5)，伺服軸力的變化同時(shí)也反映出第四道支撐軸力的變化情況。

伺服支撐層取剛度K=50 MN/m2對(duì)基坑整體進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算參數(shù)和結(jié)果如表2所示，并且得到伺服前后擋土結(jié)構(gòu)在基坑全生命周期的變形曲線如圖7所示。

表2 伺服系統(tǒng)支撐層計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，支撐剛度為50 MN/m2時(shí)，最大伺服軸力1 600 kN/m，遠(yuǎn)小于伺服系統(tǒng)承載力設(shè)計(jì)值，支撐壓縮變形量最大39.4 mm，遠(yuǎn)小于伺服系統(tǒng)的有效行程，可以進(jìn)一步減小支撐剛度，縮減成本。

由圖7可以看出，無(wú)軸力伺服時(shí)，擋土結(jié)構(gòu)最大變形已接近50 mm，且變形最大位置在25 m深度，對(duì)基坑外臨近地鐵的影響最大；采取軸力伺服時(shí)，擋土結(jié)構(gòu)最大變形在20 mm以內(nèi)，且變形最大位置在35 m深度左右，滿足變形控制要求，有效減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

5 結(jié)論

采用彈性地基梁法結(jié)合增量法，對(duì)考慮施工順序時(shí)伺服軸力取值結(jié)果進(jìn)行分析，初步得到以下結(jié)論：

1)在鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系中引入軸力伺服系統(tǒng)，可以按需求主動(dòng)控制基坑全生命周期各工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，有效控制基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。2)引入軸力伺服系統(tǒng)后，支撐的剛度不再作為基坑變形的控制條件，支撐截面尺寸以強(qiáng)度控制原則進(jìn)行選擇。3)支撐剛度的變化主要影響本層支撐在其以下開(kāi)挖加撐工況和拆換撐工況時(shí)的伺服軸力，對(duì)初始伺服力和最大伺服力基本沒(méi)有影響。4)在滿足伺服系統(tǒng)工作時(shí)的兩個(gè)必要條件下，可以選用最小剛度的內(nèi)支撐體系節(jié)省成本。