地鐵深基坑鋼支撐伺服軸力閥值研究

摘" 要：以杭州典型淤泥質黏土和粉質黏土中應用鋼支撐軸力伺服系統為背景，對應用伺服系統時地表沉降和深層水平位移特性方面開展研究，通過Plaxis有限元分析，提出鋼支撐軸力閥值概念。結果表明，應用伺服系統時基坑能有效減小圍護結構的變形，淤泥質黏土的軸力閥值比粉質粘土更大。文中結論可為鋼支撐軸力閥值設置提供支撐，對工程具有較好的實用價值。

關鍵詞：基坑工程；鋼支撐軸力閥值；圍護結構變形；地鐵；伺服系統

中圖分類號：U231.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0009-04

Abstract： Based on the application of steel support axial force servo system in typical muddy clay and silty clay in Hangzhou， the characteristics of surface settlement and deep horizontal displacement are studied. Through Plaxis finite element analysis， the concept of steel support axial force threshold was proposed. The results show that the foundation pit can effectively reduce the deformation of the retaining structure when using the servo system， and the axial force threshold of muddy clay is larger than that of silty clay. The conclusion of this paper can provide support for the setting of steel support axial force threshold and has good practical value for engineering.

Keywords： foundation pit engineering; steel support axial force threshold; deformation of retaining structure; metro; servo system

傳統的預應力鋼支撐普遍存在軸力損失問題，使得圍護結構很難滿足一些變形要求較高的工程，為解決這一問題，人們開發了鋼支撐軸力伺服系統。賈堅等[1]于2009年研發了鋼支撐軸力伺服系統，并成功應用于上海會德豐廣場深大基坑工程中，結果表明，該系統可將基坑圍護結構及地鐵隧道變形控制在設定目標內，保證了緊鄰運營地鐵安全。趙自強[2]以上海某軌道交通深基坑工程為例，運用伺服鋼支撐將基坑最大變形控制在相對開挖深度的0.7‰以內。黃亮亮[3]和陳金銘等[4]將伺服鋼支撐與普通鋼支撐進行對比分析，表明采用伺服鋼支撐能夠減小基坑變形，降低對周邊環境的影響。陳保國等[5]研究了內支撐體系、地連墻和墻后土體之間的協調變形特性，結果表明，實際工程中并非基坑水平位移控制越嚴格，支護體系就越安全，而是應合理控制內支撐伸縮長度，并加強支撐軸力和位移監測。Nangulama等[6]發現逐級增加鋼支撐伺服軸力對提高鋼支撐軸向承載能力和控制圍護結構變形具有重要意義。張秀川等[7]對鋼支撐軸力伺服系統在深基坑中的應用進行總結，結合實測數據分析其實用性，并提出了施工過程中的注意事項。Di等[8]對比分析了液壓伺服鋼支撐和普通鋼支撐的變形控制效果，結果表明，與普通鋼支撐相比液壓伺服鋼支撐具有優越的支撐效果。

在工程實踐中，鋼支撐伺服閥值基本上以經驗為主，對設置方法研究較少。本文以杭州典型粉質粘土和淤泥質黏土為對象，應用數值模擬對鋼支撐伺服軸力閥值展開研究，為工程設計和施工提供理論依據和參考。

1" 鋼支撐極限承載力的確定

理論上鋼支撐對圍護結構施加的力越大圍護結構的變形會越小，但是軸力應小于鋼支撐的極限承載力。依據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[9]可得鋼支撐的極限承載力應滿足

Nmax=φAfy" ，" " " " " "（1）

式中：Nmax為構件極限承載力；φ為構件穩定系數，其值根據鋼支撐長細比、鋼材屈服強度、截面分類確定；A為鋼支撐截面面積；fy為鋼材的屈服強度。

工程中鋼支撐主要采用609 mm（外徑）×16 mm（壁厚）和800 mm（外徑）×16 mm（壁厚）規格。依托杭州武林門地鐵基坑，鋼支撐長度取為22.4 m，根據《鋼結構設計標準》[9]，2種規格鋼支撐的φ值分別取0.59和0.77，將各參數代入式（1）中得609 mm×16 mm規格的鋼支撐極限承載力為4 108 kN，800 mm×16 mm規格的鋼支撐極限承載力為7 199 kN。設計中一般取安全系數為0.6，則極限承載力分別為2 465 kN和4 319 kN，該值作為鋼支撐軸力閥值的上限。

2" 鋼支撐伺服軸力閥值研究

2.1" 工程概況

依托杭州武林門地鐵車站基坑建立有限元模型。該車站主體長178 m，標準段基坑寬度為22.4 m，深度約為25.0 m，頂板覆土約為3.6 m。該站主體圍護采用1.2 m厚地下連續墻，墻底入中風化凝灰巖2.0～5.6 m。基坑共設置8道支撐，第一、三、六道為1.0 m×1.0 m截面的鋼筋混凝土支撐，第二道為鋼支撐（直徑為φ609 mm，厚度為16 mm），第四、五道為鋼支撐（直徑為φ800 mm，厚度為16 mm），第七、八道為鋼支撐（直徑為φ800 mm，厚度為20 mm）。

2.2" 模型參數確定

杭州常見的典型地層為淤泥質黏土和粉質黏土，對這2種地層條件下圍護結構變形展開研究。首先以實際地層（淤泥質黏土）對模型進行校正，以此為基礎將原地層中的淤泥質黏土替換成粉質黏土，并依托該地鐵車站標準段基坑進行數值模擬分析。

地層分布如圖1所示，其中左側地層分布是實際地層，為典型淤泥質黏土，右側地層為粉質黏土。應用有限元軟件Plaxis建立數值模型，土體采用小應變硬化（HS-Small）模型，本構模型參數見表1。基坑開挖深度為25 m，地連墻采用板單元，線彈性模型，厚度為1.2 m；混凝土支撐采用梁單元，截面尺寸為1.0 m×1.0 m，鋼支撐采用點對點錨桿單元，均取800 mm×16 mm規格的鋼支撐，結構與土體接觸采用界面單元模擬。采用三道混凝土支撐加五道鋼支撐的形式，基坑典型斷面如圖1所示。

2.3" 有限元模型有效性驗證

圖2是實際地層條件下地連墻水平位移模擬結果與實測值比較。由圖2可知，地下連續墻水平位移的模擬值和實測值基本吻合，兩者變化趨勢一致，說明土體采用的本構模型能很好地模擬出地下連續墻的水平位移，驗證了計算模型的有效性。

2.4" 普通預應力鋼支撐數值模擬

1）在典型淤泥質黏土條件下，建立數值計算模型，分析開挖過程中支撐軸力、地表沉降和圍護結構變形變化過程。各道支撐軸力發展過程如圖3所示。由圖3可知，預應力鋼支撐軸力普遍在2 200 kN左右，遠小于800 mm×16 mm規格的鋼支撐極限承載力（4 319 kN，見前述）。地表沉降最大值和地連墻水平位移最大值發展過程如圖4所示。由圖4可知，地連墻最大水平位移為72.5 mm，地表沉降最大值為59.8 mm，地連墻水平位移和地表沉降均較大。

在典型粉質黏土條件下，建立數值計算模型，分析過程與典型淤泥質黏土地層條件相同。經分析可見，普通預應力鋼支撐軸力基本上在2 000 kN左右，未能充分利用鋼支撐性能，地連墻水平位移達到64 mm，地表沉降最大值為49.0 mm，變形較大。

基于以上2個典型土層的數值分析可以得出，普通預應力鋼支撐無法滿足變形控制要求高的基坑，但鋼支撐伺服軸力閥值一直沒有明確的規定，工程多憑借經驗確定，以下對鋼支撐伺服系統軸力閥值開展研究。

2.5" 典型土層軸力閥值設置

2.5.1" 軸力閥值內涵

依據規范[10]，基坑圍護結構變形與開挖深度比值小于0.2%H（H為開挖深度），將其設為圍護結構目標變形值，取剛好滿足該水平位移下的鋼支撐軸力為其閥值。同時該閥值的限定條件是要小于極限承載力。

2.5.2" 軸力閥值的確定

以開挖深度為25 m的基坑為例，典型淤泥質黏土和粉質粘土條件下建立有限元模型，得到伺服軸力閥值見表2。

由表2可見，淤泥質黏土地層條件下基坑鋼支撐軸力閥值比粉質黏土條件下稍大。這是由于淤泥質黏土土質比粉質黏土稍差，圍護結構會產生更大的變形，需要更大的伺服軸力控制變形。

2.5.3" 軸力閥值作用下地連墻位移分析

各道鋼支撐軸力設置為表2中的閥值，典型地層為粉質黏土和淤泥質黏土時地連墻水平位移，如圖5所示。由圖5可見，粉質粘土基坑的地連墻最大水平位移由普通鋼支撐時的64.12 mm減少到49.53 mm，減少了14.59 mm，減少22.8%；淤泥質黏土基坑的地連墻最大水平位移由普通鋼支撐時的72.51 mm減少到49.21 mm，減少了23.3 mm，減少32.13%。通過主動調控軸力，2種工況下圍護結構最大變形均小于規范值50.0 mm，說明軸力伺服系統能有效地減少地連墻的變形。

3" 結論

通過對杭州典型地質條件下的淤泥質黏土和粉質黏土深基坑開挖的分析，可以得到如下結論。

1）伺服鋼支撐軸力設為其閥值能明顯減小圍護結構的變形，在變形控制嚴格的基坑工程中采用伺服鋼支撐系統，并將軸力設為閥值可以取得良好圍護效果。

2）土質越差，需要的軸力閥值越大。軸力閥值的大小應根據具體工程的工況進行研究。

參考文獻：

[1] 賈堅，謝小林，羅發揚，等.控制深基坑變形的支撐軸力伺服系統[J].上海交通大學學報，2009，43（10）：1589-1594.

[2] 趙自強.深基坑自動伺服系統應用的變形控制分析[C]//第十五屆全國工程物探與巖土工程測試學術大會論文集，2017：6.

[3] 黃亮亮.鋼支撐自動伺服系統對周邊環境的影響實測與分析[J].建筑施工，2015，37（8）：1014-1016.

[4] 陳金銘，狄宏規，宣煒，等.寧波市軌道交通海晏北路換乘站基坑支撐優化與分析[J].城市軌道交通研究，2021，24（3）：22-25.

[5] 陳保國，閆騰飛，王程鵬，等.深基坑地連墻支護體系協調變形規律試驗研究[J].巖土力學，2020，41（10）：3289-3299.

[6] NANGULAMA H K， JIAN Z， XIAO Z， et al. Stage-by-stage control effect field analysis of steel material servo enhanced support system on lateral displacement and bending moment during deep basement excavation[J]. Case Studies in Construction Materials， 2022.

[7] 張秀川，鄭彬，閆磊，等.伺服系統鋼支撐同步施工技術在臨近地鐵狹長深基坑中的應用[J].施工技術，2016，45（19）：23-26.

[8] DI H， GUO H， ZHOU S， et al. Investigation of the axial force compensation and deformation control effect of servo steel struts in a deep foundation pit excavation in soft clay[J]. Advances in Civil Engineering， 2019.

[9] 中華人民共和國住房與城鄉建設部.鋼結構設計標準：GB 50017—2017 [S].2018.

[10] 基坑工程技術標準：DG/TJ 08-61-2018[S].上海：同濟大學出版社，2018.