自鎖式鋼支撐軸力伺服系統在鄰近運營線路基坑中的應用

常會平

摘要 文章基于蘇州某鄰近既有地鐵臨近既有運營線路軟土基坑實例，對基坑周邊沉降及圍護結構深層水平位移的實測變形結果進行分析。結果表明：基坑開挖會對鄰近既有地鐵結構產生影響，尤其以豎向位移較為顯著；自鎖式鋼支撐軸力伺服系統可以有效減小支撐軸力的損失，控制基坑變形；在基坑施工期間，臨近既有運營線路的基坑變形均在安全范圍內，確保了既有運營線路地鐵結構的安全。

關鍵詞 既有運營線路 軟土基坑 軸力伺服系統 變形監測

中圖分類號 TU753文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0044-04

0 引言

隨著全國各個城市地鐵建設的快速推進城市內原有的“一字形”或“十字形”地鐵線路加速成網，變成了換乘站或軌道交通樞紐。后期實施的地鐵線路在與初期修建的線路對接時就出現了臨近既有運行線路施工的問題。地鐵車站深基坑作業本就是超規模的危大工程，基坑內土體的開挖，導致基坑周邊土體和圍護結構本身的位移和應力出現變化，隨著進一步的發展若得不到控制會導致基坑附近的地表沉降、管線的沉降、地連墻側向變形和坑底土體隆起等異常情況，再加上臨近既有運營線路，如果基坑變形控制不良對既有車站和隧道區間產生影響，后果將不堪設想。因此，確保基坑風險在可控制范圍內，保持圍護結構支護體系的穩定性非常重要。為了解決在緊鄰既有運營線的情況下軟土地鐵深基坑的施工難題，該文以蘇州地鐵五號線某車站深基坑工程為背景介紹自鎖式鋼支撐軸力伺服系統在臨近既有運營線路軟土基坑施工中的應用案例。

1 自鎖式軸力自動補償鋼支撐系統簡介

1.1 系統概述

自鎖式鋼支撐軸力自動補償鋼支撐系統是一種采用位移與軸力綜合控制的支撐系統。通過在鋼支撐上增設機電液一體化系統，對支撐軸力進行不間斷監測，并根據高精度傳感器所測參數對支撐軸力進行實時自動補償來達到控制基坑變形目的的鋼支撐系統[1]。該支撐系統共有4個部分構成：支撐筒、液壓千斤頂、液壓泵站及PLC控制中心。

1.2 運行原理

液壓千斤頂的油缸固定于支撐筒、活塞的頂出端連接球面裝置和測量活塞位移量的位移傳感器，活塞伸出油缸一端開有螺紋，該螺紋連接結構連接鎖緊螺母，在鎖緊螺母的側面與油缸相頂時鎖緊活塞。鎖緊螺母為帶齒結構，該齒與調節齒輪嚙合。所述調節齒輪與固定在液壓千斤頂上的調節電機連接，由調節電機驅動調節齒輪調節鎖緊螺母。其優點是帶鎖緊機構在液壓失效時可有效防止鋼支撐失效、可以實現自動鎖緊調節。液壓泵站與鋼支撐連接為一體自動測取支撐力并自動進行控制，控制準確、壓力均勻穩定、省時省力、效率高[2]。

2 工程概況

2.1 工程簡介

車站總長164.5 m，標準段寬23.1 m，采用三層雙跨框架結構。底板埋深約為25.77 m，兩端頭開挖深度約27.5 m。車站主要采用明挖順作法，局部采用蓋挖順作法施工。車站北側為已運營2號線平河路站6號出入口及1 號風亭組、錦堂街橋，距主體基坑邊最小水平距離分別為1.14 m、5.88 m；車站南1側為已運營2號線平河路站5號出入口、國發大廈、平江區人民檢察院及一層配電房，車站西側為已運營2號線平河路站主體結構；車站北側為石魚橋浜駁岸。

2.2 地質狀況

根據地質勘探報告，該基坑地層分布為：01雜填土，21粉質黏土，3淤泥質粉質黏土，3夾砂質粉土，4淤泥質黏土，61粉質黏土，1-2砂質粉土，02粉砂。車站主體基坑坑底位于61層中，圍護墻墻趾底位于第2層中基坑圍護形式為厚1.0 m、深46 m的地下連續墻。

3 自鎖式軸力自動補償鋼支撐伺服系統方案論證

3.1 支護形式及模型計算

主體基坑采用地下連續墻，標準段及兩端頭圍護結構分別采用1 000 mm、1 200 mm厚地下連續墻，豎向設置7道支撐+1道換撐，其中第一、第五道為鋼筋混凝土支撐，第二、第三、第四、第七道為609 mm×16 mm鋼支撐，第六道為800 mm×20 mm鋼支撐。為達到對周邊環境保護和基坑變形控制要求，通過有限元軟件Plaxis建立有限元模型，模擬對比在支撐豎向布置上采用自鎖式鋼支撐軸力伺服系統，對軸力變化、圍護結構水平位移和坑外地表沉降的影響。

根據模型計算分析：運用自鎖式鋼支撐軸力伺服系統可以有效地控制基坑變形和坑外地表沉降，無伺服鋼支撐系統地連墻最大水平位移約為0.19H%≤0.2%H，符合住建部《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911

—2013）及《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》（DGJ 32/J 195—2015）要求，但不符合蘇州地鐵公司《關于臨近既有線基坑監測規程技術要求》地連墻最大水平位移≤0.15%H、土體豎向沉降≤0.1%H的要求。

3.2 計劃方案

在緊鄰既有地鐵運行車站基坑的（北端頭）設置自鎖式鋼支撐軸力伺服系統，遠離既有線路車站基坑的（南端頭）采用常規的鋼支撐支護手段，整個基坑按照監測方案要求實施監測。

4 施工過程的變形監測情況

4.1 實施步驟

因為北端頭涉及既有運營地鐵線路，為將時空效應對基坑的影響減到最小。計劃基坑土方的開挖順序為由南端頭至北端頭開挖。一共分為以下幾個步驟：地下連續墻施工完成基坑封閉—表層土清理開挖至第一道混凝土支撐下20 cm—第一道混凝土支撐施工—開挖至第二道鋼支撐下50 cm—第二道鋼支撐安裝—開挖至第三道鋼支撐下50 cm—第三道鋼支撐安裝—開挖至第四道鋼支撐下50 cm—第四道鋼支撐安裝—開挖至第五道混凝土支撐下—第五道混凝土支撐施工—開挖至第六道鋼支撐下—第六道鋼支撐安裝—開挖至第七道鋼支撐下—第七道鋼支撐安裝—開挖至墊層。分別在第一、第五道混凝土支撐設置鋼筋計，第二、第三、第四、第六、第七道鋼支撐設置軸力計[3]。

4.2 監測情況

項目管理團隊按照施工設計組織基坑開挖，按照“三圖四表工作法”對開挖機支護過程動態監管，減少了土方開挖無支護暴露的時間，將時空效應的影響減到最小。按照基坑監測專項方案對墻頂水平位移、墻頂豎向位移、支護樁（墻）變形（測斜）、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力、立柱豎向位移、地下水位、周邊地表豎向位移等實施監測。

監測結果顯示：增設自鎖式鋼支撐軸力伺服系統的墻頂水平位移、墻頂豎向位移、支護樁（墻）變形（測斜）、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力、立柱豎向位移、周邊地表豎向位移，變化速率和累計變形量都明顯較小，基坑圍護結構及周邊環境穩定性明顯較高，地下水位無明顯影響。因監測點位和監測數據較多，后續選擇支撐軸力、土體豎向沉降及支護樁（墻）變形（測斜）情況三個監測項目部分點位進行分析。

4.3 支撐軸力的變化情況

根據方案，監測點布置情況為ZLi-1位于基坑北端頭，ZLi-11位于基坑南端頭。根據監測結果可知，隨著基坑開挖深度的變化基坑軸力值會出現不同程度的變化。自開挖至第五層土方開挖期間，隨著開挖深度變化，兩端軸力（見表1）變化符合設計軸力控制值要求，未出現預警；自第五層土方開挖至基坑底，隨著開挖深度加大，兩端軸力呈不同變化趨勢，ZLi-1軸力值符合設計要求，ZLi-11軸力值超出設計控制值，達到預警標準，基坑出現預警（見表2）。

該結果表明：增設自鎖式鋼支撐軸力伺服系統較傳統鋼支撐基坑軸力控制效果較好，對基坑地連墻受力穩定性較好。

4.4 土體豎向沉降情況

根據方案，監測點布置情況為DB1-2、DB2-2、DB3-2位于基坑北端頭，DB12-2、DB13-2、DB14-2位于基坑南端頭。根據監測結果得知，隨著基坑開挖深度的變化基坑周邊地表沉降速率及沉降累積值出現不同程度的變化。自開挖至第五層土方開挖期間，隨著開挖深度變化，兩端地表沉降緩慢變化，DB1-2、DB2-2、DB3-2（見表3）變化速率較DB12-2、DB13-2、DB14-2（見表4）緩慢；自第五層土方開挖至基坑底，開挖深度較大，兩側土壓力呈指數級變化，地表沉降基坑變化速度明顯變快，DB1-2、DB2-2、DB3-2（見表3）均勻可控DB12-2、DB13-2、DB14-2成倍變大（見表4）；待頂板完成以后變化速率趨向平衡。

該結果表明：增設自鎖式鋼支撐軸力伺服系統較傳統鋼支撐基坑周邊土體豎向沉降控制效果較好，對周邊構建筑物保護效果明顯。

4.5 支護樁（墻）變形（測斜）情況

根據方案，監測點布置情況為CX-1、CX-2、CX-3位于基坑北端頭，CX-13、CX-14、CX-15位于基坑南端頭。根據監測結果可知，隨著基坑開挖深度的變化基坑周邊地表沉降速率及沉降累積值出現不同程度的變化。自開挖至第三層土方開挖期間，隨著開挖深度變化，兩端地表沉降緩慢變化，CX-1、CX-2、CX-3（見表5）變化速率較CX-13、CX-14、CX-15（見表6）緩慢；自第五層土方開挖至基坑底板澆筑完成，隨著開挖深度的增大，兩側土壓力呈指數級變化，地表沉降基坑變化速度明顯變快，CX-1、CX-2、CX-3（見表5）均勻可控CX-13、CX-14、CX-15（見表6）成倍變大，但處于可控狀態；待頂板完成以后，因時空效應較長累積變形較大。

經過比對CX-1、CX-2、CX-3（見表5）三個監測點位數值，按照圍護墻最大水平位移≤0.14%H、基坑深度27.5 m（預警值38.5 mm）控制，均在可控范圍內，能達到甲方監測要求；相反CX-13、CX-14、CX-15（見表6）圍護墻最大水平位移雖≤0.2%H，但0.14%H（預警值38.5 mm）支護樁（墻）變形（測斜）CX-14、CX-15，如若北端頭未加設自鎖式鋼支撐軸力伺服系統，基坑變形量會達到預警標準，可能會對既有運行線路產生不可逆的破壞。

為便于對比監測效果，因篇幅有限僅取CX-1、CX-2、CX-3變形最大的監測點以及CX-13、CX-14、CX-15變形最大的點位兩組數據進行對比。結果顯示：從開挖至第四層土方后增設自鎖式鋼支撐軸力伺服系統基坑變形控制效果明顯，直至基坑封頂動態控制效果較好，達到了對既有線路的保護作用。

5 結語

該文以緊鄰既有運行地鐵線路為例，通過南北兩端監測結構數據變化情況，深刻對比了增設自鎖式鋼支撐軸力伺服系統兩個位置同等條件下（同樣地層、同等開挖深度、同樣支護模式、同樣圍護結構形式、同樣的溫度濕度、同樣水位、同等施工水平、同等施工功效）的基坑變形控制情況。并通過監測過程中的三個最具說服力的指標，對設計計算模型進行印證，最終應用結果與數學計算模型一致。由此得出：

（1）深基坑開挖由于鄰近既有運行線路，因開挖引起的土體卸荷與坑外土體變形對既有車站結構影響比較明顯，豎向位移變化較大。采用自鎖式鋼支撐軸力伺服系統，可以有效地控制基坑變形和保護周邊環境的安全。

（2）自鎖式鋼支撐軸力伺服系統通過軸力補償作用，可消除鋼支撐架設作業的預應力損失，能切實提高鋼支撐的預應力效果，并且減少了鋼支撐安裝環節時空效應、加力過程產生的安全問題，有效提高了支護結構的安全效能。

（3）自鎖式鋼支撐軸力伺服系統在重要性工程、周邊環境敏感的基坑工程中可發揮軸力監測、預警、消除鋼支撐預應力損失、基坑變形控制、提高鋼支撐自身安全性的重要作用。在控制圍護變形方面效果顯著，也為今后類似地鐵基坑中支護方案的優化設計提供參考。

（4）自鎖式鋼支撐軸力伺服系統能夠滿足高標準的環境保護和變形控制要求的同時，較混凝土支撐相比，可以有效控制成本，此工法在類似工程中值得推廣。

參考文獻

[1]彭勇志， 黃洋. 深基坑鋼支撐軸力伺服系統施工技術[J]. 低碳世界， 2016（3）： 152-153.

[2]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（10）： 1589-1594.

[3]曹虹， 孫九春. 軟土基坑鋼支撐伺服系統軸力的確定方法研究[J]. 建筑施工， 2019（5）： 754-758.