混凝土支撐伺服系統技術的應用分析

以某深基坑工程為例，將軸向力自動補償系統應用于混凝土內支撐結構的設計中，通過施工技術的應用實踐和圍護墻水平變形實測數據的研究與分析，總結了混凝土支撐伺服系統施工過程操作要點，并對比分析了混凝土支撐采用自動補償與否兩種情況下圍護墻的變形規律的特征。實踐分析表明，混凝土支撐伺服系統能有效降低圍護墻的變形，該系統對環保要求高的深基坑工程的支護效果優越。

深基坑； 混凝土支撐伺服系統； 圍護墻變形

TU94+2A

［定稿日期］2024-05-10

［課題項目］上海建工集團股份有限公司（項目編號：21JCSF-17）

［作者簡介］楊萬鋒（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為建筑施工技術及管理。

0 引言

上海屬于軟土地基城市，基坑開挖范圍內有一層較深的軟質淤泥質黏土層，其含水量高，滲透系數低，抗剪強度低，變形大［1］。開挖鄰近地鐵隧道深基坑會對鄰近地鐵隧道安全有不利影響。因此，地鐵隧道旁的深基坑工程需采用合理的開挖與支撐系統來確保地鐵隧道安全。

由于開挖深基坑將對鄰近地鐵隧道安全產生不利影響。因此，在地鐵隧道旁的深基坑工程施工時，為保證地鐵隧道的安全，選擇合理的開挖方案和支護體系來越來越受到重視。賈堅等［2］ 、胡立海［3］、李孚昊等［4］、翟杰群等［5］ 等為有效保護緊鄰深基坑運營地鐵的安全，基坑施工時應用了支撐軸力伺服系統，并結合應用實踐得到了一些有益經驗。本文結合上海某深基坑工程，將軸向力自動補償系統應用于混凝土內支撐結構的設計中（混凝土支撐伺服系統），并對施工工藝應用及實踐效果進行了分析研究。

1 工程概況

項目工程地處上海市浦東新區，總占地面積約4.38萬m2，有6大5小共11個深基坑組成（圖1），其中，A1-A6為地下三層結構，B1-B5緊鄰地鐵隧道為地下二層結構。地鐵隧道距深基坑（A1-A4）最近距離15 m，單行線的地鐵隧道直徑為6.6 m，其埋深10～13 m（圖2）。A1-A6基坑及B1-B5基坑的圍護體系均采用混凝土地下連續墻厚度1 000 mm厚，其中A1-A6基坑設置 3道鋼筋混凝土支撐， 基坑開挖深度為16.1 m， 局部挖深超22 m。B1-B5基坑設置1道鋼筋混凝土支撐、2道609鋼支撐， 基坑開挖深度為13.5 m。

根據開挖工況要求，A2基坑為A1—A6中最后開挖基坑，同時，A2開挖時B1基坑完成施工，B2、B3基坑未開挖施工，考慮前期基坑施工已對地鐵隧道有影響，為有效減小A2基坑開挖引起的地鐵隧道變形值，減少對軌道交通結構的不利影響。在A2的第二、三道混凝土支撐的一端加裝20個630 t伺服系統加載軸力，即形成混凝土支撐伺服系統。伺服系統平面布置，如圖3所示。

2 混凝土支撐伺服系統的構成

混凝土伺服系統支撐施工技術是利用液壓千斤頂系統自動補償軸向力的特點，在圍護墻和混凝土圍檁之間增加液壓千斤頂。自動補償軸向力加載后，混凝土被壓縮，伺服千斤頂位置的圍檁將與地墻分離，轉變為由伺服千斤頂控制的軸向力補償系統。該系統與普通的混凝土支撐相比，主要增設有埋件、凹槽式混凝土圍檁結構、高性能液壓千斤頂系統及裝備。混凝土支撐伺服系統的構成如圖4所示。

3 施工工藝及操作要點

3.1 施工工藝流程

圍護地下連續墻施工（埋件1同步）—土方開挖—圍檁及傳力墩施工（埋件2同步）—安裝軸力伺服系統—施加預應力—軸力加載完成及混凝土支撐達到設計強度—高強灌漿料灌縫—開挖下皮土方施工支撐至基礎底板。

3.2 操作要點

3.2.1 圍護地下連續墻施工

圍護地下連續墻鋼筋施工時，鋼板800 mm×800 mm×40 mm的埋件1根據圖紙標高和平面位置牢固固定在圍護地下連續墻外排鋼筋上。固定時需采用增加焊腿與圍護外排鋼筋固定方式，避免圍護結構混凝土澆筑時導致埋件1的平面位置偏差過大。如后續發現埋件位置偏差超過15 cm時，將影響后續千斤頂設備的安裝，需重新后置安裝。

3.2.2 土方開挖

基坑開挖遵循先支護后開挖、先降水后開挖的原則，分層對稱開挖，將圍護無支撐暴露時間控制在48 h以內，開挖面圍護無支撐裸露長度不超過30 m。開挖面高差應控制在3 m以內，放坡比例宜按1∶1.5放坡。基坑開挖過程中，須采取有效措施，確保土坡的穩定，慎防因土體的局部坍塌造成現場人員和機械損壞。挖土時嚴禁單邊掏空格構柱，避免格構柱承受不均勻的側向壓力。挖土時埋件1位置的地墻混凝土保護層隨著挖土的進度同步鑿除，露出埋件1。

3.2.3 圍檁及傳力墩施工

圍檁及傳力墩的總體施工順序為：定位放灰線—夯實找平—鋪底模—彈中線—綁扎鋼筋（留設吊筋、埋設埋件2）—支側模—澆搗混凝土。

鋼筋混凝土支撐梁和圍檁梁的底模（墊層）施工可采用鋪模板、澆筑素混凝土墊層、鋪設油毛氈等方法。經過測量放線后綁扎鋼筋，然后安裝側模板，放置埋件2及吊筋，澆筑混凝土。圍檁及傳力墩施工時，確保埋件2處混凝土振搗密實，且嚴格控制圍檁到地墻的距離，偏差范圍小于5 cm，確保伺服系統設備安裝所需空間。

3.2.4 安裝軸力伺服系統

待混凝土強度達到1.2 MPa拆除圍檁側模，伺服系統使用垂直運輸設備吊運至相應位置，進行安裝。伺服系統最佳受力方式為垂直受力，故確保埋件1與埋件2平行，同時確保托板的平整度。

3.2.5 系統調試、軸力加載

伺服系統安裝完成后，組織調試，測試各組成部件是否能工作正常，信號數據是否傳輸正常。系統調試完成后，將按照設計要求加載軸向力。伺服系統依次、分級（每級50 t）、均勻加載，直至達到保壓數值。

3.2.6 吊筋焊接及灌漿施工

待軸力加載完成，第一道支撐吊筋與地墻主筋焊接（圖5），第二道及下部吊筋與圍檁內預留的吊筋短鋼筋焊接，焊接長度單面焊不小于10 d（d為鋼筋直徑），雙面焊不小于5 d。加載后傳力墩與連續墻有空隙，空隙采用H-60高強灌漿料填實，灌漿前傳力墩的側邊需進行封堵，以免灌漿料流失。

3.2.7 加載控制原則

當支撐混凝土強度達到C20時，先將預加軸力加載至100 kN，并檢查設備及現場，以確保千斤頂與預埋鋼板緊密相連。待支撐混凝土強度達到C25時，將伺服系統依次均勻地分階段加載（每階段500 kN）。當預加軸向力首次加載到1 000 kN時，檢查每個受力部件是否有常。當軸向力增加到2 000 kN時，再次檢查并確認沒有異常，開始加載軸向力至2 500 kN。待支撐混凝土強度達到C30，軸向力穩定加載至2 500 kN時，觀察圍檁與混凝土連續墻脫開情況。若已脫開，則根據監測數據確定軸力保持值。若沒有脫開，則進行現場分析和確認，然后依次分階段加載所有千斤頂，直到圍檁和連續墻脫開，達到軸力保持值。達到要求后，鎖定機械鎖保護裝置。伺服千斤頂的施加的軸力不得超過4 000 kN，否則應主動減小軸力。

3.2.8 軸力控制原則

定義圍檁與連續墻脫開距離為L， L與加載軸力滿足如下關系：當Llt;5 mm時，繼續增加加載軸力500 kN；當5 mm≤Llt;10 mm時，繼續增加加載軸力150 kN；當10 mm≤Llt;20 mm時，以當前加載軸力作為保壓數值；當20 mm≤Llt;25 mm時，應減小加載軸力150 kN；L應不應大于25 mm，否則應及時減小加載軸力150 kN。

4 數據監測及分析

根據設計要求，在基坑降水及開挖過程中，由于坑底回彈、圍護墻體側向壓力差的變化等原因，造成坑外土體局部范圍內發生擾動和位移，為了解基坑施工對周邊環境的影響，在基坑施工期間，進行基坑地下連續墻測斜監測，監測點的布置詳見圖6。

地下連續墻實測水平變形（圖7、圖8）、圍檁脫開縫隙S（圖9），以下對實測數據的規律進行分析對比。

由圖7和圖8可知，未采用混凝土支撐伺服系統的深基坑A1南側連續墻實測水平變形最大值為53.55 mm，采用混凝土支撐伺服系統的深基坑A2南側連續墻實測水平變形最大值為21.60 mm，可見混凝土支撐伺服系統在控制圍護墻變形方面有顯著效果。此外，由圖7、圖8可知，A1、A2基坑在開挖底板一皮土方時連續墻變形最大。A1基坑在開挖期間，隨著開挖深度的加深連續墻變形明顯，A2基坑在開挖期間，前三皮土方開挖連續墻變形相較于A1基坑變形顯著減小。由圖9可知，根據加載原則圍檁脫開間隙S與加載值接近可擬合為線性變化，當伺服系統的千斤頂加載到175 t時，圍檁與連續墻脫間隙S接近25 mm。

混凝土支撐伺服系統與傳統混凝土支撐對比可知，因混凝土支撐收縮徐變或溫度變形導致支撐軸力減小可通過伺服系統及時補充，同時，通過混凝土支撐伺服系統可預先消除部分圍護變形導致的混凝土壓縮變形，以動態提高伺服頂力為連續墻提供可靠支撐，減小圍護墻的水平變形。

5 結束語

與傳統的混凝土支撐相比，混凝土支撐伺服系統的施工技術在控制圍護墻變形方面有著顯著的效果。監測數據表明，伺服系統在減小長距離混凝土支撐徐變和收縮引起的剛度損失方面發揮了重要作用。混凝土支撐伺服系統通過主動加載，可以抵消混凝土支撐收縮等原因造成的剛度損失，有效提高支撐的實際抗力，有利于控制圍護墻體水平變形的發展。混凝土支撐伺服系統可以有效地減少開挖面以上圍護墻的變形，對于環保要求高的深基坑工程效果優越。

參考文獻

［1］" 徐中華.上海地區支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形性狀研究［D］.上海：上海交通大學，2007.

［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，2009，43（10）：1589-1594.

［3］ 胡立海.鋼支撐軸力自動補償系統在基坑圍護工程中的應用［J］.建筑施工，2013，35（8）：693-694.

［4］ 李孚昊，徐佳偉.支撐軸力伺服系統在地鐵深基坑工程中的應用［J］.路基工程，2018（3）：157-161.

［5］ 翟杰群，賈堅，謝小林.混凝土支撐伺服系統在某深基坑工程的應用研究［J］.建筑結構，2022，52（12）：148-152+147.