大面積不規(guī)則深基坑變形控制技術

上海錦惠建設集團有限公司 上海 200011

1 工程概況

上海世紀大道SN1地塊項目位于上海市商城路以北、世紀大道以南、南泉北路以西、浦東南路以東圍繞的地塊。基坑平面形狀為不規(guī)則五邊形，東西向最長距離為280 m，南北向最寬距離為240 m，占地面積約為48 500 m2，建造面積約為472 000 m2，由1 幢38 層的塔樓、2 幢20 層的塔樓及1 幢11 層的商業(yè)中心和1 層的公交樞紐站、3～4 層地下室組成?；庸こ滩捎枚弦坏牡叵逻B續(xù)墻的圍護結構。四周圍護結構采用厚1 m、深48 m的地下連續(xù)墻形式?；觾?nèi)的中隔墻采用厚1 m、深38 m的地下連續(xù)墻形式?？拷蟼扰c軌道交通9號線商城路站共用地塊采用厚度分別為1 000 mm、800 mm，深度分別為32 m、30 m的地下連續(xù)墻各6 幅，φ800 mm的鉆孔灌注樁2 根，圍護結構設計的水下混凝土強度等級為C30。

基坑分區(qū)情況見圖1，具體包括：1-a區(qū)開挖面積約9 390 m2，開挖深度約19.5 m，塔樓開挖深度約21.0 m；1-b區(qū)開挖面積、開挖深度和塔樓開挖深度分別約5 830 m2、約19.5 m、約20.0 m；2-a區(qū)開挖面積約13 952 m2，開挖深度約19.5 m；2-b區(qū)開挖面積約5 530 m2，開挖深度約19.5 m，塔樓開挖深度約20.0 m；3-a區(qū)開挖面積約3 653 m2，開挖深度約19.5 m；3-b區(qū)開挖面積約647 m2，開挖深度約16.2 m；4區(qū)開挖面積和開挖深度分別約1 194 m2和16.2 m；5區(qū)開挖面積約1 102 m2，開挖深度約16.2 m。

基坑內(nèi)豎向截面設置了4 道支撐，其中，1-a、1-b、2-a、2-b、3-a區(qū)基坑設置了鋼筋混凝土支撐共4 道，支撐中心分別為-1.6 m、-6.8 m、-11.6 m、-16.0 m；3-b、4及5區(qū)基坑設置1 道鋼筋混凝土支撐+3 道鋼管支撐，支撐中心分別為-2.278 m、-6.478 m、-10.278 m、-13.678 m。

圖1 工程的基坑總平面示意

2 工程的特點和難點分析

時下，在深基坑施工過程中，基坑開挖的深度越來越深，采用的施工工藝多以明挖順作法為主。若不對基坑進行嚴格的變形控制，深基坑的施工會影響到附近的地鐵等公共建筑的正常使用，甚至會引發(fā)難以估量的事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，給社會帶來不良影響，對此相關部門和單位也引起了高度重視?；邮┕さ闹畏绞揭话惆ㄋ胶拓Q向2 種，這里的水平支撐方式通常是內(nèi)支撐。就上海地區(qū)而言，最常用的傳統(tǒng)鋼支撐是φ609 mm鋼管支撐，接頭多采用活絡頭，用千斤頂預加軸力并插鋼楔，鋼支撐經(jīng)過拼裝、架設和施加預應力等施工工序，完成現(xiàn)場安裝。根據(jù)設計院的要求，嚴格控制施加到鋼支撐上的預應力。隨著基坑開挖深度的增加，φ609 mm鋼管支撐軸力會逐步增大。只有保持好鋼支撐體系的穩(wěn)定，才能讓基坑整體更加穩(wěn)定。在深基坑施工過程中，如果設計、計算分析不當或沒采取必要的施工技術措施，就會導致基坑變形過大，并對附近建筑、管網(wǎng)、道路等公共設施造成嚴重的影響，甚至發(fā)生支撐失效、基坑塌方等后果[1]。

因此，基坑圍護的一項重要工作就是確保鋼支撐體系的穩(wěn)定。但傳統(tǒng)鋼管支撐體系存在自身的缺陷，諸如：

1）鋼支撐使用過程中會出現(xiàn)軸力損失，無法有效控制基坑變形，造成這種結果的原因在于環(huán)境溫度的變化、鋼支撐自身的應力松弛和鋼楔塊的塑性變形等；

2）難以適應鋼支撐軸力連續(xù)變化的要求，如現(xiàn)場人工調(diào)解軸力時，如何適當升高或降低軸力，并能進行精度控制，這方面還不太完善，如果人工操作不當，會導致鋼支撐的軸力過大，形成新的地下連續(xù)墻體變形；

3）施工這一動態(tài)過程引起了鋼管支撐的軸力變化后，通常依靠人工對支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)或監(jiān)測基坑變形不斷檢測，據(jù)此數(shù)據(jù)輔以原始的軸力調(diào)整裝置，人工對鋼支撐的軸力進行調(diào)整，增加了施工現(xiàn)場的人工量，且不能及時了解基坑變形，導致控制變形的效果不佳，難以滿足相關規(guī)定對深基坑苛刻的施工變形控制要求。由于這些缺陷，傳統(tǒng)鋼支撐還是難以滿足基坑變形苛刻的要求。

本工程的難點和特點是基坑大且深、鄰近2 條地鐵施工、保護難度大。本工程基坑面積約4.2萬 m2，基坑開挖深為19.5～21 m，總挖土量約81萬 m3，屬超大體量深基坑。且基坑北側緊鄰重要市政道路世紀大道，基坑圍護外邊線距正常運營的軌道交通2號線區(qū)間隧道距離約為45 m，與2號線出入口距離為7.55 m，與軌道交通9號線站體共用圍護結構。在工期較緊且周邊環(huán)境復雜的情況下，這不僅對施工技術措施、施工機械的選擇有嚴格的要求，對現(xiàn)場的交通組織也需要合理的安排。同時，在基坑開挖過程如何保證基坑安全，盡可能減小對周邊環(huán)境的影響，更是我們技術管理的重中之重。

因此，本工程除了采用合理的基坑開挖順序等外，還選用了鋼支撐軸力自動調(diào)整系統(tǒng)。軌道交通9號線商城路車站位于基坑南側，車站主體結構與本工程基坑南側的圍護共墻，該側的3-b、4及5區(qū)基坑的3 道鋼管支撐采用軸力自動調(diào)整系統(tǒng)，以滿足規(guī)范要求。

3 基坑開挖的工藝順序

基坑開挖的前提包括：等深度為48 m的地下連續(xù)墻施工完畢，并達到規(guī)定的強度要求后，方可開挖基坑；3-b及4區(qū)坑內(nèi)加固施工完畢并達到強度后，方可開挖1-a區(qū)；5區(qū)坑內(nèi)加固施工完畢，并達到規(guī)定的強度要求后，方可開挖施工2-a區(qū)。

基坑開挖的順序如下：首先施工開挖1-a及1-b區(qū)；待1-a及1-b區(qū)開挖至坑底，底板完成澆筑并達到強度，即可施工開挖2-a及2-b區(qū)；待2-a及2-b區(qū)開挖至坑底，底板完成澆筑并達到強度，且1-a及1-b區(qū)回筑至±0.00 m后，即可施工開挖3-a及3-b區(qū)；待3-b區(qū)開挖至坑底，底板完成澆筑并達到強度后，即可施工開挖4區(qū)；待4區(qū)開挖至坑底，底板完成澆筑并達到強度，且2-a區(qū)回筑至±0.00 m后，即可施工開挖5區(qū)。

4 基坑水平支撐的軸力自動調(diào)整施工技術

鋼支撐軸力自動調(diào)整系統(tǒng)包括千斤頂軸力調(diào)整設備、液壓泵站和電氣監(jiān)控設備，主要設備由千斤頂、操作站、現(xiàn)場控制站、監(jiān)控站、液壓系統(tǒng)、總線系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、移動診斷系統(tǒng)、液壓站接線盒裝置等組成（圖2）。根據(jù)系統(tǒng)功能不同可分為：液壓伺服控制系統(tǒng)、鋼支撐軸力補償執(zhí)行系統(tǒng)、電氣與監(jiān)控系統(tǒng)。千斤頂?shù)闹饕夹g參數(shù)最大頂力為3 000 kN，工作行程為150 mm，工作壓力不超過31.5 MPa。本系統(tǒng)主要應用范圍是建筑工程深基坑施工，針對鋼支撐軸力的實時自動調(diào)整與監(jiān)控，以達到減少基坑變形的效果，確保地鐵等公共場所的建筑結構安全[2]。

圖2 鋼支撐軸力自動調(diào)整系統(tǒng)的示意

4.1 設備的現(xiàn)場配置

鋼支撐軸力自動調(diào)整系統(tǒng)用于世紀大道SN1地塊二標基坑支護工程的第2、3、4道鋼支撐上，平面布置如圖3所示，剖面如圖4所示。

本工程基坑根據(jù)圍護設計分區(qū)，3-b、4、5區(qū)設計4 道支撐，第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，第2、3、4道支撐為鋼支撐，鋼支撐均為φ609 mm×16 mm鋼管。其中，鋼支撐采用軸力自動調(diào)整系統(tǒng)，確保鋼支撐受力均勻。第2、3、4道各有鋼支撐34 根，有102 根φ609 mm×16 mm鋼管支撐需要采用軸力自動調(diào)整系統(tǒng)。本軸力自動調(diào)整系統(tǒng)采用“樹枝形”控制系統(tǒng)布置，具體是1 臺監(jiān)控站控制若干個現(xiàn)場控制站，一個現(xiàn)場控制站控制3 臺液壓泵站，每臺液壓泵站再控制4 根鋼管支撐，各個站點用CAN總線采集、傳輸現(xiàn)場信號和控制指令。

圖3 3-b、4、5區(qū)的第2～4道鋼支撐軸力補償系統(tǒng)平面布置

圖4 4區(qū)的第2～4道鋼支撐軸力補償系統(tǒng)剖面

4.2 現(xiàn)場安裝調(diào)試

包括監(jiān)視器等設備安裝、接線盒等其他設備安裝調(diào)試、按設計院要求設定液壓系統(tǒng)壓力和啟動自動調(diào)整裝置、監(jiān)控器監(jiān)控程序的調(diào)試、千斤頂用鋼支座套箱的安裝、液壓泵站用的管路系統(tǒng)等安裝。

4.3 設計軸力及加載

共有102 道鋼支撐需要安裝軸力補償裝置，根據(jù)設計院提供的加載軸力，系統(tǒng)設定壓力取值2 500 kN，采用分步逐級加載，每步施加力為500 kN、1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN、2 500 kN。軸力補償精度在±125 kN以內(nèi)。

4.4 帶軸力自動調(diào)整裝置的鋼支撐的拆除

撤除鋼管支撐時，也應該遵循合理順序和原則開展。拆除底層鋼管支撐前，確?；哟蟮装宓幕炷吝_到強度要求后才能進行工作。拆除工作按以下流程施工：關閉監(jiān)視屏上的監(jiān)控調(diào)壓程序→解除液壓油缸的機械鎖，縮回液壓油缸的活塞桿，拆除泵站和油缸上的油管→將鋼支撐上的千斤頂?shù)蹼x并運至地面→拆除鋼管支撐及支座→拆除完所有的鋼管支撐后，拆除鋼支撐軸力自動調(diào)整系統(tǒng)的設備線路及配電等設施，整理并有序放置→汽車吊等吊裝運輸。

4.5 應用效果

根據(jù)項目的監(jiān)測報告，選取某處的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體位置位于基坑中部深度-9 m的某處，具體時間段自11月6日起到12月5日。接下來，分析該處的變形數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)繪制成曲線，即該處最大變形值與時間的關系圖，以便于了解地下連續(xù)墻變形的特點。

由變形監(jiān)測結果可以看出，變形值隨著時間的累計而增加，但是不超過10 mm；變化速率大致是前面的天數(shù)大于后面的天數(shù)。從具體個別變化值和變化率不大的天數(shù)分析，前10 d監(jiān)測處的變形率最大達到0.49 mm/d，變形值累積增加最快；中間10 d監(jiān)測處的變形速率變小，最大達到0.42 mm/d，變形值累積增加變慢；最后10 d監(jiān)測處的變形速率最大達到0.17 mm/d，變形值累積增加速度最慢。由此可以看出，隨著鋼支撐軸力自動調(diào)整裝置的投入使用數(shù)量的增加，基坑變形得到了更好的控制。因此，鋼支撐軸力自動調(diào)整系統(tǒng)對地下連續(xù)墻的變形控制效果很好，既能對基坑變形進行精準控制，完全能夠保證地下連續(xù)墻最大累計變形值在10.0 mm以下的要求，又能保持地下連續(xù)墻的變形基本穩(wěn)定。

5 結語

隨著地鐵沿線工程的增多，對基坑變形控制也越來越嚴格，需要建筑施工單位不斷技術創(chuàng)新以應對市場需求。上海建工組織人力，進行技術創(chuàng)新，研制出一套鋼管支撐的軸力自動調(diào)整系統(tǒng)[3-6]。它將液壓泵站、信息技術與傳統(tǒng)支撐技術等結合起來，完成了對鋼管支撐軸力的實時監(jiān)控，有效解決基坑變形控制越來越嚴格的難題，確保地鐵沿線基坑工程的順利施工，也維護了地鐵等公共建筑的安全，數(shù)十個工程應用的實踐表明，該技術對保護鄰近地鐵具有重要意義，其社會和經(jīng)濟效益顯著。