鋼支撐自動伺服系統(tǒng)對周邊環(huán)境的影響實測與分析

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

0 引言

我國軟土地區(qū)如上海、蘇州等地，在軌道交通、保護建筑等復雜環(huán)境周邊興建的建（構）筑物越來越多，在城市施工中對周邊環(huán)境影響的控制日趨嚴格，基坑施工尤其是開挖過程中對變形（水平側移和豎向沉降）控制的要求也越來越高。

目前已有多個項目采用鋼支撐自動軸力伺服系統(tǒng)（簡稱SBASS），也取得了一定的成效，本文在理論上假設同基坑鋼支撐的多種不同情況，通過有限元分析模擬得出水平側移和豎向沉降理論數(shù)據，并與多個工程實例中運用后得出的周邊環(huán)境影響的實際監(jiān)測數(shù)據進行比較和分析。

1 自動伺服系統(tǒng)介紹

鋼支撐自動伺服系統(tǒng)是一套運用于深基坑鋼支撐上，通過DCS系統(tǒng)對鋼支撐軸力進行監(jiān)測，并根據設計應力值自動增加或減少軸力的系統(tǒng)。

根據其功能特點的不同分為液壓動力控制系統(tǒng)、鋼支撐軸力伺服執(zhí)行系統(tǒng)（由鋼箱體、鋼支架平臺、千斤頂組成）、電氣與監(jiān)控系統(tǒng)（由總監(jiān)控操作站、就地控制站組成）共3個部分（圖1）。其具有如下特點[1-4]：

圖1 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)結構原理示意

1）可實現(xiàn)支撐軸力實時自動監(jiān)測及自動補償；

2）系統(tǒng)采用了機械與液壓雙自鎖設計，安全可靠；

3）伺服系統(tǒng)結構簡單，施工安裝、拆卸便捷；

4）正常工作時，液壓站與油管無壓力，安全高效；

5）可實現(xiàn)24 h全天候遠程網絡監(jiān)控及報警。

SBASS應用的范圍通常為周邊存在對安全性要求較苛刻的工程或項目（如周邊存在軌交、高密度老舊居民區(qū)、保護性建筑等），適用于深基坑或一般基坑中的鋼支撐施工（圖2）。

圖2 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的運用

2 理論分析

鋼支撐自動伺服系統(tǒng)是一個新事物，國內運用較少，且無相應規(guī)范可循，使用經驗也較少，過去施工的個別工程無法準確凸顯其效果。

為了模擬鋼支撐自動伺服系統(tǒng)運用后可能對圍護結構側移和坑外地表沉降產生的影響，選擇同基坑鋼支撐的不同情況分別建立有限元模型：

1）情況1：鋼支撐全部采用自動伺服系統(tǒng)；

2）情況2： 一半鋼支撐采用自動伺服系統(tǒng)；

3）情況3：鋼支撐間隔采用自動伺服系統(tǒng)；

4）情況4：單一某道鋼支撐采用自動伺服系統(tǒng)。

經過有限元的模擬分析，得出分析結果如表1所示。

表1 有限元分析值

從有限元分析可以看出，運用鋼支撐自動伺服系統(tǒng)可以有效地控制鋼支撐的軸力，將鋼支撐本身應力消散變形或溫差應變變形的影響明顯降低，鋼支撐全部采用自動伺服系統(tǒng)的效果最好，一半使用的次之，間隔使用的再次之，單一某道使用的效果最差，但仍符合規(guī)范規(guī)定的圍護結構側移及坑外地表沉降數(shù)值（一級基坑圍護結構最大側移0.18%H，坑外地表最大沉降0.15%H，H為開挖深度）。擬選取幾個實際施工案例與有限元理論分析值進行比較。

3 工程實際測試

分別選擇蘇州新光三越百貨項目、上海軌交13號線淮海中路站等4個周邊環(huán)境復雜的一級基坑工程實例作為樣本進行監(jiān)測及數(shù)據收集。

3.1 蘇州新光三越百貨項目

該項目（實例1）位于蘇州工業(yè)園區(qū)，南側近軌交區(qū)間處劃分為4個寬20 m、深19 m的基坑，距離軌交區(qū)間最近處9.15 m，軌交區(qū)間埋深位于第4道鋼支撐所處位置。該項目共有5道支撐（第1道為混凝土支撐，第2～5道為鋼支撐），164根鋼支撐全部采用自動伺服系統(tǒng)（圖3、圖4）。

圖3 墻體測斜示意

圖4 土體位移沉降示意

根據監(jiān)測數(shù)據，軌交區(qū)間側墻體測斜在14.40 mm范圍內，軌交區(qū)間側土體測斜控制在14.90 mm范圍內，滿足設計要求。

3.2 上海軌交13號線淮海中路站

該項目（實例2）位于上海黃浦區(qū)瑞金一路以東，淮海中路以北的地塊內，周邊有多層普通結構民房，地理位置特殊。端頭井開挖深度32.80 m，標準段開挖深度30.90 m，地下6層結構，標準段共有9道支撐（第1道為混凝土支撐，第4、6、8道為框架逆作板，第2、3、5、7、9道為鋼支撐），其中第5、7、9道鋼支撐（第9道為雙拼）采用自動伺服系統(tǒng)。

根據監(jiān)測數(shù)據采集，地下連續(xù)墻墻體測斜在32.80 mm范圍內，土體測斜在31.50 mm范圍內，滿足設計要求。

3.3 上海軌交12號線大木橋路站

本項目（實例3）位于上海大木橋路、零陵路交叉口，與已建成運營的軌道交通4號線呈“十”字形換乘，地下3層結構，車站主體標準段開挖深度為23.80 m，端頭井開挖深度為25.40 m。主體標準段共7道支撐（第1、5道為混凝土支撐，其余為鋼支撐），本工程僅第4、6道采用自動伺服系統(tǒng)。

根據監(jiān)測數(shù)據，地下連續(xù)墻墻體測斜41.30 mm，土體測斜在35.90 mm范圍內，滿足設計要求。

3.4 上海世博會地區(qū)A片區(qū)“綠谷”地下空間工程

該項目（實例4）位于上海浦東世博園區(qū)A10地塊，開挖深度在11.40～18.60 m之間，地下3層結構。Ⅱ區(qū)基坑靠近西藏南路隧道約9.50 m，開挖深度為15.30 m，基坑共4道支撐（第1道為混凝土支撐，第2～4道為鋼支撐），僅第3道支撐部位采用鋼支撐自動伺服系統(tǒng)，且支撐體系有鋼圍檁存在。

根據監(jiān)測數(shù)據，地下連續(xù)墻墻體測斜在27.30 mm范圍內，地下連續(xù)墻土體測斜在22.50 mm范圍內，滿足設計要求[5-7]。

4 對比結果分析

根據規(guī)范，一級基坑圍護結構最大側移0.18%H，坑外地表最大沉降0.15%H（H為開挖深度）。

對上述4個一級基坑的圍護結構側移、坑外地表沉降的規(guī)范值、有限元值與實際值進行對比分析，得出規(guī)范實測偏差如表2所示。

表2 圍護結構側移、坑外地表沉降對比分析

通過對規(guī)范數(shù)值、有限元值及實際測量數(shù)值的比較，我們發(fā)現(xiàn)雖然圍護結構側移及坑外地表沉降皆滿足規(guī)范要求，然而有限元值相對實測值偏小，實測時由于多種情況的發(fā)生（如支撐不及時、降水、重車行走等）造成其比有限元值偏大，但仍滿足規(guī)范的要求。

另外，伺服系統(tǒng)在不同使用情況下達到的效果也不一樣，鋼支撐全部使用伺服系統(tǒng)的效果最好，其次為一半使用伺服系統(tǒng)的情況，再次為跳用伺服系統(tǒng)的情況，最后為只有單道鋼支撐使用伺服系統(tǒng)的情況。

鋼支撐自動伺服系統(tǒng)目前由于市場需求不大、缺少競爭的原因，價格相對于傳統(tǒng)鋼支撐較高，本文提到的蘇州新光三越百貨項目相對成本增加51%，上海軌交13號線淮海中路站工程增加33%，上海軌交12號線大木橋路站工程增加15%，上海世博會地區(qū)A片區(qū)“綠谷”地下空間工程增加14%。因此，雖然自動伺服系統(tǒng)套數(shù)使用越多，效果越好，但同時也意味著成本相對越高（圖5）。

圖5 相對成本增加與沉降、偏移效果對比

5 結語

目前很多基坑位置位于市中心城區(qū)，周邊有多層普通結構民房、軌道交通、保護建筑或地理位置特殊的基坑，傳統(tǒng)鋼支撐安裝后，基坑可能因鋼支撐本身應力消散變形或溫差應變而變形。為了確保工程施工不影響到周邊建（構）筑物安全，控制地面沉降及圍護結構變形，采用鋼支撐軸力自動補償系統(tǒng)可以彌補鋼支撐本身應力消散、溫差應變等引起的變形，從而更好地控制基坑變形。除此之外，還可以通過軸力數(shù)據及墻體側斜數(shù)據復核設計理論軸力的計算。

自動伺服系統(tǒng)成本較高，鋼支撐全部使用該系統(tǒng)對于工程造價有一定的影響，根據基坑周邊環(huán)境進行綜合性分析后選用合適數(shù)量的自動伺服系統(tǒng)較為可取。