單側(cè)超載基坑的鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

龔金弟

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海市非開(kāi)挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

在我國(guó)軟土地區(qū)如上海、蘇州等地的施工過(guò)程中，對(duì)周邊環(huán)境影響的控制日趨嚴(yán)格，基坑施工尤其是開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍護(hù)變形控制的要求也越來(lái)越高。其中，鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)以其自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)補(bǔ)償與監(jiān)控、可反復(fù)使用的特點(diǎn)，在鄰近地鐵的基坑或其他深基坑施工中得到廣泛應(yīng)用，且都取得了很好的效果[1-3]。

而針對(duì)單側(cè)超載的基坑，應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的實(shí)例卻未曾有過(guò)。本文針對(duì)基坑單側(cè)超載，詳細(xì)記錄了鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)在上海周家嘴路越江隧道新建工程浦東機(jī)架段基坑施工應(yīng)用過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)及特征。

1 工程概況

上海周家嘴路越江隧道新建工程有浦東、浦西兩個(gè)岸上開(kāi)挖段，其中浦東1區(qū)機(jī)架段與浦西1區(qū)設(shè)備段開(kāi)挖深度基本一致，兩段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)都采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻，且都設(shè)置6道支撐（第1、4道為混凝土支撐，第2、3、5、6道為鋼支撐）。

另外，兩段基坑的地質(zhì)條件相似，都涉及到高靈敏度的第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第④層灰色淤泥質(zhì)黏土及第⑤1層灰色粉質(zhì)黏土。其中浦西設(shè)備段周邊環(huán)境較好；浦東機(jī)架段單側(cè)超載，在位于浦東機(jī)架段北側(cè)15.7 m處為東靖苑一期6層磚混結(jié)構(gòu)居民樓及1層裙房商鋪，處于2倍基坑深度范圍線內(nèi)，該幢建筑物的荷載大約為90 kPa，采用450 mm×450 mm混凝土預(yù)制方樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)18 m，在基坑北側(cè)4 m左右處為社會(huì)臨時(shí)道路。

為此，在浦東機(jī)架段基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，第2、3道支撐采用了鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)，而浦西設(shè)備段則采用了傳統(tǒng)鋼支撐。

本文選取了4個(gè)特征測(cè)斜點(diǎn)在基坑施工過(guò)程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中浦東機(jī)架段的2個(gè)測(cè)斜點(diǎn)為PD3北側(cè)P10點(diǎn)（該側(cè)荷載較大）、PD3南側(cè)P11點(diǎn)（圖1）；浦西設(shè)備段的2個(gè)測(cè)斜點(diǎn)為PX3北側(cè)P48點(diǎn)、PX3南側(cè)P49點(diǎn)（圖2）。

圖1 浦東機(jī)架段P10、P11測(cè)斜點(diǎn)

圖2 浦西設(shè)備段P48、P49測(cè)斜點(diǎn)

2 系統(tǒng)的布置及設(shè)定

浦西設(shè)備段基坑整體受控，浦東機(jī)架段基坑受北側(cè)超載影響，在基坑開(kāi)挖前決定將第2、3道支撐采用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)，共設(shè)置自適應(yīng)鋼支撐71根（圖3）。

圖3 浦東機(jī)架段第2、3道支撐布置

浦東機(jī)架段基坑采用進(jìn)口新一代高速PLC組成雙層網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有液壓泵站、油缸實(shí)現(xiàn)集中控制，自動(dòng)補(bǔ)償。

其中，第1層網(wǎng)絡(luò)采用NET/H網(wǎng)絡(luò)，設(shè)有2個(gè)操作站，一個(gè)為遠(yuǎn)程操作站，一個(gè)為本地操作站，主要實(shí)現(xiàn)集中控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。第2層網(wǎng)絡(luò)采用CCLINK網(wǎng)絡(luò)，設(shè)有24臺(tái)就地控制柜，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、PID控制的指令輸出。每臺(tái)控制柜PLC子站負(fù)責(zé)控制4臺(tái)液壓泵站，包括所有的啟動(dòng)、停止、補(bǔ)償、數(shù)據(jù)采集、PID自動(dòng)控制等[4-5]。

浦東機(jī)架段第2、3道鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的軸力設(shè)定值見(jiàn)表1。

表1 支撐軸力設(shè)定值

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

在基坑開(kāi)挖階段，通過(guò)對(duì)P10、P11、P48、P49測(cè)斜點(diǎn)處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移情況（圖4）的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移

1）對(duì)于單側(cè)超載的基坑，兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形存在明顯差異，而對(duì)于兩側(cè)未超載（或荷載相似）的基坑，兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形差異不大。

2）基坑開(kāi)挖階段，應(yīng)用了鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑，其未超載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值要比兩側(cè)未超載的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值小18%。

3）基坑開(kāi)挖階段，在應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑中，超載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值比未超載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值高48%。

4）基坑開(kāi)挖階段，在應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑中，在未超載一側(cè)，位于自適應(yīng)鋼支撐處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形方向會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)點(diǎn)在位于第2道支撐下2 m左右。

另外，本文選取P10、P11、P48測(cè)斜點(diǎn)在基坑開(kāi)挖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工階段位于第2道、第3道支撐位置處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移累計(jì)及位移速率的周變化情況進(jìn)行分析（圖5、圖6）。

圖5 第2道支撐處圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況

圖6 第3道支撐處圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況

通過(guò)對(duì)圖5、圖6的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1）在基坑開(kāi)挖階段，采用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑，其位于自適應(yīng)鋼支撐處的圍護(hù)變形速率整體上比采用傳統(tǒng)鋼支撐的基坑圍護(hù)變形速率小。

2）不管是采用傳統(tǒng)鋼支撐的兩側(cè)未超載基坑，還是采用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑，在基坑開(kāi)挖完成后內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移都趨于穩(wěn)定。

3）在內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完成之后，應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑，其位于第2道支撐位置處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移，要比采用傳統(tǒng)鋼支撐的兩側(cè)未超載基坑位于同樣位置處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移小18%左右；而兩者在位于第3道支撐位置處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)鋼支撐相比[6-7]，鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)單側(cè)超載基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)變形的有效的、不間斷的監(jiān)測(cè)與控制。該系統(tǒng)對(duì)單側(cè)超載基坑結(jié)構(gòu)的位移變形控制效果顯著，確保了單側(cè)超載基坑開(kāi)挖過(guò)程中的安全。通過(guò)在單側(cè)超載基坑中應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)，主要得出以下結(jié)論及建議：

1）在應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑中，在基坑開(kāi)挖階段，其超載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值比未超載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值高48%。

2）應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑，在基坑開(kāi)挖階段，其未超載一側(cè)在位于自適應(yīng)鋼支撐處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形方向會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)點(diǎn)在位于第2道支撐下2 m左右。

3）在單側(cè)超載基坑中應(yīng)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的效果顯著。

4）不管是采用傳統(tǒng)鋼支撐的兩側(cè)未超載基坑，還是采用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)的單側(cè)超載基坑，在基坑開(kāi)挖完成后內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移都趨于穩(wěn)定。因此，控制基坑變形最好的辦法是在基坑開(kāi)挖階段，優(yōu)化各道施工工藝，做好各道工序間的銜接，加快開(kāi)挖速度，及時(shí)澆筑底板。