軟土地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的主動(dòng)控制技術(shù)

孫九春 白廷輝 廖少明

1. 騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 上海 200122; 2. 上海市國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì) 上海 200003; 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海 200082

在軟土地層中，基坑施工往往會(huì)引起極強(qiáng)的環(huán)境效應(yīng)，導(dǎo)致鄰近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生不均勻沉降甚至開裂破壞，影響其正常運(yùn)營和使用[1]。為此，以劉建航院士為代表的廣大學(xué)者提出了基坑工程的“時(shí)空效應(yīng)”理論，通過挖土及支撐時(shí)效的控制，有效減少了軟土深基坑開挖引起的變形及其對周邊環(huán)境的影響，極大地推動(dòng)了軟土基坑開挖及支護(hù)技術(shù)的發(fā)展[2-3]。

但隨著基坑規(guī)模及深度加大以及環(huán)境條件變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)基坑施工技術(shù)越來越難以適應(yīng)基坑周邊更加嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)要求。近10年來，由于在軟土地鐵深基坑中鋼支撐軸力能有效控制基坑圍護(hù)的側(cè)向變形，因此為減少軸力損失的影響發(fā)明了軸力補(bǔ)償系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)軸力監(jiān)測來補(bǔ)償損失的軸力，從而實(shí)現(xiàn)軸力的主動(dòng)控制，有效克服了傳統(tǒng)鋼支撐后續(xù)軸力變化不完全可知、不可控、不便于調(diào)整等缺點(diǎn)[4]。

由于軸力伺服系統(tǒng)解決了軸力損失可能帶來的基坑變形影響，因而得以廣泛應(yīng)用[5-6]。但是軸力伺服系統(tǒng)僅解決了軸力損失的問題，控制的目標(biāo)是支撐軸力，當(dāng)軸力與位移的對應(yīng)關(guān)系比較一致時(shí)，位移的控制效果會(huì)比較好；當(dāng)二者差異較大時(shí)，即使應(yīng)用了伺服系統(tǒng)，位移的控制效果也往往不盡如人意[7]。

目前，伺服系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了基坑軸力的主動(dòng)控制，并沒有實(shí)現(xiàn)基坑變形的主動(dòng)控制。

為真正實(shí)現(xiàn)軟土地鐵深基坑的主動(dòng)控制，需要著重解決以下問題：

1）支撐軸力與變形的對應(yīng)性問題。在傳統(tǒng)的基坑設(shè)計(jì)中，通常把鋼支撐預(yù)加軸力作為一項(xiàng)控制措施使用，支撐預(yù)加軸力一般取整個(gè)開挖過程中鋼支撐軸力包絡(luò)效應(yīng)最大值的0.5～0.8倍，軸力值與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形之間沒有必然關(guān)系[8]。

2）軟土流變的影響問題。在軟土地鐵深基坑中，土體的流變特性對基坑變形有著重要影響，而且難以精確計(jì)算與控制[9]。

3）支撐軸力調(diào)控的單一性問題。目前，鋼支撐軸力伺服控制系統(tǒng)一般采用靜態(tài)單一目標(biāo)法來控制軸力[10]?？紤]到基坑的復(fù)雜性以及眾多的影響因素，基坑的力學(xué)模型很難與實(shí)際狀態(tài)一致，甚至計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較大的差異，靜態(tài)單一目標(biāo)法難以滿足基坑的主動(dòng)控制需要。

本文依托實(shí)際工程，針對上述問題展開分析，研究主動(dòng)控制在采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)的深基坑開挖中圍護(hù)變形控制的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 軟土地鐵深基坑圍護(hù)側(cè)向變形的主動(dòng)控制原理與控制策略

自動(dòng)伺服控制系統(tǒng)可以根據(jù)需要對任意數(shù)量的鋼支撐實(shí)時(shí)施加軸力，且軸力保持不變，實(shí)現(xiàn)了二維計(jì)算理論與三維施工實(shí)踐的統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上，利用軸力與變形、流變的相關(guān)性，建立支撐軸力與圍護(hù)側(cè)向變形控制策略，形成了一套基于鋼支撐軸力的深基坑圍護(hù)側(cè)向變形主動(dòng)控制方法。

1.1 深基坑圍護(hù)側(cè)向變形的控制理念

由于影響基坑變形的因素很多，單純的伺服控制并不能完全解決基坑變形的控制問題，應(yīng)當(dāng)結(jié)合伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢，綜合考慮各方面因素，建立全面的深基坑控制理念。

1）科學(xué)審慎地確定基坑周邊的環(huán)境保護(hù)要求，合理確定基坑側(cè)向變形和支撐軸力的控制指標(biāo)[11-12]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形控制目標(biāo)往往取決于周邊環(huán)境對地層變形的適應(yīng)能力，過于嚴(yán)苛的變形控制指標(biāo)會(huì)提高對支撐軸力的控制要求，過大的軸力會(huì)帶來支撐失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，不利于基坑的安全。

2）統(tǒng)籌協(xié)調(diào)鋼支撐與混凝土支撐的設(shè)置[13]。采用伺服系統(tǒng)的鋼支撐側(cè)向變形控制效果好，但系統(tǒng)安全性比混凝土支撐低；而混凝土支撐雖然安全性好，但其施工期間的無支撐暴露時(shí)間長，同時(shí)作為剛性約束點(diǎn)，不能進(jìn)行軸力調(diào)整，不能與相鄰支撐形成協(xié)同加載，控制變形效果差。因此，鋼支撐與混凝土支撐的設(shè)置需要統(tǒng)籌系統(tǒng)安全與變形控制確定。

3）時(shí)空效應(yīng)與伺服系統(tǒng)的關(guān)系。軟土的流變特性會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的側(cè)向變形，因此“時(shí)空效應(yīng)”仍然是軟土基坑變形控制的核心，是主要控制手段，伺服系統(tǒng)是在“時(shí)空效應(yīng)”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升變形控制的效果，是輔助手段，二者主次不可顛倒。

因此，綜合各方面的因素，深基坑的變形控制理念是環(huán)境保護(hù)與基坑安全并重、鋼混支撐設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、“時(shí)空效應(yīng)”與伺服應(yīng)用主輔分明，同時(shí)該理念是深基坑變形主動(dòng)控制的基礎(chǔ)[14]。

1.2 基于結(jié)構(gòu)影響性的圍護(hù)側(cè)向變形主動(dòng)控制原理

1.2.1 結(jié)構(gòu)影響性原理

對于連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，某些構(gòu)件力學(xué)參數(shù)的調(diào)整必然會(huì)對其他構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響，這種現(xiàn)象被稱為結(jié)構(gòu)的影響性。這種影響性奠定了基坑主動(dòng)控制的基礎(chǔ)。對于基坑的強(qiáng)度與剛度控制，力學(xué)參數(shù)主要是支撐軸力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩與剪力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑內(nèi)外土體荷載等，這些力學(xué)參數(shù)任意一個(gè)的改變都會(huì)對其他產(chǎn)生影響。但在基坑的主動(dòng)控制中，能夠主動(dòng)改變的力學(xué)參數(shù)主要是支撐軸力，因此其結(jié)構(gòu)的影響性主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）支撐軸力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，即支撐軸力的調(diào)整會(huì)改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力及變形。

2）軸力相干性，即一根支撐軸力的改變會(huì)對其他鄰近支撐的軸力產(chǎn)生影響，此種影響在本文中稱之為軸力相干性。由于軟土地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有豎向和縱向剛度，因此這種相干性是空間相關(guān)的。

3）支撐軸力對坑內(nèi)土體流變的影響。由于坑內(nèi)土體與支撐共同平衡著坑外土壓力與荷載，支撐軸力的改變必然會(huì)影響坑內(nèi)土體的應(yīng)力水平，而坑內(nèi)土體的應(yīng)力水平又與坑內(nèi)土體的流變大小有關(guān)。

軸力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形、坑內(nèi)土體流變的影響以及支撐之間的軸力相干性是結(jié)構(gòu)影響性原理在基坑主動(dòng)控制中的三大應(yīng)用。

1.2.2 基于結(jié)構(gòu)影響性原理的圍護(hù)側(cè)向變形主動(dòng)控制思路

在基坑施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是逐步施加的，其間有圍護(hù)變形、土體流變、邊界約束增減、體系轉(zhuǎn)換等過程，前期結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，直接影響后期結(jié)構(gòu)乃至竣工后結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，這就需要對整個(gè)過程進(jìn)行主動(dòng)控制。坑內(nèi)土體開挖后產(chǎn)生的坑內(nèi)外荷載差是圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的原因，而荷載差又是由坑外荷載（坑外水土壓力和其他荷載）、坑內(nèi)土體抗力以及支撐軸力的不均衡所產(chǎn)生的，其中除了坑內(nèi)土體所提供的抗力是被動(dòng)承受外，傳統(tǒng)工藝下支撐軸力也是被動(dòng)地承受坑外荷載，支撐軸力可稱之為被動(dòng)軸力。在應(yīng)用伺服系統(tǒng)后，支撐不再是單純的被動(dòng)受力，而是具有了主動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)整軸力的功能，這種軸力稱之為主動(dòng)軸力，主動(dòng)軸力成為實(shí)現(xiàn)變形控制的主要手段。

因此，基坑主動(dòng)控制的過程就是運(yùn)用現(xiàn)代控制理論和數(shù)值仿真技術(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)、現(xiàn)場實(shí)測狀態(tài)和誤差信息進(jìn)行誤差分析，依據(jù)結(jié)構(gòu)的影響性原理，通過支撐軸力的主動(dòng)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的精細(xì)化控制，從而使結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)趨于理想狀態(tài)。由于支撐軸力是有限值的，在控制變形的過程中軸力值不能超過支撐軸力的限值，因此主動(dòng)控制是變形與軸力的雙重控制。結(jié)合現(xiàn)代控制論和結(jié)構(gòu)的影響性原理，基坑主動(dòng)控制的思路如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)控制流程

1.3 鋼支撐伺服系統(tǒng)的軸力主動(dòng)控制方法

考慮到基坑的復(fù)雜性，根據(jù)鋼支撐軸力間的相互影響（相干性）和軟土地鐵基坑的施工力學(xué)模型可以得知，軸力的控制目標(biāo)應(yīng)該能根據(jù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)工況的不同，設(shè)定相應(yīng)的控制目標(biāo)，即軸力的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)控制法。

在每層土方的開挖支撐過程中，如果變形能夠滿足分級控制指標(biāo)，那么就以初始軸力值作為該道支撐伺服系統(tǒng)的軸力控制目標(biāo)值；否則不斷調(diào)整軸力控制的目標(biāo)值，直到變形滿足要求為止。

軸力目標(biāo)值確定后，在該層土方開挖過程中伺服系統(tǒng)啟動(dòng)補(bǔ)償功能，克服由于水平相干性、支撐的非彈性變形與降溫等引起的軸力損失。上層土方挖完、下層土方開挖前，關(guān)閉上層對應(yīng)的鋼支撐軸力補(bǔ)償功能，根據(jù)該層的變形控制目標(biāo)實(shí)時(shí)調(diào)整該道支撐軸力的目標(biāo)控制值直至滿足要求，考慮到豎向相干性，上層支撐以變化后的軸力值作為控制目標(biāo)，重新啟動(dòng)補(bǔ)償功能。

在動(dòng)態(tài)多目標(biāo)控制法中，每道支撐的軸力控制目標(biāo)根據(jù)變形控制結(jié)果后確定，并根據(jù)下道支撐的相干性結(jié)果而動(dòng)態(tài)調(diào)整，這樣既可以提高變形控制效果，又可以避免支撐軸力設(shè)置過大造成的基坑負(fù)向變形偏大。

2 軟土地鐵深基坑主動(dòng)控制法的應(yīng)用

2.1 工程概況

上海市浦東南路站地處陸家嘴核心區(qū)域，基坑沿浦東大道東西向敷設(shè)，騎跨即墨路，如圖2（a）所示。擬建車站地層分布如下：①1雜填土、②1粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1-2砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂。車站主體基坑坑底位于⑤1層粉質(zhì)黏土中，圍護(hù)墻墻趾底位于第⑦2層粉砂中。

基坑圍護(hù)形式為厚1.0 m、深46 m的地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)6道支撐，第1、4道支撐均為混凝土支撐（1 000 mm× 800 mm、1 500 mm×1 200 mm），倒數(shù)第2道支撐為800 mm×20 mm鋼管撐，其余為φ609 mm× 16 mm鋼管撐，如圖2（b）所示。

圖2 浦東南路站地鐵基坑示意

車站主體基坑先施工B坑，然后施工A-1坑，最后施工A-2坑。考慮到A-2坑環(huán)境極其復(fù)雜，在第2、3、5、6道鋼支撐中設(shè)置了軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)（圖3），對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行主動(dòng)控制。

圖3 軸力伺服系統(tǒng)示意

2.2 主動(dòng)控制實(shí)施內(nèi)容

根據(jù)基坑周邊環(huán)境的不同取3個(gè)橫斷面為代表，即測斜點(diǎn)P23（鄰近東端頭井）、P25（基坑長邊中間）、P28（西側(cè)蓋挖區(qū)域）所在的斷面〔見圖2（a）〕，依據(jù)上述深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形主動(dòng)控制的流程與內(nèi)容，對浦東南路站A-2基坑開挖支撐過程進(jìn)行了主動(dòng)控制。

2.2.1 本構(gòu)模型的選取

基坑開挖是典型的卸載問題，且開挖會(huì)引起應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑的改變，分析中所選擇的本構(gòu)模型最好應(yīng)能同時(shí)反映土體在小應(yīng)變時(shí)的非線性行為和土的塑性性質(zhì)。為此，選擇HS模型進(jìn)行計(jì)算分析，針對最不利開挖環(huán)境建立基本計(jì)算模型，如圖4所示。

圖4 浦東南路站A-2坑計(jì)算模型

在參數(shù)確定上，對于已經(jīng)開挖完成的浦東南路站A-1坑和B坑，用有限元模型計(jì)算其基坑變形情況，得出的結(jié)果與基坑實(shí)際變形狀態(tài)基本吻合，從而可認(rèn)為采用的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與土層參數(shù)是有效可行的。

2.2.2 基坑開挖支撐過程中軸力與變形的目標(biāo)狀態(tài)

對于A-2坑，根據(jù)《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》（SZ-08—2000），其環(huán)境保護(hù)等級為一級，基坑側(cè)向變形控制指標(biāo)為0.14%H（H為基坑挖深）?？紤]到該基坑開挖前周邊建筑物的狀態(tài)較差，對環(huán)境保護(hù)要求提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

為此，綜合各方因素將A-2坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形控制的最終指標(biāo)定為0.08%H。各道鋼支撐處及坑底的變形分級控制指標(biāo)如下：2#支撐處4 mm、3#支撐處7.2 mm、5#支撐處12.8 mm、6#支撐處15.2 mm、坑底18.1 mm。

根據(jù)支撐的規(guī)格、系梁的設(shè)置情況，綜合考慮溫度、支撐的拼裝質(zhì)量等情況，最終確定的各類支撐軸力的限值如表1所示。

表1 各道支撐軸力限值單位：kN

2.2.3 鋼支撐初始軸力計(jì)算

根據(jù)各斷面處的周邊環(huán)境以及0.08%H側(cè)向變形控制指標(biāo)，采用“雙控法”并根據(jù)擬定的施工方案對基坑的施工過程進(jìn)行分析，獲得各斷面滿足變形控制要求的支撐計(jì)算軸力（表2），作為支撐實(shí)際施加軸力的初始值。

表2 A-2坑各斷面支撐架設(shè)初始軸力 單位：kN

2.2.4 基于軸力相干性的伺服系統(tǒng)補(bǔ)償功能設(shè)置

根據(jù)動(dòng)態(tài)多目標(biāo)控制法，每道支撐的軸力控制目標(biāo)根據(jù)變形控制結(jié)果后確定，并根據(jù)下道支撐的相干性結(jié)果而予以動(dòng)態(tài)調(diào)整，這樣既可以提高變形控制效果，又可以避免支撐軸力過大而造成基坑負(fù)向變形偏大。為此，計(jì)算了下方土體開挖及新支撐的架設(shè)對上方既有支撐軸力的影響，詳見表3所示。

表3 開挖過程中鋼支撐軸力的變化情況單位：kN

由表3可知，第3層土方開挖后，第2道鋼支撐的軸力變化幅度為23%，第3道支撐架設(shè)后軸力變化幅度為21%，但與初始軸力相比，變化幅度僅為3%。此后直至開挖到底，各道支撐的最終軸力與初始軸力相比變化幅度為4%。

這說明本工程中施加的鋼支撐軸力能有效平衡土方開挖引起的上道支撐的軸力增加值，即支撐架設(shè)后下層土方的開挖會(huì)引起支撐軸力變大，理論上應(yīng)開啟軸力補(bǔ)償功能增加軸力。

但隨著下道支撐的架設(shè)以及支撐軸力的施加，上道支撐的軸力值又會(huì)降低，理論上應(yīng)開啟軸力補(bǔ)償功能減小軸力。然而，下層土方開挖與支撐架設(shè)對上道支撐軸力的最終影響很小，軸力補(bǔ)償功能又無需開啟。

考慮到施工的復(fù)雜性，實(shí)際施工中一般將伺服系統(tǒng)軸力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)范圍設(shè)置為預(yù)定值的±5%。即當(dāng)軸力波動(dòng)在±5%范圍內(nèi)時(shí)，伺服系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，而本工程中工況變化引起的軸力變化在5%以內(nèi)，無需頻繁開啟補(bǔ)償功能進(jìn)行軸力補(bǔ)償。

同時(shí)，根據(jù)水平相干性，軸力變化會(huì)導(dǎo)致其他支撐軸力的損失，使支撐軸力不滿足平面應(yīng)變假定。因此，在同層土方開挖支撐過程中，為確保該層土方全部挖出后的支撐軸力與計(jì)算軸力一致，使基坑最終的力學(xué)狀態(tài)與平面應(yīng)變狀態(tài)一致，軸力補(bǔ)償開關(guān)需開啟。

2.2.5 基于動(dòng)態(tài)多目標(biāo)控制法的主動(dòng)控制過程

由于基坑工程的復(fù)雜性，支撐的理論軸力與圍護(hù)的實(shí)際側(cè)向變形往往不一致。根據(jù)軸力-變形影響性與軸力-流變影響性，通過調(diào)整支撐軸力可以改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形、約束土體流變的發(fā)展，因此在開挖支撐過程中，如果變形能夠滿足分級控制指標(biāo)，那么就以初始軸力值作為該道支撐伺服系統(tǒng)的軸力控制目標(biāo)值；否則不斷調(diào)整軸力控制的目標(biāo)值，直到變形滿足要求為止。

取測斜點(diǎn)P25所在的橫斷面為代表，闡述基坑開挖過程中的施工控制過程。繪制P25斷面處各道支撐深度處的軸力-變形時(shí)間歷程曲線，如圖5所示（圖中標(biāo)星處表示各道支撐架設(shè)的時(shí)間點(diǎn)）。隨著開挖進(jìn)行與鄰近支撐的架設(shè)，按分項(xiàng)指標(biāo)對各道鋼支撐的軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

圖5 各道支撐處軸力-變形時(shí)間歷程曲線

2.2.6 主動(dòng)控制結(jié)果

A-2基坑3個(gè)測點(diǎn)斷面?zhèn)认蜃冃蔚闹鲃?dòng)控制結(jié)果如圖6所示，軸力的主動(dòng)控制結(jié)果如表4所示。3個(gè)測點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形都基本能滿足控制目標(biāo)0.08%H，且各道支撐軸力均處于目標(biāo)限值之內(nèi)。

從上述控制過程可以得到以下結(jié)論：

1）支撐主動(dòng)增加軸力，使該處圍護(hù)位移得到抑制甚至反向變化，表明軸力與變形間存在著對應(yīng)關(guān)系，軸力-變形影響性是可行的。

圖6 各斷面圍護(hù)側(cè)向變形曲線

表4 浦東南路站A-2坑鋼支撐最終軸力單位：kN

2）在軟土基坑中當(dāng)無支撐暴露時(shí)間較長時(shí)，流變會(huì)引起較明顯的圍護(hù)變形。后期通過及時(shí)施加主動(dòng)軸力，土體流變得到了有效控制，流變增量趨于收斂，這說明流變影響性是可行的。

3）淺層圍護(hù)在軸力施加后發(fā)生明顯的負(fù)向變形，深層圍護(hù)在軸力施加后的變形較小，說明土體越深控制效果越差，這就要求變形控制越早越好。

4）最后一道支撐設(shè)計(jì)原為φ 609 mm規(guī)格，改用φ 800 mm規(guī)格鋼支撐后，支撐軸力限值大幅提高，3 200 kN（φ609 mm鋼支撐的極限軸力為2 500 kN）的支撐軸力有效地控制了坑底下方的圍護(hù)變形，表明深部土體中基坑側(cè)向變形的控制與支撐的剛度密切相關(guān)，應(yīng)盡量采用剛度較大的支撐為變形控制提供余地。

5）由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的抗彎剛度，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形具有連續(xù)性和繼承性，即淺層土體開挖卸荷必然引起深層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，這就要求變形必須進(jìn)行分層控制，即把每層土方施工引起的變形控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)基坑的變形控制目標(biāo)。

2.3 深基坑圍護(hù)側(cè)向變形控制理念的全面實(shí)踐

由于影響基坑圍護(hù)側(cè)向變形的因素很多，單純的伺服控制并不能完全解決基坑圍護(hù)側(cè)向變形控制問題，上述主動(dòng)控制結(jié)果是在全面的深基坑圍護(hù)側(cè)向變形控制理念指導(dǎo)下獲得的。

1）根據(jù)周邊環(huán)境和支撐力學(xué)特點(diǎn)，科學(xué)審慎地確定了0.08%H的圍護(hù)側(cè)向變形控制目標(biāo)以及不同規(guī)格的軸力限值，實(shí)踐證明該限值是合理的。一方面，支撐現(xiàn)場拼裝質(zhì)量的離散性表明過大的軸力值極易引起支撐失穩(wěn)，特別是溫度荷載會(huì)引起淺層支撐軸力的劇烈增加，支撐軸力設(shè)定應(yīng)當(dāng)留有一定的余量；另一方面，0.08%H變形指標(biāo)足以確保周邊環(huán)境的安全要求，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明周邊建筑物處于安全狀態(tài)，避免了過高的保護(hù)要求可能帶來的支撐失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2）軸力的豎向相干性表明，支撐軸力的影響范圍一般不超過3道支撐，距離越遠(yuǎn)影響越小。本工程豎向設(shè)置了6道支撐，除第1道混凝土支撐外，間隔2道鋼支撐在第4道設(shè)置混凝土支撐，形成“隔二設(shè)一”模式。一方面，計(jì)算表明第4道支撐軸力最大，較之“隔三設(shè)一”模式可以提高基坑的安全性；另一方面，較之“隔一設(shè)一”模式，“隔二設(shè)一”模式避免了過多混凝土支撐限制圍護(hù)變形調(diào)整的情形，實(shí)現(xiàn)了鋼支撐與混凝土支撐的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)設(shè)置。

3）B坑、A-1坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，軟土流變引起的圍護(hù)側(cè)向變形占據(jù)了總變形的70%左右，這就要求充分利用“時(shí)空效應(yīng)”盡量減少流變變形。為此，在A-2坑的圍護(hù)側(cè)向變形控制中，首先把“時(shí)空效應(yīng)”作為基坑變形控制的核心和主要控制手段，盡量減少無支撐暴露時(shí)間下的流變變形。整個(gè)控制過程表明，支撐軸力對于淺層圍護(hù)側(cè)向變形控制效果明顯，但對深層土體處的圍護(hù)側(cè)向變形控制效果顯著降低，單純依靠軸力來減少已經(jīng)發(fā)生的變形不可取，軸力主要用于控制土體流變產(chǎn)生的變形，伺服系統(tǒng)是輔助手段，二者主次不可顛倒。

因此，環(huán)境保護(hù)與基坑安全并重、鋼混支撐設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、“時(shí)空效應(yīng)”與伺服應(yīng)用主輔分明的深基坑圍護(hù)側(cè)向變形控制理念，是深基坑變形主動(dòng)控制方法的實(shí)施基礎(chǔ)，拋開這一點(diǎn)無法充分發(fā)揮主動(dòng)控制的效果。

3 結(jié)語

伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)支撐軸力的實(shí)時(shí)、主動(dòng)調(diào)整，為建立全新的主動(dòng)控制方法奠定了硬件基礎(chǔ)；而基于結(jié)構(gòu)影響性原理所提出的主動(dòng)控制方法則奠定了主動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)。通過對主動(dòng)控制方法的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

1）自動(dòng)伺服系統(tǒng)既為基坑的變形控制提供了可靠的手段，同時(shí)又對傳統(tǒng)的基坑變形控制理念帶來了挑戰(zhàn)。所提出的圍護(hù)變形與支撐軸力雙控、鋼混支撐設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、環(huán)境保護(hù)與基坑安全并重、“時(shí)空效應(yīng)”與伺服應(yīng)用主輔分明的深基坑變形控制理念，為深基坑變形的系統(tǒng)控制提供了重要指導(dǎo)。

2）基于結(jié)構(gòu)影響性原理所提出的基坑主動(dòng)控制思路是通過軸力的主動(dòng)改變來實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的調(diào)整，其中軸力-變形影響性、軸力相干性、軸力-流變影響性是結(jié)構(gòu)影響性原理在基坑主動(dòng)控制中的三大應(yīng)用。

3）考慮到基坑工程的復(fù)雜性，靜態(tài)單一目標(biāo)法難以滿足基坑的主動(dòng)控制需要，所提出的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)控制法較好地克服了上述困難，既可以提高變形控制效果，又可以避免支撐軸力設(shè)置過大而造成基坑負(fù)向變形偏大。