城市中心區(qū)地鐵深基坑鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用研究

史 劍

（江蘇東印智慧工程技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著城市的建設(shè)發(fā)展，土地資源稀缺，地上地下結(jié)構(gòu)物十分密集已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。面對(duì)基坑施工過程中周邊既有道路、橋梁、地鐵等建、構(gòu)筑物，基坑變形控制已成為城鎮(zhèn)化進(jìn)程的一個(gè)剛需。已有研究［1-3］指出，基坑變形按時(shí)間順序可分為：基坑開挖前的變形、基坑開挖至底板施工完畢期間的變形、底板澆筑后的變形；其中開挖階段安全問題最突出，變形最大，此階段變形控制是深基坑變形控制的重點(diǎn)。而鋼支撐是開挖階段維護(hù)基坑穩(wěn)定的一項(xiàng)重要措施，在基坑工程中起到至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)鋼支撐在深基坑支護(hù)過程中主要面臨以下實(shí)際問題：①傳統(tǒng)鋼支撐在安裝時(shí)采用液壓設(shè)備施加預(yù)應(yīng)力，打入鋼楔塊進(jìn)行鎖定，鎖定過程中即產(chǎn)生軸力損失，且后續(xù)無法調(diào)整；②傳統(tǒng)鋼支撐軸力變化取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，處于被動(dòng)受力狀態(tài)；③傳統(tǒng)鋼支撐補(bǔ)償具有滯后性，補(bǔ)償時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移無法得到控制［4］。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)［5-7］是由硬件設(shè)備及軟件程序組成的一套智能控制系統(tǒng)，它的工作原理是利用鋼支撐軸力補(bǔ)償裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼支撐系統(tǒng)中的活絡(luò)頭，由液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)對(duì)千斤頂壓力進(jìn)行調(diào)整。通過 24 h 監(jiān)控并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)低壓自動(dòng)伺服，高壓自動(dòng)報(bào)警，進(jìn)行位移與軸力雙控，能夠有效地減少因鋼支撐補(bǔ)償滯后引起的變形。

本文以南京地鐵 5 號(hào)線中心城區(qū)山西路站基坑開挖鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用為例，分析基坑開挖階段鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)下基坑變形及周邊建構(gòu)筑物沉降控制效果。

1 案例分析

1.1 工程概況

圖 1 為南京地鐵 5 號(hào)線山西路站平面布置圖。山西路站沿中山北路跨山西路和湖南路路口布置，中山北路現(xiàn)狀寬度 40 m。山西路和湖南路現(xiàn)狀寬分別寬 33 m和 34 m。車站為地下 2 層島式車站，站臺(tái)寬12 m，站后設(shè)單停車線。主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬 21.1 m，端頭井寬 25.3 m。車站共設(shè) 4 個(gè)出入口、2 個(gè)風(fēng)亭、2 個(gè)消防疏散口，其中 1 號(hào)、2 號(hào)出入口由“湖南路商業(yè)街”代建。車站南端（小里程端）一側(cè)盾構(gòu)始發(fā)，一側(cè)盾構(gòu)接收；停車線段設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井，北端（大里程端）盾構(gòu)接收。

圖1 山西路站總平面圖

山西路站為車站起迄里程為 K30+702.733～K31+215.733，總長(zhǎng) 513 m，站臺(tái)寬度 12 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度 21.1 m，底板埋深 16.94 m。根據(jù)建筑布置和使用功能的要求，該站采用兩層單柱雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)。

1.2 水文地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)地處于秦淮河漫灘平原區(qū)，砂土、軟土發(fā)育，工程地質(zhì)條件一般。圖 2 所示為山西路站地質(zhì)情況剖面圖。從圖中可以看出，場(chǎng)地內(nèi)地層從上到下依次為：①-1 雜填土層、①-2 素填土層、②-1d3 層粉砂、②-2b 3-4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-4b 2 層粉質(zhì)黏土、③-1b2 層粉質(zhì)黏土、③-3b3 層粉質(zhì)黏土、③-4b2 層粉質(zhì)黏土（主要分布單渡線段）、③-4-1e 含卵礫石粉質(zhì)黏土、③-4-2e 中粗砂含卵礫石（主要分布單渡線段）、J3l-2 層強(qiáng)風(fēng)化巖、J3l-3 層中風(fēng)化巖。車站主體結(jié)構(gòu)基底土層主要為 ②-2b3-4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及 ②-4b2可塑粉質(zhì)黏土，巖土層工程特性差異較明顯?；鶐r面埋深起伏變化較大，中部淺、兩端深。

圖2 山西路站地質(zhì)剖面圖

地下水穩(wěn)定水位埋深 0.50～2.80 m，平均高程 8.96 m，場(chǎng)地地下水位年變化幅度 1.0 m 左右。場(chǎng)地③-4-2e 層承壓水水頭埋深 1.50 m，高程為 9.08 m。含水層常年有水，水頭標(biāo)高略低于潛水穩(wěn)定水位，與潛水含水層聯(lián)系弱。

1.3 周邊建筑物概況

南京地鐵 5 號(hào)線山西路站位于中心城區(qū)，周邊敏感建筑較多，且建筑年代基礎(chǔ)形式不一。根據(jù)南京市關(guān)于地鐵建設(shè)沿線房屋安全管理的相關(guān)規(guī)定，對(duì)秦淮河漫灘區(qū)≥ 2 倍基坑深度為主要影響范圍進(jìn)行臨近建筑物狀況調(diào)查，結(jié)果如表 1 所示，其中 H 為山西路站基坑深度。從表中可以看出，山西路站周邊建筑物年代久遠(yuǎn)，大量低層建筑物基礎(chǔ)形式不明，對(duì)基坑開挖與周邊環(huán)境保護(hù)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

表1 山西路站主體結(jié)構(gòu)主要臨近建筑物狀況描述表

2 開挖工況及伺服支撐實(shí)施方案

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐型式。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用 0.8 m 的地下連續(xù)墻。由于車站處于市中心，為保障社會(huì)交通，車站主體結(jié)構(gòu)基坑開挖采用半蓋挖法施工。標(biāo)準(zhǔn)段基坑豎向設(shè) 4 道支撐，第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，第二、三、四道支撐采用φ800 mm 鋼支撐。山西路站主體地下連續(xù)墻及第一道鋼筋混凝土支撐施工于 2019 年 1 月 20 日完成，主體基坑于 3 月 30 日－ 4 月 3 日完成第 2 層土方開挖并架設(shè)鋼支撐；4 月 3 日－ 4 月 28 日完成第 3 層土方開挖并架設(shè)鋼支撐；4 月 25 日－ 6 月 13 日完成第 4 層土方開挖。

為保護(hù)主體基坑 25～32 軸人和街民宅，主體基坑第二～四道 74～92 采用支撐軸力伺服系統(tǒng)，共計(jì) 57 根。軸力伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它可以通過自動(dòng)調(diào)節(jié)油缸長(zhǎng)度來彌補(bǔ)鋼支撐的壓縮量，主動(dòng)控制地下墻的位移。基坑伺服鋼支撐段平、縱剖面圖分別如圖 3 和圖 4 所示，伺服段全部為φ800 mm 伺服支撐，總共 57 根，每 8 根伺服鋼支撐共用 1 臺(tái)數(shù)控泵站，所需泵站數(shù)量共計(jì) 8 臺(tái)。因場(chǎng)地關(guān)系，泵站沿南邊靠圍擋放置。伺服支撐于 4 月 1 日隨基坑開挖后開始安裝，6 月 13 日安裝完畢。具體伺服鋼支撐安裝時(shí)間如表 2 所示。

圖3 基坑鋼支撐及泵站平面布置圖（單位：mm）

圖4 基坑伺服鋼支撐縱剖面圖

表2 山西路站基坑伺服支撐安裝時(shí)間表

3 伺服鋼支撐數(shù)據(jù)分析

基坑開挖過程中伺服支撐段鋼支撐軸力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及周圍建筑物監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖如圖 5 所示。圖 6 所示為隨著基坑開挖與支撐施工伺服支撐段測(cè)斜孔所測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移深層水平位移曲線。表 3 所示為開挖過程中伺服支撐段對(duì)應(yīng)位置測(cè)斜孔所測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)深層水平位移數(shù)據(jù)可以看出，伺服支撐段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移 16.01 mm，位移深度比 1.0 ‰。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移匯總

圖5 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值主要發(fā)生在第 3 層及第 4 層位置，總體結(jié)構(gòu)變形不大。伺服鋼支撐位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移處于穩(wěn)定、可控狀態(tài)。由于第 3 層到第 4 層 位置開挖后架設(shè)支撐不及時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐暴露時(shí)間較長(zhǎng)，變形由此增大。這主要是由于支撐未及時(shí)架設(shè)導(dǎo)致坑底土體的應(yīng)力水平相對(duì)較高，土體在較高應(yīng)力水平下經(jīng)歷了蠕變的高速發(fā)展。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜孔水平位移曲線

表 4 和表 5 分別給出了伺服支撐在各級(jí)施工工況下的軸力及對(duì)應(yīng)深度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移典型數(shù)據(jù)。第 2 層土方開挖伺服支撐控制范圍內(nèi)的水平位移被控制在 3 mm 之內(nèi)；第 3 層土方開挖伺服支撐控制范圍內(nèi)的水平位移被控制在 0 mm 之內(nèi)；第 4 層土方開挖伺服支撐控制范圍內(nèi)的水平位移被控制在 3 mm 之內(nèi)。隨著基坑開挖與支撐，施工伺服支撐段各級(jí)支撐對(duì)應(yīng)深度處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨時(shí)間變化典型曲線測(cè)斜孔深層水平位移曲線如圖 7 所示。伺服鋼支撐安裝后，支撐所在高度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈有明顯收斂趨勢(shì)。隨著伺服支撐的架設(shè)，變形處于穩(wěn)定狀態(tài)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)在支撐暴露期間的變形得到了較好的控制。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各測(cè)斜孔水平位移-時(shí)間曲線

表4 ZQT 16 測(cè)斜孔處伺服鋼支撐軸力及水平位移數(shù)據(jù)表

表5 ZQT17 測(cè)斜孔處伺服鋼支撐軸力及水平位移數(shù)據(jù)表

基坑開挖階段房屋沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖 8 所示。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為 16.01 mm，房屋最大沉降為 31.05 mm，差異沉降不明顯，滿足基坑變形控制要求。

圖8 建筑物沉降變化曲線圖

4 結(jié)論

南京地鐵 5 號(hào)線山西路站標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖，為保護(hù)周邊敏感建筑物采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)施工。本文通過分析開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位置、支撐軸力及建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要得出以下結(jié)論。

1）開挖期間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為16.01 mm，房屋最大沉降為 31.05 mm，滿足變形控制要求，鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的應(yīng)用保障了基坑安全高效開挖。

2）開挖期間由于鋼支撐未及時(shí)架設(shè)將直接導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和建筑物沉降明顯增大。隨著軸力伺服系統(tǒng)鋼支撐的架設(shè)，變形能夠得到及時(shí)控制，之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）通過伺服鋼支撐主動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)整支撐軸力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制的有效性和長(zhǎng)期性。Q