鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在端頭井圍護(hù)中的應(yīng)用

陳峻屹,朱鎮(zhèn)波,楊建輝

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023;2.中鐵隧道股份有限公司,鄭州 450007)

鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)作為一項(xiàng)新型技術(shù),具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)補(bǔ)償軸力和有效控制基坑變形等優(yōu)點(diǎn),多應(yīng)用于城市中周邊環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜情況下的基坑圍護(hù)工程。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)與傳統(tǒng)鋼支撐的設(shè)計(jì)理念截然不同,鋼支撐由被動(dòng)受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)調(diào)控狀態(tài)[1-2],系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支撐軸力的變化情況,及時(shí)調(diào)整液壓千斤頂以改變輸出軸力,控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,即依照控制目標(biāo)動(dòng)態(tài)調(diào)整軸力,這樣就克服了傳統(tǒng)鋼支撐調(diào)整軸力難,因溫度變化、應(yīng)力松弛而產(chǎn)生的軸力損失等問(wèn)題[3]。因此鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于實(shí)際工程,如“大上海會(huì)德豐廣場(chǎng)”深基坑首次應(yīng)用該系統(tǒng),隨后許多工程也相繼應(yīng)用,對(duì)基坑結(jié)構(gòu)的位移控制效果顯著[4-5]。研究者針對(duì)鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對(duì)基坑的控制效果采取不同的研究方法,曹虹等[6-7]通過(guò)建立有限元模型驗(yàn)證了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形效果良好。卞國(guó)強(qiáng)[8]統(tǒng)計(jì)了20個(gè)應(yīng)用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的基坑數(shù)據(jù),歸納了使用過(guò)程中存在的問(wèn)題并給出解決建議。盾構(gòu)端頭井空間效應(yīng)顯著,地層位移、地表沉降有其自身特點(diǎn)。楊雪強(qiáng)等[9]基于土體的三維破壞模式,得出了在空間效應(yīng)的影響下土壓力的計(jì)算公式;俞建霖等[10]提出隨著基坑長(zhǎng)寬比的增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊的最大水平位移不斷增大,空間效應(yīng)減弱;高文華等[11-13]建立了三維有限元分析模型,研究得出合理應(yīng)對(duì)深基坑空間效應(yīng)問(wèn)題能有效減小基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形;吳波等[14-15]通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),總結(jié)了在空間效應(yīng)的影響下軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖引起的基坑變形分布規(guī)律。關(guān)于端頭井和鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的相關(guān)研究數(shù)量眾多,但在盾構(gòu)端頭井中應(yīng)用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的研究很少。因此,本文結(jié)合杭州“環(huán)城北路-天目山路提升改造工程02標(biāo)段”工程,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究在空間效應(yīng)的影響下,鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對(duì)端頭井變形的控制效果,分析軸力和變形的關(guān)系,為實(shí)際工程中鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

杭州“環(huán)城北路-天目山路提升改造工程02標(biāo)段”為古翠路-中河立交段,西起古翠路,東至中河立交,全長(zhǎng)3.26 km。我們的研究工作開(kāi)展于該提升改造工程的3號(hào)端頭井,端頭井位于武林廣場(chǎng)西通道以東,起止里程K4+162.828～K4+193.928,平面尺寸長(zhǎng)42.9 m,寬27.4 m,基坑開(kāi)挖深24.02 m,采用21幅地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),墻厚1 200 mm,深48 m(墻底標(biāo)高-41.5 m)。支撐體系采用3道混凝土支撐加4道鋼支撐的混合支撐體系,鋼支撐采用軸力伺服系統(tǒng)(以下稱(chēng)伺服鋼支撐),工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示,端頭井伺服鋼支撐平面布置如圖2所示。3號(hào)端頭井地處城市繁華地帶,車(chē)流量大,周?chē)ㄖ锉姸?北側(cè)與環(huán)城北路地下車(chē)庫(kù)相距20 m,南側(cè)40 m處為浙江展覽館,兩側(cè)為交通干道,周?chē)h(huán)境復(fù)雜。

圖1 工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)Fig.1 Section of enclosure structure on working well (unit: mm)

圖2 端頭井伺服鋼支撐平面布置Fig.2 Layout plan of servo steel support for end well

端頭井施工順序見(jiàn)表1。由表1可知,相鄰兩道支撐開(kāi)挖間隔短、工期緊,開(kāi)挖階段需要嚴(yán)格控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊地表沉降,保證基坑安全穩(wěn)定,以及基坑兩側(cè)車(chē)道正常運(yùn)行,減小對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響。第四道混凝土支撐安裝至第五道混凝土支撐安裝間隔時(shí)間跨度大,其原因是受新型冠狀病毒肺炎疫情影響,項(xiàng)目停工,停工期基坑周?chē)巳杭败?chē)輛少,基坑處于靜置狀態(tài),使用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)維持基坑穩(wěn)定。

表1 端頭井施工順序Table 1 Construction sequence of end well

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)基坑位移分布的一般規(guī)律,端頭井基坑的空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、地表沉降分布等有顯著影響;同時(shí)端頭井基坑與后背段基坑存在寬度差,地連墻呈Z字形,局部抗彎剛度產(chǎn)生劇烈變化,這對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形也會(huì)有顯著影響。因此,在端頭井基坑中部和陽(yáng)角布置測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖3所示。

圖3 端頭井監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.3 Layout plan of monitoring points of end well

測(cè)斜點(diǎn)Q1、Q3、Q4、Q6分別監(jiān)測(cè)4個(gè)角點(diǎn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移,測(cè)斜點(diǎn)Q2、Q5、Q7分別監(jiān)測(cè)端頭井基坑中部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。端頭井北側(cè)為環(huán)城北路地下車(chē)庫(kù),南側(cè)為浙江展覽館,基坑與建筑物之間設(shè)置了地表沉降監(jiān)測(cè)剖面,基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目匯總表見(jiàn)表2。

表2 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目匯總表Table 2 Summary of foundation pit monitoring items

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q2、Q5和Q7的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分布如圖4所示。由圖4可知,隨著開(kāi)挖深度的增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈上升趨勢(shì),在第六道支撐完成時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到最大,且最大值位于基坑深度15～20 m之間,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移累計(jì)變化量控制在50 mm以?xún)?nèi),控制效果良好。

圖4 Q2、Q5和Q7的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分布Fig.4 Distribution of horizontal displacement of enclosure structure in Q2、Q5 and Q7

Q2、Q5在監(jiān)測(cè)深度15～20 m的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖5所示,由圖5可知,2020年1月6日至3月7日,國(guó)內(nèi)新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā),項(xiàng)目停工,鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)發(fā)揮作用,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化小,基坑變形保持穩(wěn)定。

圖5 Q2、Q5在監(jiān)測(cè)深度15～20 m的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移Fig.5 Horizontal displacement of enclosure structure at monitoring depth of Q2 and Q5 at 15-20 m

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的最大值與開(kāi)挖深度有關(guān),將兩項(xiàng)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理,用δ/H的比例系數(shù)來(lái)表示兩者的關(guān)系,即圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與開(kāi)挖深度的比率,如圖6所示。由圖6可知,比例系數(shù)均小于等于0.3%,大部分處于0.15%～0.3%之間,滿足規(guī)范GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[16]關(guān)于一級(jí)基坑δ/H≤0.3%的要求,這說(shuō)明鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與開(kāi)挖深度的比率Fig.6 Ratio of maximum horizontal displacement of enclosure structure to excavation depth

開(kāi)挖至坑底時(shí)北側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q1、Q2、Q3和南側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q4、Q5、Q6的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖7所示。由圖7可知,Q1、Q6的位移變化小,其原因是基坑角部受空間效應(yīng)影響,抑制了附近區(qū)域位移的發(fā)展。監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q2、Q5的位移變化最大,Q3、Q4的變化相比Q2、Q5小幅降低,其原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q3、Q4位于端頭井與后背段基坑連接處,地下連續(xù)墻呈Z字形變化,局部剛度增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減小。

圖7 開(kāi)挖至坑底時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移Fig.7 Horizontal displacement of enclosure structure when excavated to pit bottom

2.3 鋼支撐軸力

鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)工作時(shí),現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)軸力計(jì)監(jiān)測(cè)千斤頂?shù)膶?shí)際工作壓力,伺服系統(tǒng)調(diào)整工作壓力達(dá)到設(shè)定值,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄每日支撐軸力的變化情況,第二道支撐軸力變化情況、第三道支撐軸力變化情況如圖8～9所示。由圖8～9可知,伺服鋼支撐軸力呈波動(dòng)狀態(tài)。從總體上看,北2-1及3-1伺服鋼支撐、南2-1及3-1伺服鋼支撐的軸力較小,而布置在端頭井中部的伺服鋼支撐北2-4及2-5、南2-4及2-5,軸力最大。這是由于端頭井角部存在空間效應(yīng),抑制了鄰近區(qū)域土體位移的發(fā)展,伺服鋼支撐北2-1及3-1、南2-1及3-1支撐處的土體變形小,支撐軸力小?；娱_(kāi)挖階段支撐軸力變化幅度大,第七道支撐安裝完成前,各道支撐軸力達(dá)到峰值。

圖8 第二道支撐軸力變化情況Fig.8 Changes of the second support axial force

圖9 第三道支撐軸力變化情況Fig.9 Changes of the third support axial force

2.4 地表沉降

整理分析北測(cè)線D2和南測(cè)線D5的數(shù)據(jù)得到地表沉降值,如圖10所示。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量逐漸增大,其中距基坑邊緣15 m和距基坑邊緣20 m沉降量最大;開(kāi)挖至坑底時(shí),北側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D2的最大地表沉降量大于南側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D5的最大地表沉降量,原因可能是京杭大運(yùn)河位于基坑北側(cè),北側(cè)深層土體受河水影響,沉降量增大。

圖10 地表沉降值Fig.10 Surface settlement value

3 數(shù)值模型驗(yàn)證

3.1 基本假定及計(jì)算模型建立

表3 土層計(jì)算參數(shù)Table 3 Soil layer calculation parameters

表4 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 4 Structural calculation parameters

圖11 端頭井計(jì)算模型Fig.11 Calculation model of end well

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

整理數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果,得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算值如圖12所示。由圖12可知,數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本上保持一致,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在預(yù)警值50 mm以?xún)?nèi),隨著開(kāi)挖深度的增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不斷增加。

圖12 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算值Fig.12 Calculated value of horizontal displacement of enclosure structure

第二道鋼支撐軸力計(jì)算值如圖13所示。由圖13可知,角部鋼支撐南2-1的支撐軸力計(jì)算值小于其余6根鋼支撐的軸力計(jì)算值,這進(jìn)一步驗(yàn)證了端頭井受空間效應(yīng)影響。通過(guò)改變伺服鋼支撐的預(yù)加軸力,得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移計(jì)算值與預(yù)加軸力的關(guān)系圖,如圖14所示。由圖14可知,隨著預(yù)加軸力逐漸增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移逐漸減小。

圖13 第二道鋼支撐軸力計(jì)算值Fig.13 Calculated value of axial force ofthe second steel support

圖14 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移計(jì)算值與預(yù)加軸力關(guān)系Fig.14 Relationship between calculated value of maximumhorizontal displacement of enclosure structureand pre-loaded axial force

綜合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果,由于端頭井角部存在空間效應(yīng),角部區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)相互抑制變形的發(fā)展,導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變小,角部鋼支撐的變形小,由胡克定律可知,角部鋼支撐的支撐軸力小;鋼支撐預(yù)加軸力的變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移有較大的影響,預(yù)加軸力越大,伺服鋼支撐抑制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的效果越好,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移就越小。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合工程實(shí)例,分析端頭井的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并利用有限元模型計(jì)算驗(yàn)證,探討鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和周邊地表沉降的影響及其變化規(guī)律,得出如下結(jié)論:

1) 端頭井存在空間效應(yīng),基坑角部與中部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形存在差異,伺服鋼支撐的預(yù)加軸力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響較大,應(yīng)合理設(shè)置預(yù)加軸力。

2) 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用于端頭井中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi),且南北兩側(cè)地表沉降均滿足設(shè)計(jì)要求,應(yīng)用效果良好;

3) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選取應(yīng)結(jié)合基坑構(gòu)造、周邊環(huán)境和基坑開(kāi)挖的基本性狀進(jìn)行布置,對(duì)于端頭井而言,受空間效應(yīng)影響,應(yīng)沿基坑中部空間效應(yīng)影響較大的位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)措施,保證施工安全。

本文針對(duì)端頭井基坑中鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行研究,未來(lái)將研究鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在不同類(lèi)型深基坑的控制效果和基坑變形規(guī)律,為實(shí)際工程提供參考。