長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

魏文韜（上海建浩工程顧問有限公司， 上海 200030）

0 引 言

鋼支撐伺服系統(tǒng)作為一項(xiàng)先進(jìn)的基坑工程施工技術(shù)，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。相比于混凝土支撐，鋼支撐伺服系統(tǒng)具有施工速度快、綠色環(huán)保、節(jié)約資源和環(huán)境擾動(dòng)小等特點(diǎn)，尤其是在軟土地基的基坑中，其對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制成效顯著。然而，傳統(tǒng)的鋼支撐伺服系統(tǒng)通常應(yīng)用于800 m2規(guī)模以內(nèi)的基坑，應(yīng)用范圍較為局限，無法滿足大基坑的施工要求。

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，臨近地鐵隧道的基坑工程越來越多，如何減少基坑施工對(duì)地鐵隧道變形的影響，成為了必要的研究課題之一。通常情況下會(huì)將靠近地鐵隧道的基坑，分為若干個(gè)小基坑分塊施工，以減小土體擾動(dòng)對(duì)地鐵隧道造成的影響。長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)技術(shù)的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了土體微擾動(dòng)的控制目標(biāo)，地鐵側(cè)地下連續(xù)墻（以下簡(jiǎn)稱“地連墻”）變形小于1.4‰ H，使用基坑的寬度擴(kuò)大至50 m，規(guī)模擴(kuò)大至8 000 m2。標(biāo)志著未來有望取消地鐵側(cè)的分坑施工，不僅縮短工期，還確保了地鐵隧道的穩(wěn)定，對(duì)我國(guó)沿海軟土地區(qū)基坑工程具有重要的指導(dǎo)意義，并具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 工程概況

本工程位于上海浦東御橋地區(qū)，占地面積56 726 m2，總建筑面積213 490 m2，其中地上建筑面積128 776 m2、地下建筑面積84 714 m2，擬建6棟高50 m的辦公樓、1棟人才公寓和1棟商業(yè)用樓。御橋路下為地鐵11號(hào)線從東西方向穿越，包括兩條區(qū)間隧道，地鐵隧道埋深約12.59 m?；舆吘壘嗟罔F區(qū)間隧道僅9.6 m，基坑分為A，B，C，D四個(gè)區(qū)（如圖1所示）。

圖1 基坑分坑平面圖

B區(qū)基坑長(zhǎng)約160 m、寬約45 m、深度約10.6 m，采用明挖順作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用地連墻。設(shè)置三道支撐，其中：第一道為鋼筋混凝土支撐，第二、三道中間部分為φ800（t =20 mm）鋼管支撐；第二道鋼支撐采用單端伺服系統(tǒng)，第三道鋼支撐采用兩端伺服系統(tǒng)，最大設(shè)計(jì)軸力3 500 kN（如圖2所示）。長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)技術(shù)是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于地鐵隧道保護(hù)項(xiàng)目，主要目的是為了驗(yàn)證該技術(shù)在大跨度基坑中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制的有效性，為今后取消常規(guī)設(shè)置在臨近地鐵側(cè)的小基坑提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

圖2 基坑支撐示意圖

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 基坑緊鄰地鐵11號(hào)線，隧道保護(hù)要求高

本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離地鐵11號(hào)線隧道僅9.6 m，如何在深基坑施工過程中有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，盡可能減少對(duì)地鐵隧道的影響，使地鐵隧道的沉降值和收斂值控制在有效范圍內(nèi)，是本工程的難點(diǎn)之一。

2.2 無類似工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范可供參考

本工程所采用的長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)成套技術(shù)，是國(guó)內(nèi)首次將該技術(shù)應(yīng)用在寬度45 m的深基坑中，是申通集團(tuán)在上海地區(qū)的試點(diǎn)項(xiàng)目，沒有類似工程的經(jīng)驗(yàn)可供參考。無論是從質(zhì)量管理、安全管理、進(jìn)度管理，還是基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供等方面都是全新的挑戰(zhàn)。

2.3 施工條件苛刻

2.3.1 挖土凈空低，挖機(jī)操作難度大

本工程開挖深度10.6 m，第二道鋼支撐與第三道鋼支撐之間、第三道鋼支撐與底板之間開挖高度僅約3 m，凈空較小，再加上格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)部位托架安裝也占用了一部分空間，導(dǎo)致局部?jī)艨諆H2.5 m左右；除此之外，工程樁超灌樁頭數(shù)量眾多，截樁工程量大、速度慢，大大增加了挖機(jī)的操作難度。這些都成為了本工程的難點(diǎn)之一。

2.3.2 施工工期緊

為確保將圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制在有效范圍內(nèi)，減少對(duì)地鐵11號(hào)線隧道的影響，申通集團(tuán)要求：從第一道支撐下土方開挖至底板混凝土澆筑完成，時(shí)間控制在45 d內(nèi)。工期非常緊張。本工程B區(qū)基坑從第二層土方開挖至第二道13組鋼支撐全部安裝完成，用時(shí)11 d；從第三層土方開挖至第三道13組鋼支撐于全部安裝完成，用時(shí)14 d；從第四層土方開挖至底板澆筑完成，用時(shí)20 d；共計(jì)用時(shí)45 d。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 長(zhǎng)距離格構(gòu)式鋼管支撐結(jié)構(gòu)體系

由于基坑寬度達(dá)到45 m，如何在大跨度基坑中確保鋼管的穩(wěn)定性是需要攻克的難題之一。本工程采用了長(zhǎng)距離格構(gòu)柱鋼支撐結(jié)構(gòu)連接體系（如圖3所示），創(chuàng)新提出了固定節(jié)點(diǎn)、套筒節(jié)點(diǎn)和型鋼抱箍裝置的做法，有效提高了支撐構(gòu)件的整體剛度，同時(shí)加大了挖土空間，提高了工效。

圖3 長(zhǎng)距離格構(gòu)式鋼管支撐結(jié)構(gòu)體系

3.2 多功能組合節(jié)點(diǎn)及自平衡抗隆沉裝置

圍檁部分在現(xiàn)有雙拼H型鋼圍檁的基礎(chǔ)上，加大H型鋼規(guī)格，并且采用補(bǔ)強(qiáng)鋼板增加腹板剛度，使圍檁抗彎剛度得到了很大的提高，鋼支撐平面間距可以加大到6 m以上，提高了挖土工效（如圖4所示）。鋼支撐下部安裝單作用油缸，油缸底部設(shè)置背壓閥。該裝置利用油缸行程抵消了立柱的豎向位移，使鋼支撐支點(diǎn)的高度保持相對(duì)固定，防止對(duì)鋼支撐產(chǎn)生向上的附加內(nèi)力，從而對(duì)整個(gè)支護(hù)體系起到了穩(wěn)定作用（如圖5所示）。

圖4 加大H型鋼

圖5 自平衡抗隆沉裝置

3.3 采用高性能液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)主要應(yīng)用于規(guī)模大、跨度大的基坑，因此對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)鋼支撐的液壓千斤頂性能無法滿足長(zhǎng)距離鋼支撐的要求，本工程采用了高性能改進(jìn)型液壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)極限預(yù)加軸力從3 000 kN提高至4 800 kN，行程從150 mm提升至250 mm，同時(shí)還采用了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的JKJL控制系統(tǒng)，用集散控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了既分散控制又集中管理，在智能化程度、控制效率和安全性方面均比原有技術(shù)有了顯著提高，完全滿足長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制要求。

4 管理措施

對(duì)于鋼支撐而言，由于鋼支撐鋼管、螺栓等部件在工廠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組合安裝，因此其整體性在一定程度上取決于安裝時(shí)的質(zhì)量。另外，相比于傳統(tǒng)的混凝土支撐，鋼支撐φ800鋼管單節(jié)最重達(dá)29 t，需要2臺(tái)履帶吊在基坑兩側(cè)配合吊裝，履帶吊的安裝、拆除本身就屬于危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程，安全管理的要求非常高。由于伺服系統(tǒng)的軸力主要是根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，因此，如何確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和代表性也非常重要。本節(jié)將重點(diǎn)介紹監(jiān)理單位的管理措施。

4.1 BIM監(jiān)控

本工程對(duì)BIM系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行全過程監(jiān)控。BIM系統(tǒng)作為龐大的操作運(yùn)行系統(tǒng)，需要各方協(xié)同參與，監(jiān)理單位也定期參與相關(guān)的專題會(huì)議及協(xié)調(diào)會(huì)議。在本工程鋼支撐施工準(zhǔn)備階段，通過BIM系統(tǒng)對(duì)鋼支撐施工進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)了由于個(gè)別塔吊基礎(chǔ)格構(gòu)柱偏位導(dǎo)致與鋼支撐碰撞的情況。設(shè)計(jì)單位及時(shí)對(duì)鋼支撐軸線位置進(jìn)行了微調(diào)，確保鋼支撐的順利安裝。申通地鐵要求單榀鋼支撐從土方開挖到安裝完成必須在24 h內(nèi)完成。BIM系統(tǒng)的介入，可以較早地發(fā)現(xiàn)并排除在今后施工過程可能出現(xiàn)的問題隱患，有著非常重要的指導(dǎo)意義。

4.2 落實(shí)關(guān)鍵點(diǎn)檢查

4.2.1 支座施工

鋼支撐安裝必須確保支撐端頭與預(yù)埋鋼板的均勻接觸，并采取防止鋼支撐端部移動(dòng)脫落的措施：鋼管支撐接頭采用法蘭與螺栓連接，螺栓必須擰緊并進(jìn)行復(fù)擰；鋼管下半邊的螺栓不得遺漏；所有電焊連接必須符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，焊縫必須飽滿，焊縫高度不小于8 mm。

4.2.2 預(yù)應(yīng)力的施加及觀測(cè)

本工程基坑為一級(jí)基坑，支撐就位后應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確地施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力應(yīng)分級(jí)加載；在滿足設(shè)計(jì)條件的同時(shí)，考慮到10%的預(yù)應(yīng)力損耗，尚應(yīng)按以下要求復(fù)加預(yù)應(yīng)力：

（1）在第一次施加預(yù)應(yīng)力后的12 h內(nèi)，觀測(cè)預(yù)應(yīng)力損失和圍護(hù)樁水平位移情況，并復(fù)加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)值；

（2）當(dāng)晝夜溫差過大導(dǎo)致支撐預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，應(yīng)立即在當(dāng)天低溫時(shí)段復(fù)加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)值；

（3）圍護(hù)樁水平位移速率超過警戒值時(shí)，可適量復(fù)加支撐軸力以控制變形；復(fù)加后的支撐軸力和彎矩必須滿足設(shè)計(jì)的安全要求。

4.3 安全管理

B區(qū)的φ800鋼支撐最大長(zhǎng)度為45 m，單根最重達(dá)29.42 t左右。鋼支撐分兩段吊裝，采用2臺(tái)履帶吊在基坑兩面的外側(cè)上施工。鋼支撐采用履帶吊吊裝屬于重大危險(xiǎn)源，履帶吊的安裝、拆除屬于危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程，監(jiān)理單位應(yīng)對(duì)鋼支撐吊裝進(jìn)行全過程旁站，提前做好危險(xiǎn)源辨識(shí)分析。對(duì)起重機(jī)械事故、高處墜物事故和觸電事故等，做好應(yīng)急預(yù)案；遇到6級(jí)以上大風(fēng)等惡劣天氣影響，立即停止吊裝作業(yè)。

4.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

每層土方開挖及支撐施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)掌握相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括：支撐軸力變化；地連墻墻頂隆起、沉降；地連墻變形；地連墻兩側(cè)縱向、橫向的地面沉降；建筑物沉降；基坑每個(gè)開挖段及每層開挖中的地連墻變形；等。一旦發(fā)生突變情況，應(yīng)及時(shí)會(huì)同總包單位及其他相關(guān)單位采取有效措施，確?；影踩?。

5 應(yīng)用效果

長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)技術(shù)的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的效果。

（1）實(shí)現(xiàn)了微擾動(dòng)控制目標(biāo)。A區(qū)B區(qū)地連墻深度44 m，從第二層土方開挖至底板施工完成，B區(qū)地連墻水平位移最大累計(jì)值僅14.1 mm，小于1.4‰H；A區(qū)靠近隧道測(cè)得：地連墻變形累計(jì)值為5.5 mm，地鐵11號(hào)線隧道收斂累計(jì)值為7 mm，沉降累計(jì)值為4.8 mm，變形控制效果優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）適用基坑規(guī)模實(shí)現(xiàn)了量級(jí)突破。長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)適用的基坑寬度從20 m擴(kuò)大至50 m，規(guī)模從800 m2擴(kuò)大至8 000 m2，實(shí)現(xiàn)了基坑規(guī)模上的量級(jí)突破。

（3）以人為本，提高了施工工效。各組鋼支撐從安裝到形成預(yù)加軸力僅用12 h，顯著縮短了基坑暴露時(shí)間，有利于對(duì)變形的控制和對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)。

（4）符合經(jīng)濟(jì)適用且綠色環(huán)保的要求。鋼支撐標(biāo)準(zhǔn)模塊裝配施工技術(shù)，裝備周轉(zhuǎn)使用，大大地減少了混凝土支撐的廢棄物，不僅節(jié)省了運(yùn)輸成本，也貫徹了綠色施工的理念。

6 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)距離鋼支撐伺服系統(tǒng)成套技術(shù)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)適用于寬度50 m及以上、環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)苛的軟土深基坑工程的目標(biāo)，將傳統(tǒng)鋼支撐伺服系統(tǒng)適用的基坑規(guī)模擴(kuò)展了10倍，實(shí)現(xiàn)了1萬m2基坑一次性開挖的微擾動(dòng)變形控制目標(biāo)。該技術(shù)的成功應(yīng)用可以顯著節(jié)約資源、提高工效，具有過程安全、品質(zhì)保證、環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，并且符合綠色建造的可持續(xù)發(fā)展理念，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著，對(duì)提升我國(guó)沿海軟土地區(qū)基坑工程的能力和質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義，并具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。