鋼支撐軸力補償伺服系統(tǒng)在市域鐵路深基坑工程中的應(yīng)用

文／莊星宇、任捷遠、陳國飛、陳俊曉 中國建筑第八工程局有限公司上海公司 上海 200120

引言：

隨著城市化進程迅猛發(fā)展，城市面積不斷擴大，城市內(nèi)部人員快速流動的需求成為城市交通發(fā)展新方向。市域鐵路是一種全新的嘗試。與傳統(tǒng)城市軌道交通相比，市域鐵路設(shè)計時速達到160km/h，基坑平均深度超過20m。因此，圍護結(jié)構(gòu)變形控制成為市域鐵路車站施工過程中的焦點問題。

鋼支撐作為一種快拼裝、高周轉(zhuǎn)的支撐形式得到工程界的青睞，但鋼支撐在使用過程中，常出現(xiàn)軸力損失情況，導致基坑圍護結(jié)構(gòu)變形控制效果不理想。同時，傳統(tǒng)的鋼支撐軸力監(jiān)測方式受鋼支撐施工、監(jiān)測方式等因素影響，準確度與真實性有待商榷。鋼支撐軸力補償伺服系統(tǒng)，利用千斤頂油壓對鋼支撐軸力進行實時監(jiān)測，相比于振弦式軸力計穩(wěn)定性、準確性更高，同時可以根據(jù)軸力監(jiān)測結(jié)果進行軸力補償，因此在工程實踐中得以推廣。目前，國內(nèi)對鋼支撐伺服系統(tǒng)正處于發(fā)展階段，有學者對其原理、適用性等因素開展相關(guān)研究，但在工程實踐中伺服系統(tǒng)對深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的控制效果鮮有涉及。本文將結(jié)合工程實例，對伺服系統(tǒng)在市域鐵路車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形控制方面展開討論。

1、伺服系統(tǒng)簡介

伺服系統(tǒng)由鋼支撐活絡(luò)頭千斤頂、油壓監(jiān)控中心、補油裝置形成的一套，可以實時進行鋼支撐軸力補償。傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，每6-8 個端頭需要配置一臺油泵，用油管連接，因此施工現(xiàn)場常見管線密集，且每隔一段距離便有一臺油泵，占地面積大，使伺服系統(tǒng)在場地狹窄的工程實例中難以得到應(yīng)用。經(jīng)過開發(fā)與改進，出現(xiàn)一種無管無線的伺服系統(tǒng)總成，一改油泵、管路的笨重形象，將所有裝置集成到端頭中，最大程度減小了占地面積。因此，在狹窄空間的線性工程，尤其是城市內(nèi)部的下穿隧道、地鐵車站等周邊環(huán)境復(fù)雜，場地小且對周邊環(huán)境保護要求高的工程中，智能伺服系統(tǒng)總成有廣泛的應(yīng)用場景。

2、工程實例

圖1 伺服系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)

圖2 伺服系統(tǒng)應(yīng)用場景

2.1 工程概況

上海市域鐵路某車站深基坑長172.8m，寬27.8m，最大挖深28.05m。車站采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，第一、三道支撐為混凝土支撐，第二、四、五、六道為鋼支撐。由于在前期征地階段，基坑南側(cè)有房屋為拆除，該房屋距離基坑邊緣最近距離僅6m，故在影響范圍內(nèi)所有鋼支撐附加伺服系統(tǒng)，以控制圍護結(jié)構(gòu)變形，從而減小對周邊環(huán)境的影響。同時，通過布置測斜管對圍護結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測，布置情況如圖3所示。

圖3 工程實例概況

南北兩側(cè)地下連續(xù)墻中共布置14 組測斜管，為方便表達，自西向東對測斜管按對編號，并用“南”“北”區(qū)分。其中2-7 號位于使用鋼支撐伺服系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)變形分析

由于基坑底板澆筑完成后，圍護結(jié)構(gòu)變形明顯趨于收斂。因此，將底板澆筑完成時地下連續(xù)墻測斜變形作為最終變形。將各測點最終測斜變形繪制成曲線后（如圖4），使用伺服系統(tǒng)的范圍內(nèi)，圍護結(jié)構(gòu)變形明顯小于未使用伺服系統(tǒng)的部分。由于基坑施工工藝、施工節(jié)奏在全過程中保持一致，且基坑周邊環(huán)境相似，對不同區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)變形的影響可以忽略不計。因此，可以認為伺服系統(tǒng)對圍護結(jié)構(gòu)變形控制，具有一定作用。

圖4 圍護結(jié)構(gòu)最大變形規(guī)律

同時，基坑東西兩側(cè)近似對稱，故可以將對應(yīng)位置的測斜變形進行對比，進一步分析伺服系統(tǒng)的應(yīng)用效果。取4 號測點與對應(yīng)的13 號測點進行對比。從施工過程來看，在第二層土開挖至第二道鋼支撐施工完成階段，由于都僅有第一道混凝土支撐，故圍護結(jié)構(gòu)變形相差不大。從第三層土開挖開始，使用鋼支撐伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢逐漸變得明顯，圍護結(jié)構(gòu)變形在數(shù)值上到有效控制。但不難發(fā)現(xiàn)，圍護結(jié)構(gòu)的最大位移都發(fā)生在開挖面下方3-5m 范圍。因此，伺服系統(tǒng)對于圍護結(jié)構(gòu)變形形式影響不大。（圖5、圖6）

圖5 4 號測點施工各階段圍護結(jié)構(gòu)變形情況

圖6 13 號測點施工各階段圍護結(jié)構(gòu)變形情況

當關(guān)注到第二、四、五、六道鋼支撐位置圍護結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的變形情況時（如圖7）可以發(fā)現(xiàn)，第二道鋼支撐在采用伺服系統(tǒng)后，對后續(xù)基坑開挖變得不敏感。相比于未采用伺服系統(tǒng)的13 號測點，4 號測點在第三層土方開挖時，圍護結(jié)構(gòu)變形速率沒有大幅加快。當基坑開挖深度增加后，尤其是第三道混凝土支撐完成后，基坑開挖過程對第二道鋼支撐處圍護結(jié)構(gòu)變形影響較小，且4 號測點與13 號測點的曲線基本平行，可以認為伺服系統(tǒng)在該階段對淺層圍護結(jié)構(gòu)變形的影響程度不大。但當觀察第四、五、六道鋼支撐處圍護結(jié)構(gòu)的變形趨勢時，每一次開挖過程，4 號測點變形增速雖然也有明顯變化，但變化幅度相較13 號測點都較小。因此，伺服系統(tǒng)在基坑開挖的過程中，可以有效地控制圍護結(jié)構(gòu)變形發(fā)生突變，減小開挖施工對已形成的支撐的影響。

圖7 第二、四、五、六道鋼支撐處圍護結(jié)構(gòu)變形情況

2.3 基坑外地表沉降變形分析

觀察圍護結(jié)構(gòu)變形的同時，也需要觀察基坑外地表沉降的變化，以判斷基坑開挖對周邊環(huán)境的影響程度。取4 組地表沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析，其中D17、D18位于未采用伺服系統(tǒng)區(qū)域，南側(cè)緊鄰接坑房屋附近的兩組測點，D21、D22 為采用伺服系統(tǒng)區(qū)域，南側(cè)緊鄰基坑房屋附近的兩組測點。如圖8，在基坑開挖前，4 組測點的地表沉降值相近，其中D22 的平均地表沉降最大。基坑開挖施工前，基坑開挖后，根據(jù)檢測結(jié)果記錄開挖后累計沉降變形，同樣以底板澆筑完成時沉降變形作為基坑開挖階段的最終時刻。如圖9，基坑開挖后，D21、D22 的累計變形明顯小于D17、D18。因此，可以認為，鋼支撐伺服系統(tǒng)有利于基坑開挖過程中對周邊環(huán)境的保護。

圖8 開挖前基坑外地表沉降累計變形情況

圖9 開挖后基坑外地表沉降累計變形情況

結(jié)語：

通過對工程實踐過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）相比于傳統(tǒng)預(yù)加軸力的鋼支撐，采用軸力補償伺服系統(tǒng)的鋼支撐，可以在一定程度上加強對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的控制；

（2）軸力補償伺服系統(tǒng)可以減小基坑圍護結(jié)構(gòu)變形，但不改變基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，無法簡單地通過采用軸力補償伺服系統(tǒng)改變圍護結(jié)構(gòu)最終最大變形發(fā)生的深度；

（3）軸力補償伺服系統(tǒng)可以有效地控制圍護結(jié)構(gòu)在已形成支撐的位置發(fā)生突變，減小開挖施工對圍護結(jié)構(gòu)的影響，從而起到控制圍護結(jié)構(gòu)變形的效果；

（4）軸力補償伺服系統(tǒng)的應(yīng)用有利于減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

雖然，伺服系統(tǒng)經(jīng)過工程實踐、科技研發(fā)，已經(jīng)取得長足的進步。伺服系統(tǒng)對單根鋼支撐的軸力自動監(jiān)測、自動補償有顯著的效果，但支撐與支撐之間并不是獨立的個體，單根支撐軸力的變化也會對周邊其他支撐產(chǎn)生影響。因此，伺服系統(tǒng)的研發(fā)過程，還應(yīng)當考慮如何實現(xiàn)鋼支撐之間的聯(lián)動，使支撐、圍護結(jié)構(gòu)形成一個完整的體系，從而更好地控制深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。