鋼支撐伺服系統(tǒng)地鐵深基坑微變形控制技術(shù)研究

任一恒，李恒一，何晟亞

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

1 前言

地鐵車站基坑支護方式主要有地連墻與支撐、支護樁與支撐、吊腳樁、吊腳墻等；其中，周邊環(huán)境位移控制嚴(yán)格情況下所適用的基坑支護方式，主要是地連墻與支撐的方式。由于現(xiàn)在較多地鐵車站基坑鄰近高速公路、高速鐵路、城際鐵路等位移控制嚴(yán)格的建（構(gòu)）筑物，該方面的研究也日漸成熟，但采用上述傳統(tǒng)方式支護仍無法滿足部分情況下的嚴(yán)格位移要求。

在基坑支護結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中，越來越多的學(xué)者開始研究不同的基坑支護問題。陳璟斌[1]研究不同深基坑開挖過程對鄰近樁基的影響；吳士德[2]研究地鐵車站基坑開挖對鄰近樁基礎(chǔ)的影響；萬鵬[3]研究軟土中基坑開挖對既有高架樁基礎(chǔ)的影響；鄭燦政[4]研究基坑降水對高鐵樁基礎(chǔ)的影響；黃艷珍[5]研究基坑降水及孔隙比隨深度變化對基坑周邊樁基礎(chǔ)的影響；李睿峰[6]研究復(fù)合地層基坑開挖對周邊既有建（構(gòu)）筑物的影響。國外學(xué)者亦有相關(guān)研究，F(xiàn)inno[7]研究基坑開挖對群樁的影響；Poulos[8]研究無支護開挖情況下，基坑側(cè)向土體位移對樁基礎(chǔ)的影響；Leung[9]研究基坑開挖對樁基礎(chǔ)變形的影響；Ong[10]研究采用地連墻支護過程中，基坑開挖對周邊土體的影響等。但以上相關(guān)研究很少涉及鋼支撐伺服系統(tǒng)。

鋼支撐伺服系統(tǒng)是在現(xiàn)代基坑支護方式的發(fā)展過程中衍生出的新型支護形式；支撐受力方式由原來被動受力，調(diào)整為主動受力；由此更好地控制周邊土體的位移，并有效地控制基坑開挖過程中周邊重要建（構(gòu)）筑物的變形。本文對鋼支撐伺服系統(tǒng)的研究主要從鋼支撐的建模模擬方式、采用伺服系統(tǒng)的各工況位移值計算等方面進行。

2 模型建立與條件假設(shè)

2.1 數(shù)值模擬軟件選取

Midas/GTS NX軟件是用于土木工程等領(lǐng)域的有限元分析軟件；它基于最新分析理論設(shè)計而成，具有施工階段的應(yīng)力分析和滲透分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能，是巖土和隧道分析與設(shè)計的解決方案之一。

巖土分析一般對材料進行非線性分析。材料的非線性特性可從巖土的初始條件，即施工前的原場地條件獲得。后續(xù)信息通過按施工順序進行施工全過程分階段分析得到?，F(xiàn)場的實際施工條件非常復(fù)雜且經(jīng)常變化；通常將其簡化，取比較重要的階段進行分析。

Midas / GTS NX的施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都在繼承上一個施工階段分析結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)累加本施工階段的分析結(jié)果，也就是說上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。本研究利用Midas / GTS NX建立的基坑支護計算模型研究鋼支撐伺服系統(tǒng)。

2.2 模型建立

本文依托工程為深圳地鐵12號線和平站基坑工程，具體站位情況如圖1所示。在實際工程中，由于變形控制要求及工程成本考慮，僅對穗莞深城際鐵路高架下穿段（9～16軸）采用伺服鋼支撐（布置于第二～五道，第二道23根、第三道26根、第四道23根、第五道23根；共95根），故本文僅以和平站基坑下穿段作為研究對象，通過數(shù)值模擬來驗證雙控法思路指導(dǎo)下的基坑支護效果。

按照工程實況建立和平站基坑下穿段三維模型。地層主要為淤泥和黏土。為避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，模型大小為90 m×120 m×100 m （X×Y×Z），基坑開挖深度為16.8 m，開挖寬度為21 m，兩側(cè)分布有穗莞深城際鐵路高架30號、31 號橋墩；其中，31號橋墩距基坑邊緣約22.5 m，30號橋墩距邊緣約7.5 m，兩橋墩的承臺尺寸為10.5 m×18.5 m×3 m，加臺尺寸為5 m×15.6 m×1 m。橋墩與基坑之間的土體采用隔離樁和旋噴樁進行加固，如圖 2所示；旋噴樁作用效果可通過將區(qū)域土體的彈性模量提升為原來的2倍來等效模擬。整個模型共有18142個節(jié)點，33871個單元，如圖3所示。

2.3 條件假設(shè)

本文為簡化模型及減少計算量，對模型的建立及分析提出以下假定。

（1）模型初始地應(yīng)力平衡只考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。

（2）依據(jù)擬建基坑與穗莞深城際鐵路30號及31號橋墩空間位置關(guān)系，近似認(rèn)為基坑走向與橋梁軸線正交。

（3）依據(jù)地質(zhì)勘測資料，近似認(rèn)為地面為平面，忽略地形起伏的影響。

（4）基坑施工時井點降水已施工完畢，地下水位位于主體結(jié)構(gòu)底板以下，因此不考慮基坑施工過程中降水固結(jié)的影響。

（5）根據(jù)設(shè)計資料，隔離樁直徑800 mm，間距1000 mm，通過旋噴樁進行咬合；故為方便建模，將隔離樁按剛度等效原則，等效為與之受力形式相近、具有一定厚度的地下連續(xù)墻，計算公式為：

式（1）中，D0為等效地下連續(xù)墻厚度；L為樁間距；D為樁徑。故隔離樁等效地下連續(xù)墻的厚度為0.623 m。

依據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[11]（TB 10182-2017）要求，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值為2 mm，由相似三角形推導(dǎo)出樁基位移限值為5 mm。

3 鋼支撐伺服系統(tǒng)研究

3.1 鋼支撐模擬方式

伺服鋼支撐采用雙控法確定設(shè)定軸力，傳統(tǒng)鋼支撐采用彈性基點法確定預(yù)加軸力，具體取值見表1。需要注意的是，由于本部分研究的工況較多，故不再采用雙控法對各工況逐一調(diào)試；各道伺服鋼支撐的設(shè)定軸力應(yīng)取調(diào)整歷程中的最大值。實踐工程經(jīng)驗及總結(jié)表明，各根支撐的受力之間存在相互關(guān)系，某根支撐的卸荷會帶來臨近支撐受力的增加。因此，在穗莞深下穿段的伺服系統(tǒng)實際使用過程中，只要支撐軸力不超過鋼支撐安全上限，原則上不予卸載。在基坑開挖推進過程中，將已施加的伺服鋼支撐軸力嚴(yán)格控制在設(shè)定軸力值上，以等效模擬伺服系統(tǒng)對支撐軸力的補償性能；傳統(tǒng)鋼支撐僅在初設(shè)時通過施加預(yù)加軸力進行一次干預(yù)，后續(xù)施工過程中的軸力由軟件根據(jù)土體及支護受力平衡自行計算得出。

表1 2類鋼支撐軸力表 kN

3.2 各工況伺服系統(tǒng)計算研究

依據(jù)如表2所示的工況，分別分析采用伺服系統(tǒng)鋼支撐的地鐵基坑在開挖過程中的基坑變形及穗莞深樁基礎(chǔ)變形情況。

表2 伺服鋼支撐布置方式研究工況

全部采用鋼支撐伺服系統(tǒng)的情況下，相關(guān)計算結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)全部采用伺服鋼支撐時，南、北兩側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值分別為4.8 mm和4.0 mm，均滿足規(guī)范要求[11]中的微變形控制要求（5 mm）；整體而言，基坑南側(cè)（31號橋墩側(cè)）的地下連續(xù)墻變形量大于基坑北側(cè)（30號橋墩側(cè)）。當(dāng)進行開挖-5和開挖-6時，標(biāo)高在-23.0～-17.0 m范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻側(cè)向位移發(fā)生較明顯的增長，需要給第四、五道伺服鋼支撐提供較大的設(shè)定軸力才能保證其滿足微變形控制要求。

全部不采用鋼支撐伺服系統(tǒng)的情況下，相關(guān)計算結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)不采用伺服系統(tǒng)時，基坑南、北兩側(cè)地下連續(xù)墻的側(cè)向位移均呈明顯增長趨勢；最大位移值分別為 6.2 mm 和5.4 mm，不滿足規(guī)范[11]中的微變形控制要求。對于標(biāo)高-15.0 ～0.0 m范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻，其側(cè)向位移值要比全部采用伺服系統(tǒng)時明顯減小。但該標(biāo)高范圍內(nèi)的伺服鋼支撐設(shè)定軸力與傳統(tǒng)鋼支撐預(yù)加軸力的取值相近；這說明，伺服系統(tǒng)可對鋼支撐軸力進行補償，保證支撐體系能夠?qū)Φ叵逻B續(xù)墻起到較穩(wěn)定的支撐作用；而傳統(tǒng)鋼支撐的軸力難以進行靈活調(diào)控，只能在初設(shè)支撐時通過施加預(yù)加軸力的方式進行一次性加載，無法對施工過程中多方面因素導(dǎo)致的軸力損失及時有效地進行補償，難以實現(xiàn)理想支撐效果。

間隔采用鋼支撐伺服系統(tǒng)的情況下，對第二、四道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)時，南、北兩側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值分別為5.6 mm和4.8 mm，南側(cè)地下連續(xù)墻不滿足規(guī)范[11]中微變形控制要求（5 mm）；對第三、五道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)時，南、北兩側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值分別為5.4 mm和4.6 mm，不滿足規(guī)范中[11]微變形控制要求。從變形控制效果來看，對第三、五道支撐采用伺服系統(tǒng)要優(yōu)于對第二、四道支撐采用伺服系統(tǒng)。這是因為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的深部側(cè)向位移要大于淺部，當(dāng)伺服鋼支撐的整體布置標(biāo)高偏低時，可對地下連續(xù)墻的最大位移起到有效抑制作用。

單獨采用鋼支撐伺服系統(tǒng)的情況下，當(dāng)對第二道、三道、四道、五道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)時，南側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值依次為5.9 mm、5.9 mm、5.6 mm、5.4 mm，北側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值依次為5.1 mm、5.1 mm 、 4.8 mm、4.6 mm 。

相鄰采用鋼支撐伺服系統(tǒng)的情況下， 當(dāng)對第二、三道，三、四道，四、五道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)時，南側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值依次為5.6 mm、5.5 mm、5.1 mm，北側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移值依次為 4.8 mm、4.7 mm、4.2 mm。其中，南側(cè)地下連續(xù)墻均不滿足規(guī)范[11]微變形控制要求，北側(cè)地下連續(xù)墻均滿足規(guī)范[11]微變形控制要求。對第四、五道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)時（計算結(jié)果如圖6所示），南側(cè)地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移值為5.1 mm，與控制要求較為接近；這也是所有研究工況中，除全部采用伺服系統(tǒng)外的最優(yōu)布置方式。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分別計算各工況下，穗莞深城際高架樁基礎(chǔ)位移，得到以下結(jié)論。

除工況1滿足規(guī)范[11]微變形控制要求（5 mm），其余工況均不滿足微變形控制要求（5 mm）。這說明對于穗莞深下穿段基坑，有必要采用伺服系統(tǒng)對兩側(cè)地下連續(xù)墻變形進行嚴(yán)格控制，且在不改變其他變形控制措施的前提下，全部采用伺服系統(tǒng)是唯一保證兩側(cè)均滿足微變形控制要求的布置方式。另外，不采用伺服系統(tǒng)時地下連續(xù)墻位移值最大的情況側(cè)面反映伺服系統(tǒng)可有效改善地下連續(xù)墻變形控制效果。

當(dāng)對兩道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)（間隔、相鄰布置）時，對二、四，二、三道采用伺服系統(tǒng)時的南側(cè)（北側(cè)）地下連續(xù)墻位移值為5.6 mm（4.8 mm），三、四道采用時位移值為5.5 mm（4.7 mm），三、五道采用時位移值為5.4 mm（ 4.6 mm），四、五道采用時位移值為5.1 mm（4.2 mm）；當(dāng)對第二～五道鋼支撐單獨采用伺服系統(tǒng)時，南側(cè)（北側(cè)）地下連續(xù)墻最大位移值依次為5.9 mm、5.9 mm、5.6 mm、5.4 mm （5.1 mm、5.1 mm、4.8 mm、4.6 mm）。

地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移與伺服系統(tǒng)平均標(biāo)高關(guān)系如圖 7所示。由該圖可得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)間隔或相鄰布置伺服系統(tǒng)時，地下連續(xù)墻的變形控制效果由兩道伺服系統(tǒng)的平均標(biāo)高來決定；總體來看，平均標(biāo)高越低，變形控制效果越好，且隨著平均標(biāo)高降低，最大位移值衰減速率增大，當(dāng)平均標(biāo)高由-10.5 m降至-12.0 m時，變形控制效果明顯提升。

（2）對于單獨布置伺服系統(tǒng)的情況，當(dāng)支撐架設(shè)標(biāo)高由-4.5 m降至-7.5 m時，最大側(cè)向位移值無明顯變化；隨著標(biāo)高進一步降低，位移值衰減速度增大，但在平均標(biāo)高為-10.5～-13.5 m時，位移衰減速度小于采用雙伺服系統(tǒng)的情況。

（3）隨著伺服系統(tǒng)的平均標(biāo)高降低，地下連續(xù)墻側(cè)向位移控制效果得到明顯改善。這說明對于穗莞深下穿段基坑，對地下連續(xù)墻深層位置側(cè)向變形的控制是關(guān)鍵；而在淺層位置布設(shè)伺服系統(tǒng)的控制效果欠佳，可通過適當(dāng)調(diào)低第四、五道鋼支撐的架設(shè)位置來進一步優(yōu)化控制效果。另外，當(dāng)對第四、五道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)（平均標(biāo)高-12.0 m）時，南、北兩側(cè)位移值分別為 5.1 mm和 4.2 mm，已十分接近位移控制標(biāo)準(zhǔn)。鑒于鋼支撐伺服系統(tǒng)的價格昂貴，可嘗試對第一、二道鋼支撐酌情不采用伺服系統(tǒng)，并進一步加強其他變形控制措施，以實現(xiàn)在變形量滿足要求的基礎(chǔ)上盡可能降低工程成本的目的。

當(dāng)僅對第五道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)時，南、北側(cè)地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移值分別為5.4 mm和4.6 mm；其變形控制效果優(yōu)于對第二和四道、第二和三道、第三和四道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)的情況。這說明，伺服系統(tǒng)數(shù)量并不是越多越好，若布置方案設(shè)置不合理，也難以發(fā)揮伺服系統(tǒng)的變形控制效果。