鋼支撐伺服系統(tǒng)對基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移控制的技術(shù)研究

朱文霞ZHU Wen-xia；何建峰HE Jian-feng；姜克寒JIANG Ke-han

（①長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 410000；②中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410000）

0 引言

在地鐵設(shè)計過程中，對于基坑安全一直是重中之重，尤其是在中心城區(qū)范圍，周邊建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，除了滿足深基坑本身的強度和安全穩(wěn)定外，還需要控制深基坑開挖所帶來的變形以及產(chǎn)生的坑外地層沉降，以滿足周邊環(huán)境的保護要求。一些復(fù)雜項目的基坑開挖在施工過程中對圍護結(jié)構(gòu)的位移和變形控制要求更高。為達到相關(guān)的保護要求，在常規(guī)技術(shù)領(lǐng)域采取了各種方式進行實踐，如加強支撐剛度、對被動區(qū)土體進行加固、增加圍護結(jié)構(gòu)嵌入深度。但以上方式普遍存在造價高、材料浪費、施工步驟繁瑣以及施工過程不易把控等問題。

基于上述情況，能夠?qū)崟r可視化管理的鋼支撐自動應(yīng)力伺服補償系統(tǒng)被大量運用。鋼支撐伺服系統(tǒng)，作為一項先進的基坑工程施工技術(shù)，憑借其結(jié)構(gòu)組成簡單、施工操作方便、能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)利用等特點，在深基坑工程中逐步廣泛運用。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計研究表示：伺服液壓系統(tǒng)對于控制基坑變形有著較為明顯的效果，基坑內(nèi)采用伺服鋼支撐越多，基坑變形控制越有利。

1 伺服液壓系統(tǒng)介紹

對于一般的鋼支撐，基坑在開挖過程中，鋼支撐在受力過程中不可避免地會出現(xiàn)一定程度應(yīng)力松弛帶來的軸力損失，需要對其復(fù)加軸力。鋼支撐在受到圍護結(jié)構(gòu)擠壓時無法保證軸力的穩(wěn)定，需要人工進行逐個測量，在軸力不足時需要通過打入鋼楔塊進行補償，耗時又費力。而且鋼支撐補償具有滯后性，補償時圍護結(jié)構(gòu)的位移無法得到控制。

圖1 常規(guī)鋼支撐形式

不同于傳統(tǒng)鋼支撐模式，支撐軸力伺服系統(tǒng)是由硬件設(shè)備和軟件程序共同組成的一套智能基坑水平位移控制系統(tǒng)，它適用于基坑開挖過程中對基坑側(cè)壁的變形有嚴格控制要求的工程項目，可以24 小時實時監(jiān)控，低壓自動伺服、高壓自動報警，對基坑提供全方位多重安全保障。

本工程采用的TH-AFS（A）支撐軸力伺服系統(tǒng)的硬件部分主要由程控主機、數(shù)控泵站、支撐頭總成三部分組成。數(shù)據(jù)泵站作為中間紐帶將程控主機和支撐頭總成連接起來，在兩者之間進行信息的傳遞，實現(xiàn)人對鋼支撐軸力的測控。（如圖2）

圖2 支撐軸力伺服系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有如下特點：

①可實現(xiàn)支撐軸力實時全自動監(jiān)測及補償；②采用分離式雙機械鎖作為突發(fā)狀況時的系統(tǒng)安全保障；③伺服系統(tǒng)組成簡單，施工安裝、拆卸便捷；④采用變頻電機調(diào)整液壓油流量，無需安裝比例溢流閥，系統(tǒng)失效可能性減??；⑤可實現(xiàn)24h 全天候遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及預(yù)警。

2 工程概況

花橋站為長沙地鐵6 號線第23 個站，本站位于人民東路與白沙灣路交叉十字路口，沿人民東路東西向布置于交叉口東南側(cè)。本站施工工法采用明挖順作法，為地下兩層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車站總長度為240.4m，標準段寬度（含主體結(jié)構(gòu)）為21.1m?；由疃燃s為17.9~21.3m。車站主體基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)形式，其中第一道支撐采用混凝土支撐，第二、三道支撐采用鋼支撐。

#83 號鐵塔地面部分距離車站約30m，超過1.5 倍基坑深度，車站施工時可不采取措施。#057 電塔基礎(chǔ)為四個臺階式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底埋深2.9m，基礎(chǔ)底部平面尺寸為4.2m×4.2m，基礎(chǔ)采用C15 混凝土，2002 年竣工。#057 鐵塔地面部分距離花橋站圍護結(jié)構(gòu)距離為3.56~5.77m，基礎(chǔ)底部距離花橋站圍護結(jié)構(gòu)距離為0.4~4.65m。電塔處車站基坑地層由上而下依次為（1-2）雜填土、（1-6）粉質(zhì)粘土、（1-11）圓礫、（8-2）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中電塔基礎(chǔ)位于粉質(zhì)粘土層，車站基底位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中。

車站主體基坑安全等級為一級，變形控制保護等級為一級?；訃o結(jié)構(gòu)水平位移應(yīng)控制在min（30mm，0.25%H）以內(nèi)；地面沉降控制在min（30mm，0.15%H）以內(nèi)。結(jié)合本站所處環(huán)境、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)，經(jīng)計算分析、技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，本站主體圍護結(jié)構(gòu)采用800mm地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐系統(tǒng)支護形式。地下連續(xù)墻厚800mm，第一道支撐采用混凝土支撐（700×900），第二、三道支撐均采用單根鋼支撐（φ609，t=16mm）?；觾?nèi)角部各支撐平面內(nèi)均設(shè)置角撐。

在57#電塔附近區(qū)域基坑范圍，為了控制地表變形沉降，保證電塔安全，第一道混凝土支撐間距采用6.75m，其余段支撐間距8.0m，鋼支撐采用伺服液壓補償系統(tǒng)，間距2m。

3 有限元分析

本次分析采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件PLAXIS2D，建立二維平面應(yīng)變單元模擬計算基坑開挖過程中基坑及周邊建筑物的變形，土體本構(gòu)模型選用摩爾庫倫模型。

土層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察資料進行選取，如表1所示。

表1 土層基本參數(shù)表

根據(jù)花橋站與電塔的空間關(guān)系，本次計算選取一個典型斷面進行分析?；釉O(shè)置3 道支撐：1 道砼支撐，2 道鋼支撐。將電塔臺階基礎(chǔ)等效為板，施加均布荷載作為上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞。

根據(jù)計算結(jié)果，開挖至基底時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為13.51mm，地表最大豎向位移13.54mm 均滿足一級基坑控制標準。地表沉降變形圖如圖3 所示。

圖3 地表沉降變形圖

4 理論計算值與實測值的對比分析

本工程基坑于2019 年4 月24 日開挖至基底，于2019 年5 月26 日完成中板澆筑，根據(jù)基坑開挖期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取幾個關(guān)鍵時間節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，分別是：開挖至基底、底板施工完成、第三道伺服支撐拆除，測斜孔深層水平位移曲線變化如圖4~圖5 所示。

圖4 底板澆筑時深層水平位移曲線

圖5 第三道伺服支撐拆除時深層水平位移曲線

通過將實測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：

①實測數(shù)據(jù)指標相對比理論計算值偏大，主要原因是理論模型偏理想化，模型單元按照各向同性考慮，而土層參數(shù)與實際工程存在無法消除的誤差。另外在進行實際開挖時，對土體產(chǎn)生的擾動程度是無法準確模擬的。

②圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化的整體變化趨勢：理論計算與實測基本吻合，最大變形位置基本靠近第二道支撐標高附近。根據(jù)以往對基坑變形的研究，我們發(fā)現(xiàn)隨著基坑開挖深度的增加，剛性墻體繼續(xù)表現(xiàn)為向基坑方向內(nèi)的三角形水平位移，本工程的水平位移變化也符合此規(guī)律。

③基坑開挖具有明顯的時空效應(yīng)，采用伺服液壓系統(tǒng)也是對時空效應(yīng)的一種動態(tài)匹配，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，在基坑開挖至基底的過程中，土體卸荷一直進行，伺服系統(tǒng)持續(xù)工作，能通過液壓系統(tǒng)自主調(diào)節(jié)軸力，使地連墻變形發(fā)生回彈。在卸荷完成后，圍護結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，已基本收斂，能夠有效的控制基坑變形。

5 結(jié)論

①根據(jù)實測結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果，鋼支撐伺服系統(tǒng)對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及周邊建構(gòu)筑物沉降能產(chǎn)生有效的控制。對于周邊環(huán)境復(fù)雜，變形控制要求高的基坑工程，采用鋼支撐伺服系統(tǒng)是一項重要的技術(shù)手段。

②數(shù)值模擬結(jié)果雖然偏理論化，但整體變化趨勢與實際情況有較高的吻合度，在后續(xù)項目中，可根據(jù)具體基坑工程的特點，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，合理布置支撐體系，通過針對性的布置，一方面能夠降低成本，另一方面也能滿足變形控制要求。