基坑主動變形控制-軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用探討

周 勇，楊紅坡

(深圳市巖土工程有限公司，廣東 深圳 518028)

采用預(yù)應(yīng)力加固的內(nèi)支撐支護(hù)體系，通常認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力鋼支撐，具有提供主動抗力、減小基坑變形、支撐安裝和拆卸方便等諸多優(yōu)點，在城市建設(shè)基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間開發(fā)力度逐漸加大，一方面基坑深度越來越深，鋼支撐的剛度和抗壓承載能力有限，已不能滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求；另一方面基坑周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，地下管線密布，尤其是地下交通工程發(fā)展建設(shè)，對基坑變形控制要求越來越嚴(yán)格。

傳統(tǒng)的混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系屬于被動變形控制，根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[1](以下簡稱規(guī)范)，支撐無預(yù)加力時，只有當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)支點處發(fā)生變形時，支撐才會產(chǎn)生支反力以抵抗變形。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2-3]的研究，基坑開挖完成后最終呈現(xiàn)類似“大肚狀”的變形形態(tài)，隨著基坑開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸累計增大。對于傳統(tǒng)內(nèi)支撐支護(hù)體系控制基坑開挖變形的問題，已有學(xué)者研究獲得了具有價值的成果，如潘駿等研究表明支撐截面增大能減小支護(hù)樁最大水平位移，但增大至某一值后對位移減小作用不大[4]；趙升峰研究表明增大支撐截面或增大支護(hù)樁徑均能使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形減小[5]；崔自治應(yīng)用桿系有限元法研究表明支撐存在一個臨界剛度，當(dāng)支撐剛度達(dá)到臨界剛度后，支撐剛度的變化對支護(hù)樁的內(nèi)力和位移幾乎沒有影響[6]。從以往研究成果來看，都是通過增大支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的方法來控制基坑最大變形[7]，如增大支護(hù)樁直徑、增大支撐截面、增加支撐層數(shù)等措施，基本也能滿足常規(guī)一級基坑變形控制要求，但是對于某些超一級的基坑工程，傳統(tǒng)的混凝土內(nèi)支撐體系難以達(dá)到要求，而無限制的增加支撐層數(shù)又非常影響施工效率和成本。因此，有必要在傳統(tǒng)混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系中引入主動變形控制措施。

本文對主動變形控制原理和軸力伺服系統(tǒng)工作機(jī)制進(jìn)行探討，并依托實際工程，建立數(shù)值模型，對比分析考慮施工順序的伺服軸力取值方案以及軸力伺服系統(tǒng)對基坑變形控制的效果，以期得到伺服軸力與支撐剛度兩者之間的影響關(guān)系，更好地服務(wù)于現(xiàn)場工程實踐。

1 主動變形控制原理

根據(jù)規(guī)范，內(nèi)支撐支反力按下式確定：

Fh=kR(vR-vR0)+Ph

(1)

Δx=(vR-vR0)

(2)

其中，F(xiàn)h為支點處支反力；kR為支點剛度系數(shù)；vR為支點處的水平位移值；vR0為支點的初始水平位移值；Ph為預(yù)加力；Δx為支撐安裝后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的支點處位移。

由式(1)，式(2)可知支點處水平位移增量值：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)需要減小Δx時，可以采取增大剛度kR或者增大預(yù)加力Ph的方法。

2 軸力伺服系統(tǒng)工作機(jī)制

基坑工程按照施工順序，根據(jù)內(nèi)支撐層數(shù)和地下結(jié)構(gòu)層數(shù)會形成若干個施工工況，目前普遍使用增量法[8]進(jìn)行研究。眾所周知，在基坑開挖階段均采用先挖后撐的施工工序，各層支撐安裝前擋土結(jié)構(gòu)均存在一個初始變形Δxi0，每次開挖被動區(qū)卸荷相當(dāng)于主動區(qū)產(chǎn)生一個土壓力增量ΔEak，使擋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個大小不等的增量變形Δxi，在回筑階段每層支撐拆除時支撐應(yīng)力釋放，均會使擋土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一個大小不等的增量變形Δyi。

TOT模式是指:政府將已投入使用的基礎(chǔ)設(shè)施項目的運營管理和維護(hù)權(quán)移交給私營企業(yè)，并在特許經(jīng)營期內(nèi)從私營企業(yè)獲取利潤用于建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施項目;特許經(jīng)營期滿后，私營企業(yè)無償將設(shè)施的經(jīng)營權(quán)交還給政府。TOT模式由于不涉及建造環(huán)節(jié)故前期工作量較少，運作程序亦相對簡化，而且該模式僅轉(zhuǎn)讓線路的經(jīng)營權(quán)，沒有涉及產(chǎn)權(quán)、股權(quán)的變更，可有效減少政府和民間資本合作糾紛，也保證了政府對鐵路這一特殊基礎(chǔ)設(shè)施的所有權(quán)，項目風(fēng)險相對較低，相應(yīng)投資收益也較低，且國有資產(chǎn)的評估易造成國有資產(chǎn)的流失，因此該模式通常應(yīng)用于經(jīng)營性非新建項目。

若要控制基坑支護(hù)全生命周期的總變形，必須控制每一個工況下的初始變形Δxi0、增量變形Δxi和Δyi。軸力伺服系統(tǒng)則根據(jù)基坑變形特征，結(jié)合每一個工況對開挖面以上各支點的影響，提前一個工況調(diào)整各層伺服力從而調(diào)整支撐軸力，以平衡下一個施工工況產(chǎn)生的增量效果，達(dá)到控制擋土結(jié)構(gòu)變形的目的。軸力伺服系統(tǒng)由伺服箱體、壓力調(diào)控箱以及室內(nèi)線上管理系統(tǒng)組成，伺服箱體與傳統(tǒng)鋼筋混凝土內(nèi)支撐變形控制端連接，其支護(hù)模型如圖1所示。

圖1中各參數(shù)滿足以下平衡關(guān)系：

Fhi=Nki0+Ji=kri×Δxri=Hki

(4)

軸力伺服后的支撐軸力為：

Tki=Nki0+Ji=kri×Δxi+Ji

(5)

其中，kri為第i層支撐剛度系數(shù)；Δxri為第i層支撐總彈性變形；Fhi為第i層支撐支反力；Nki0為第i層支撐增量變形為Δxi時對應(yīng)的支撐軸力；Δxi為第i層支點處的增量變形；Ji為伺服系統(tǒng)施加的伺服力；Hki為第i層支撐段擋土結(jié)構(gòu)上的土體壓力；Tki為第i層支撐軸力。

3 伺服軸力取值方法

軸力伺服系統(tǒng)在工作時須同時滿足兩個必要條件：

條件一：最大伺服力Jmax≤伺服系統(tǒng)額定承載力設(shè)計值Rd。

條件二：支撐總壓縮變形Δxri≤伺服系統(tǒng)內(nèi)置千斤頂?shù)挠行谐苔i。

在應(yīng)用過程中，充分利用軸力伺服作用使擋土結(jié)構(gòu)變形滿足要求。根據(jù)式(4)和式(5)可知，調(diào)整kri或Ji均可以平衡土體壓力，但Ji的影響力度比kri大得多，在擋土結(jié)構(gòu)增量變形恒定時，伺服軸力的取值與支撐剛度呈負(fù)相關(guān)。

按基坑施工工序，每層支撐完成后在下一個工況時產(chǎn)生支反力，以此支反力作為本層支撐的初步伺服軸力參與分析計算，進(jìn)而得到相應(yīng)的內(nèi)力和變形增量，根據(jù)變形情況判定伺服軸力是否合適，否則調(diào)整伺服軸力后重新分析計算，依此直到伺服軸力取值合理。同理，可以確定往后各工況下本層支撐的伺服軸力。最終以施工工況為橫坐標(biāo)，伺服軸力為縱坐標(biāo)，可以得到本層支撐在其全生命周期的伺服曲線。

4 算例分析

4.1 工程概況

深圳市南山區(qū)某項目，基坑呈矩形，東西長118 m，南北寬74 m，基坑支護(hù)長約370 m，開挖面積約8 451 m2，設(shè)置6層地下室，基坑開挖深度38.95 m～42.25 m。

基坑北側(cè)緊靠地鐵11號線和9號線，北側(cè)地下室外墻距地鐵11號線右線隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近約4.4 m，隧道埋深17 m～21.9 m，位于基坑半腰位置，基坑總平面圖如圖2所示。按深圳市地鐵集團(tuán)的要求，隧道變形控制值10 mm，基坑支護(hù)擋土結(jié)構(gòu)變形控制值20 mm，需嚴(yán)格控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑施工的變形對地鐵的影響。

4.2 地質(zhì)條件

項目位于深圳灣濱海軟土區(qū)，場地地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化球(孤石)發(fā)育，基巖埋深起伏大，地理環(huán)境特殊，工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件復(fù)雜。具體巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 支護(hù)形式及設(shè)計參數(shù)選取

基坑采用地下連續(xù)墻配合八道鋼筋混凝土內(nèi)支撐擋土，北側(cè)和東西側(cè)地連墻厚1.5 m，南側(cè)地連墻厚1.2 m，地連墻兼作地下室外墻，有效墻深約53 m。為減小地連墻施工對地鐵隧道的影響，北側(cè)地連墻外側(cè)提前設(shè)置一排1.2 m直徑的葷素咬合隔離樁，為控制基坑施工對地鐵隧道的影響，北側(cè)第3道～第7道內(nèi)支撐引入軸力伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)間距2.0 m，承載能力設(shè)計值5 000 kN，總行程200 mm。

設(shè)計計算取2個超載，其中一個15 kPa條形荷載，臨基坑邊，寬18 m，一個為道路荷載25 kPa?；又ёo(hù)平面布置如圖3所示，北側(cè)支護(hù)剖面布置情況如圖4所示。

4.4 計算模型工況

根據(jù)施工順序，不計地連墻和隔離樁施工工況，本工程全生命周期一共有31個工況，具體如下：

工況一：開挖第一層土方；工況二：施工第一道支撐；工況三：開挖第二層土方；工況四：施工第二道支撐；工況五：開挖第三層土方；工況六：施工第三道支撐；工況七：開挖第四層土方；工況八：施工第四道支撐；工況九：開挖第五層土方；工況十：施工第五道支撐；工況十一：開挖第六層土方；工況十二：施工第六道支撐；工況十三：開挖第七層土方；工況十四：施工第七道支撐；工況十五：開挖第八層土方；工況十六：施工第八道支撐；工況十七：開挖到基坑底；工況十八：B6底板施工；工況十九：拆除第八道支撐；工況二十：B5層地下室施工；工況二十一：拆除第七道支撐；工況二十二：B4層地下室施工；工況二十三：拆除第六道支撐；工況二十四：拆除第五道支撐；工況二十五：B3層地下室施工；工況二十六：拆除第四道支撐；工況二十七：B2層地下室施工；工況二十八：拆除第三道支撐；工況二十九：B1層地下室施工；工況三十：拆除第二道支撐；工況三十一：拆除第一道支撐。

4.5 計算結(jié)果分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)第八道支撐未設(shè)置伺服系統(tǒng)，根據(jù)計算分析，在第七道支撐支點處總變形接近零時，第十五和十七兩個開挖工況下產(chǎn)生的初始位移為14 mm，之后第十九和二十一兩個拆撐工況下產(chǎn)生的增量變形3.4 mm，此時累計最大水平位移已達(dá)到17.4 mm，接近控制值20 mm，因此，可以認(rèn)為第十四工況前的所有工況及后續(xù)拆換撐工況的擋土結(jié)構(gòu)變形應(yīng)按接近零控制。

根據(jù)前文伺服軸力取值方法，以第四道支撐作為研究對象，對比不同支撐剛度系數(shù)時伺服軸力的取值結(jié)果。圖5為不同支撐剛度下第四道支撐在各工況的支點處水平位移控制值。圖6為不同支撐剛度下第四道支撐的伺服軸力曲線。由圖6看出，伺服軸力在開挖加撐工況時逐漸減小，在拆換撐工況時逐步增大，呈下拋線形態(tài)，變化幅度隨支撐剛度增大而增大，K=50 MN/m2時變化幅度為45.8%，K=130 MN/m2時變化幅度為62.5%，不同支撐剛度時的初始伺服力和最終伺服力差異很小，每級剛度之間相差約1.47%～1.87%。根據(jù)式(5)，伺服軸力的變化同時也反映出第四道支撐軸力的變化情況。

伺服支撐層取剛度K=50 MN/m2對基坑整體進(jìn)行分析計算，計算參數(shù)和結(jié)果如表2所示，并且得到伺服前后擋土結(jié)構(gòu)在基坑全生命周期的變形曲線如圖7所示。

表2 伺服系統(tǒng)支撐層計算結(jié)果

由表2可以看出，支撐剛度為50 MN/m2時，最大伺服軸力1 600 kN/m，遠(yuǎn)小于伺服系統(tǒng)承載力設(shè)計值，支撐壓縮變形量最大39.4 mm，遠(yuǎn)小于伺服系統(tǒng)的有效行程，可以進(jìn)一步減小支撐剛度，縮減成本。

由圖7可以看出，無軸力伺服時，擋土結(jié)構(gòu)最大變形已接近50 mm，且變形最大位置在25 m深度，對基坑外臨近地鐵的影響最大；采取軸力伺服時，擋土結(jié)構(gòu)最大變形在20 mm以內(nèi)，且變形最大位置在35 m深度左右，滿足變形控制要求，有效減小對周邊環(huán)境的影響。

5 結(jié)論

采用彈性地基梁法結(jié)合增量法，對考慮施工順序時伺服軸力取值結(jié)果進(jìn)行分析，初步得到以下結(jié)論：

1)在鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)體系中引入軸力伺服系統(tǒng)，可以按需求主動控制基坑全生命周期各工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，有效控制基坑施工對周邊環(huán)境的影響。2)引入軸力伺服系統(tǒng)后，支撐的剛度不再作為基坑變形的控制條件，支撐截面尺寸以強(qiáng)度控制原則進(jìn)行選擇。3)支撐剛度的變化主要影響本層支撐在其以下開挖加撐工況和拆換撐工況時的伺服軸力，對初始伺服力和最大伺服力基本沒有影響。4)在滿足伺服系統(tǒng)工作時的兩個必要條件下，可以選用最小剛度的內(nèi)支撐體系節(jié)省成本。