軟土深基坑預應(yīng)力混凝土伺服支撐設(shè)計與實踐

魏建華 鹿存亮 羅成恒 尹 驥

（上?？辈煸O(shè)計研究院（集團）股份有限公司，上海 200093）

0 引言

城市中心區(qū)建筑日趨密集，導致許多新建工程基坑緊鄰已有敏感的建（構(gòu)）筑物，控制基坑變形及其對周邊環(huán)境和既有敏感建（構(gòu)）筑物的影響已成為目前深基坑工程研究的熱點之一[1-2]。

軟土深基坑通常在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置鋼支撐或者混凝土支撐作為控制基坑變形的手段，但這兩種內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系在不施加預應(yīng)力的情況下屬于被動受力系統(tǒng)，需要圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形后才能提供充足的抗力，難以滿足日益嚴格的變形控制要求[3-5]。裴 捷等[6]研究發(fā)現(xiàn)，當基坑寬度接近100 m 時，內(nèi)支撐剛度急劇下降，溫度影響明顯上升，常規(guī)的鋼支撐或混凝土支撐都很難將基坑側(cè)壁水平位移控制在設(shè)計和規(guī)范允許范圍之內(nèi)，而預應(yīng)力支撐能更有效地控制這種超大基坑的水平位移，是軟土深大基坑的最佳內(nèi)支撐形式。姚燕明等[7]結(jié)合某深基坑工程，分析了支撐剛度及預加軸力對基坑變形和內(nèi)力的影響，得出增大支撐剛度和支撐預加軸力可以有效地控制地下連續(xù)墻變形的結(jié)論。

鋼支撐施工過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力損失，特別是基坑規(guī)模較大、支撐長度較長的情況下，控制變形效果不理想[8-9]。裴 捷等[6]引入大跨度預應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)，并全面采用預應(yīng)力技術(shù)，實現(xiàn)了變形控制的目的。賈 堅等[10]在敏感隧道保護區(qū)劃分出長條形基坑，控制鋼支撐長度，并引入軸力伺服控制系統(tǒng)，通過實時控制鋼管支撐軸力實現(xiàn)動態(tài)控制基坑變形。

目前，軟土地區(qū)深大基坑工程多采用混凝土支撐體系，相較于鋼支撐，混凝土支撐整體性好，能適應(yīng)各種復雜形狀和深度的基坑[11-12]。但是，混凝土支撐也存在下列缺點：①混凝土支撐屬于被動受力體系，無法有效調(diào)控變形；②當基坑規(guī)模較大時，特別是支撐長度達到100 m 以上時，混凝土支撐剛度明顯偏??；③混凝土支撐存在養(yǎng)護時間長、收縮徐變大、受溫度影響大等缺點，導致支撐剛度下降，引起圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形[13-15]。

為了解決上述混凝土支撐的不足，將預應(yīng)力伺服控制系統(tǒng)引入混凝土支撐體系，結(jié)合某軟土深基坑工程案例，介紹了預應(yīng)力混凝土伺服支撐技術(shù)的實施情況，并總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗，為大規(guī)模軟土深基坑支護工程提供參考。

1 工程概況

項目位于上海市虹口區(qū)北外灘，北鄰城市主干道海寧路，西接河南北路?；娱_挖總面積約7016 m2，普遍區(qū)域挖深19.90 m，西側(cè)減層區(qū)域挖深為10.95 m。項目周邊環(huán)境較為復雜，西側(cè)基坑邊線距離地鐵10 號線隧道邊線最近處約7.1 m，北側(cè)基坑邊線距離在建北橫通道隧道（直徑15 m）最近處約19.1 m（見圖1）。

圖1 基坑平面圖

本工程場地地貌屬于濱海平原?；娱_挖影響深度范圍內(nèi)的地層主要以黏質(zhì)粉土和黏土為主。場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，水位埋深為地表以下0.5 m；深部承壓水主要賦存于第⑦層砂質(zhì)粉土，承壓水水頭埋深3.5～3.8 m，A 區(qū)基坑存在突涌的風險。各層土物理力學指標見表1。

表1 土層的物理力學指標

2 設(shè)計方案

基坑開挖深度較大，西側(cè)、北側(cè)鄰近重要市政工程，基坑施工需要確保這些城市生命線的絕對安全。為此，基坑設(shè)計整體思路采用“分區(qū)順作”的施工步驟，如圖1 所示，將整個基坑劃分為A、B1、B2 三個基坑，施工流程為先施工遠離地鐵的大坑A 區(qū)，待A區(qū)出地面后再依次施工B1 區(qū)和B2 區(qū)。

2.1 支護結(jié)構(gòu)

本基坑安全等級為一級，采用“地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐”支護體系。A 區(qū)基坑地下連續(xù)墻厚度1.2 m，深度48 m，設(shè)置5 道鋼筋混凝土支撐；B 區(qū)基坑地下連續(xù)墻厚度1.0 m，深度28 m，設(shè)置1 道鋼筋混凝土支撐和2 道鋼管支撐，并對坑內(nèi)土體進行了加固?；訓|西向典型支護剖面見圖2。

圖2 基坑東西向典型支護剖面圖（單位：mm）

2.2 伺服支撐系統(tǒng)

考慮到A 區(qū)東西向長度達到109 m，基坑時空效應(yīng)明顯，基坑支撐的壓縮變形、徐變及溫度變形等不容忽視，為了消除這些變形，在A 區(qū)基坑西側(cè)第3道-第5 道支撐設(shè)置了預應(yīng)力伺服控制系統(tǒng)。

預應(yīng)力伺服系統(tǒng)平面布置范圍見圖3，第3 道布設(shè)25 個千斤頂，第4 道及第5 道每層布設(shè)32 個千斤頂。鋼筋混凝土支撐不同于鋼支撐，無法在每根對撐的端部設(shè)置預應(yīng)力加載及控制系統(tǒng)，設(shè)計中采取了雙圈梁的措施，具體做法見圖4。其中伺服主動控制系統(tǒng)包括液壓千斤頂集成箱、液壓泵站以及自動控制軟硬件系統(tǒng)，通過該主動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對支撐體系應(yīng)力的精確加載以及伺服調(diào)整。

圖3 基坑A 區(qū)伺服系統(tǒng)平面布置圖

圖4 混凝土支撐預應(yīng)力系統(tǒng)詳圖（單位：mm）

未施加預應(yīng)力時的傳力路徑為：坑外水土壓力→地下連續(xù)墻→外圈梁→支墩→內(nèi)圈梁→對撐；施加預應(yīng)力以后的傳力路徑為：坑外水土壓力→地下連續(xù)墻→外圈梁→千斤頂→內(nèi)圈梁→對撐。

本項目支撐采用較為規(guī)整的十字交叉布置形式，計算結(jié)果表明，當西側(cè)增加東西向預應(yīng)力后，支撐內(nèi)力分布形式會發(fā)生一定的變化，靠近西側(cè)的南北向桿件會有較為明顯的側(cè)向位移及內(nèi)力增加的情況。為了增加支撐剛度以及協(xié)調(diào)變形，在西側(cè)內(nèi)圈梁向支撐過渡區(qū)域額外設(shè)置了2 m 寬的加強板帶。同時，該加強板帶可以作為預應(yīng)力控制系統(tǒng)安裝及拆卸時的工作平臺。

2.3 不同工況下支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計算結(jié)果

在不考慮坑內(nèi)外土體加固情況下，A 區(qū)典型剖面在不施加預應(yīng)力開挖到坑底工況下的地下連續(xù)墻內(nèi)力與變形計算結(jié)果如圖5（a）所示；當?shù)? 道-第5 道分別施加預應(yīng)力1200 kN/m、990 kN/m 和990 kN/m，基坑開挖到坑底工況下，A 區(qū)典型剖面地下連續(xù)墻內(nèi)力與變形計算結(jié)果如圖5（b）所示，地下連續(xù)墻變形及內(nèi)力匯總見表2。

表2 地下連續(xù)墻內(nèi)力及變形匯總表

圖5 不同工況下地下連續(xù)墻內(nèi)力與變形計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知：（1）施加預應(yīng)力后，地下連續(xù)墻的位移明顯減小，最大位移由35.7 mm 減少為18.3 mm；（2）施加預應(yīng)力后，地下連續(xù)墻迎坑面彎矩小幅度減小，但是迎土面彎矩和剪力顯著增加；（3）第3-第5 道支撐施加預應(yīng)力后，對上部支撐影響較大，第2 道由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，需要額外關(guān)注。

3 實施方案

3.1 實施過程

預應(yīng)力混凝土支撐伺服系統(tǒng)實施步驟如下：

鋼筋、預埋件及圈梁施工→設(shè)備進場及吊裝→圈梁澆筑完成5 天后，開始安裝設(shè)備（包括千斤頂、油路及控制系統(tǒng)）→圈梁澆筑完成7 天后，開始預應(yīng)力施加→施工監(jiān)測→根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整預加力→回筑階段，拆除預應(yīng)力控制系統(tǒng)。

本項目于2021 年9 月25 日澆筑完成首道支撐，2021 年12 月23 日完成A 區(qū)底板澆筑，受疫情影響，2022 年11 月8 日A 區(qū)主體結(jié)構(gòu)施工至地面，總體施工較為順利。預應(yīng)力混凝土支撐伺服系統(tǒng)現(xiàn)場實施場景見圖6。

圖6 預應(yīng)力混凝土支撐伺服系統(tǒng)現(xiàn)場實景圖

3.2 預應(yīng)力施加及調(diào)整

A 區(qū)基坑第3 道-第5 道支撐分別設(shè)置25、32、32 個千斤頂，預應(yīng)力加載及調(diào)整過程見圖7。每道支撐伺服過程可分為加載階段、維持荷載階段及動態(tài)調(diào)整階段。加載階段按照每300 kN 一級進行緩步加載，然后穩(wěn)定荷載，進行下一步土方開挖。第3道-第5 道支撐單個的千斤頂最大加載值分別為3300 kN、2700 kN 及2700 kN，按照千斤頂?shù)臄?shù)量及間距，可近似等同于每道分別施加預應(yīng)力1200 kN/m、990 kN/m 和990 kN/m。

圖7 預應(yīng)力加載及動態(tài)調(diào)整過程圖

在施工過程中，根據(jù)地下連續(xù)墻測斜、支墩脫開間隙、上下支撐軸力以及隧道變形等情況動態(tài)調(diào)整支撐力：（1）第3 道支撐加載并維持荷載3300 kN 一段時間后，第2 道支撐西側(cè)圈梁和地下連續(xù)墻出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，將裂縫灌漿填充后及時卸載，將支撐荷載最終維持在2400 kN；（2）第4 道加載并維持2700 kN，在第5 道加載共同作用下，西側(cè)地下連續(xù)墻普遍出現(xiàn)負位移后，將第4 道千斤頂卸載到2400 kN；（3）第5 道先加載到2400 kN，為了減少后續(xù)拆撐變形將預加力提高到2700 kN，在此情況下完成底板的澆筑。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

為全面反映該系統(tǒng)對基坑的影響，在項目實施過程中全面布設(shè)了各種監(jiān)測項目，并且增加了監(jiān)測頻率。限于篇幅，僅對部分典型位置監(jiān)測點進行分析，其平面布置見圖8。

圖8 監(jiān)測點平面布置圖

4.1 加載過程地墻側(cè)斜

為了實時監(jiān)控每一次預應(yīng)力調(diào)整后地墻的變形情況，現(xiàn)場監(jiān)測在每次加載完畢后，按照不超過3 小時測一次的頻率進行測斜。選取西側(cè)靠近B1 區(qū)中部CX38 側(cè)斜點為例，其每級加載階段前后變形如圖9 所示。由圖9 可見，在預應(yīng)力施加前后，地下連續(xù)墻會產(chǎn)生明顯的向坑外移動的趨勢，在持續(xù)加載的作用下，甚至會產(chǎn)生一定的負位移，地墻變形由“鼓肚”形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝”形。

圖9 每道支撐預應(yīng)力加載前后CX38 測斜曲線圖

4.2 不同邊界下地墻側(cè)斜

本項目在重點保護的西側(cè)布設(shè)了預應(yīng)力控制系統(tǒng)，不同階段各區(qū)域地連墻變形情況如圖10 所示。由圖10 可見，在未施加預應(yīng)力的南北側(cè)（CX6、CX13），隨著基坑挖深不斷增加，墻體位移不斷增大，地墻變形的實測值明顯大于理論計算值，基坑開挖到坑底時南北兩側(cè)最大側(cè)向位移分別達到了81.72 mm、100.46 mm；在緊鄰預應(yīng)力的西側(cè)（CX38、CX43），由于有預應(yīng)力的作用，墻體位移不但沒有隨著基坑挖深的加大而繼續(xù)增加，還出現(xiàn)了一定的負位移；東側(cè)墻體位移（CX10）則隨著基坑挖深的增加小幅度增加，表明在西側(cè)增加預應(yīng)力系統(tǒng)對東側(cè)墻體位移有控制作用。本項目地下連續(xù)墻為兩墻合一復合墻，考慮換撐工況，施工至地面時，西側(cè)地下連續(xù)墻測斜維持在-6.81～15.27 mm，滿足復合墻垂直度要求。從整個基坑施工過程來說，采用預應(yīng)力混凝土伺服支撐的區(qū)域能很好地控制基坑變形。

圖10 不同階段各區(qū)域地連墻深層位移曲線圖

4.3 西側(cè)地鐵隧道變形

本項目基坑及地下結(jié)構(gòu)施工期間，對基坑西側(cè)運營中的地鐵10 號線隧道實施了監(jiān)測（見圖8），A區(qū)基坑第一道支撐開始施工至基坑開挖到坑底階段地鐵10 號線隧道典型監(jiān)測點沉降曲線見圖11，典型監(jiān)測點收斂曲線見圖12。

圖11 地鐵10 號線隧道沉降曲線圖

圖12 地鐵10 號線隧道收斂曲線圖

由圖11、圖12 可知，扣除前期圍護結(jié)構(gòu)施工期間的擾動，從基坑開挖到底板澆筑完成階段，基坑開挖引起的地鐵10 號線上行線附加沉降為1～3 mm，下行線附加沉降約為1 mm，上行線附加收斂變形為6～7 mm，下行線附加收斂變形約為2 mm，表明基坑開挖對其影響很小，變形在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本項目基坑開挖較深，基坑周邊環(huán)境保護要求較高，設(shè)計采用分區(qū)順作的思路，在大坑中采用了預應(yīng)力混凝土支撐伺服控制技術(shù)，取得了如下經(jīng)驗：

（1）混凝土支撐采用預應(yīng)力伺服控制技術(shù)，可消除大部分基坑變形，包括地墻部分已有變形、混凝土支撐壓縮變形、混凝土支撐徐變變形等，可有效控制軟土深基坑位移。

（2）雙圈梁傳力體系安全可靠。外圈梁可將預應(yīng)力均勻傳遞至地連墻；內(nèi)圈梁設(shè)置一定寬度加強板，有助于增加安全性、協(xié)調(diào)支撐變形、方便施工；兩道圈梁的間距要和千斤頂型號匹配；支墩作為前期傳力結(jié)構(gòu)及后期安全儲備，前期必須隔離，后期應(yīng)及時灌縫。

（3）支撐拆模后，應(yīng)盡快安裝預應(yīng)力控制系統(tǒng)，3～5 天內(nèi)施加預應(yīng)力，可根據(jù)支撐強度分級加載；預應(yīng)力的大小需要綜合計算及監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合確定，動態(tài)調(diào)整。