自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在鄰近運(yùn)營線路基坑中的應(yīng)用

常會平

摘要 文章基于蘇州某鄰近既有地鐵臨近既有運(yùn)營線路軟土基坑實(shí)例，對基坑周邊沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的實(shí)測變形結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：基坑開挖會對鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，尤其以豎向位移較為顯著；自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可以有效減小支撐軸力的損失，控制基坑變形；在基坑施工期間，臨近既有運(yùn)營線路的基坑變形均在安全范圍內(nèi)，確保了既有運(yùn)營線路地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

關(guān)鍵詞 既有運(yùn)營線路 軟土基坑 軸力伺服系統(tǒng) 變形監(jiān)測

中圖分類號 TU753文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0044-04

0 引言

隨著全國各個(gè)城市地鐵建設(shè)的快速推進(jìn)城市內(nèi)原有的“一字形”或“十字形”地鐵線路加速成網(wǎng)，變成了換乘站或軌道交通樞紐。后期實(shí)施的地鐵線路在與初期修建的線路對接時(shí)就出現(xiàn)了臨近既有運(yùn)行線路施工的問題。地鐵車站深基坑作業(yè)本就是超規(guī)模的危大工程，基坑內(nèi)土體的開挖，導(dǎo)致基坑周邊土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的位移和應(yīng)力出現(xiàn)變化，隨著進(jìn)一步的發(fā)展若得不到控制會導(dǎo)致基坑附近的地表沉降、管線的沉降、地連墻側(cè)向變形和坑底土體隆起等異常情況，再加上臨近既有運(yùn)營線路，如果基坑變形控制不良對既有車站和隧道區(qū)間產(chǎn)生影響，后果將不堪設(shè)想。因此，確?；语L(fēng)險(xiǎn)在可控制范圍內(nèi)，保持圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的穩(wěn)定性非常重要。為了解決在緊鄰既有運(yùn)營線的情況下軟土地鐵深基坑的施工難題，該文以蘇州地鐵五號線某車站深基坑工程為背景介紹自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在臨近既有運(yùn)營線路軟土基坑施工中的應(yīng)用案例。

1 自鎖式軸力自動補(bǔ)償鋼支撐系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)概述

自鎖式鋼支撐軸力自動補(bǔ)償鋼支撐系統(tǒng)是一種采用位移與軸力綜合控制的支撐系統(tǒng)。通過在鋼支撐上增設(shè)機(jī)電液一體化系統(tǒng)，對支撐軸力進(jìn)行不間斷監(jiān)測，并根據(jù)高精度傳感器所測參數(shù)對支撐軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)自動補(bǔ)償來達(dá)到控制基坑變形目的的鋼支撐系統(tǒng)[1]。該支撐系統(tǒng)共有4個(gè)部分構(gòu)成：支撐筒、液壓千斤頂、液壓泵站及PLC控制中心。

1.2 運(yùn)行原理

液壓千斤頂?shù)挠透坠潭ㄓ谥瓮病⒒钊捻敵龆诉B接球面裝置和測量活塞位移量的位移傳感器，活塞伸出油缸一端開有螺紋，該螺紋連接結(jié)構(gòu)連接鎖緊螺母，在鎖緊螺母的側(cè)面與油缸相頂時(shí)鎖緊活塞。鎖緊螺母為帶齒結(jié)構(gòu)，該齒與調(diào)節(jié)齒輪嚙合。所述調(diào)節(jié)齒輪與固定在液壓千斤頂上的調(diào)節(jié)電機(jī)連接，由調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動調(diào)節(jié)齒輪調(diào)節(jié)鎖緊螺母。其優(yōu)點(diǎn)是帶鎖緊機(jī)構(gòu)在液壓失效時(shí)可有效防止鋼支撐失效、可以實(shí)現(xiàn)自動鎖緊調(diào)節(jié)。液壓泵站與鋼支撐連接為一體自動測取支撐力并自動進(jìn)行控制，控制準(zhǔn)確、壓力均勻穩(wěn)定、省時(shí)省力、效率高[2]。

2 工程概況

2.1 工程簡介

車站總長164.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1 m，采用三層雙跨框架結(jié)構(gòu)。底板埋深約為25.77 m，兩端頭開挖深度約27.5 m。車站主要采用明挖順作法，局部采用蓋挖順作法施工。車站北側(cè)為已運(yùn)營2號線平河路站6號出入口及1 號風(fēng)亭組、錦堂街橋，距主體基坑邊最小水平距離分別為1.14 m、5.88 m；車站南1側(cè)為已運(yùn)營2號線平河路站5號出入口、國發(fā)大廈、平江區(qū)人民檢察院及一層配電房，車站西側(cè)為已運(yùn)營2號線平河路站主體結(jié)構(gòu)；車站北側(cè)為石魚橋浜駁岸。

2.2 地質(zhì)狀況

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，該基坑地層分布為：01雜填土，21粉質(zhì)黏土，3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，3夾砂質(zhì)粉土，4淤泥質(zhì)黏土，61粉質(zhì)黏土，1-2砂質(zhì)粉土，02粉砂。車站主體基坑坑底位于61層中，圍護(hù)墻墻趾底位于第2層中基坑圍護(hù)形式為厚1.0 m、深46 m的地下連續(xù)墻。

3 自鎖式軸力自動補(bǔ)償鋼支撐伺服系統(tǒng)方案論證

3.1 支護(hù)形式及模型計(jì)算

主體基坑采用地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段及兩端頭圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用1 000 mm、1 200 mm厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置7道支撐+1道換撐，其中第一、第五道為鋼筋混凝土支撐，第二、第三、第四、第七道為609 mm×16 mm鋼支撐，第六道為800 mm×20 mm鋼支撐。為達(dá)到對周邊環(huán)境保護(hù)和基坑變形控制要求，通過有限元軟件Plaxis建立有限元模型，模擬對比在支撐豎向布置上采用自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，對軸力變化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和坑外地表沉降的影響。

根據(jù)模型計(jì)算分析：運(yùn)用自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可以有效地控制基坑變形和坑外地表沉降，無伺服鋼支撐系統(tǒng)地連墻最大水平位移約為0.19H%≤0.2%H，符合住建部《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911

—2013）及《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》（DGJ 32/J 195—2015）要求，但不符合蘇州地鐵公司《關(guān)于臨近既有線基坑監(jiān)測規(guī)程技術(shù)要求》地連墻最大水平位移≤0.15%H、土體豎向沉降≤0.1%H的要求。

3.2 計(jì)劃方案

在緊鄰既有地鐵運(yùn)行車站基坑的（北端頭）設(shè)置自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，遠(yuǎn)離既有線路車站基坑的（南端頭）采用常規(guī)的鋼支撐支護(hù)手段，整個(gè)基坑按照監(jiān)測方案要求實(shí)施監(jiān)測。

4 施工過程的變形監(jiān)測情況

4.1 實(shí)施步驟

因?yàn)楸倍祟^涉及既有運(yùn)營地鐵線路，為將時(shí)空效應(yīng)對基坑的影響減到最小。計(jì)劃基坑土方的開挖順序?yàn)橛赡隙祟^至北端頭開挖。一共分為以下幾個(gè)步驟：地下連續(xù)墻施工完成基坑封閉—表層土清理開挖至第一道混凝土支撐下20 cm—第一道混凝土支撐施工—開挖至第二道鋼支撐下50 cm—第二道鋼支撐安裝—開挖至第三道鋼支撐下50 cm—第三道鋼支撐安裝—開挖至第四道鋼支撐下50 cm—第四道鋼支撐安裝—開挖至第五道混凝土支撐下—第五道混凝土支撐施工—開挖至第六道鋼支撐下—第六道鋼支撐安裝—開挖至第七道鋼支撐下—第七道鋼支撐安裝—開挖至墊層。分別在第一、第五道混凝土支撐設(shè)置鋼筋計(jì)，第二、第三、第四、第六、第七道鋼支撐設(shè)置軸力計(jì)[3]。

4.2 監(jiān)測情況

項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)按照施工設(shè)計(jì)組織基坑開挖，按照“三圖四表工作法”對開挖機(jī)支護(hù)過程動態(tài)監(jiān)管，減少了土方開挖無支護(hù)暴露的時(shí)間，將時(shí)空效應(yīng)的影響減到最小。按照基坑監(jiān)測專項(xiàng)方案對墻頂水平位移、墻頂豎向位移、支護(hù)樁（墻）變形（測斜）、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力、立柱豎向位移、地下水位、周邊地表豎向位移等實(shí)施監(jiān)測。

監(jiān)測結(jié)果顯示：增設(shè)自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的墻頂水平位移、墻頂豎向位移、支護(hù)樁（墻）變形（測斜）、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力、立柱豎向位移、周邊地表豎向位移，變化速率和累計(jì)變形量都明顯較小，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境穩(wěn)定性明顯較高，地下水位無明顯影響。因監(jiān)測點(diǎn)位和監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，后續(xù)選擇支撐軸力、土體豎向沉降及支護(hù)樁（墻）變形（測斜）情況三個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目部分點(diǎn)位進(jìn)行分析。

4.3 支撐軸力的變化情況

根據(jù)方案，監(jiān)測點(diǎn)布置情況為ZLi-1位于基坑北端頭，ZLi-11位于基坑南端頭。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，隨著基坑開挖深度的變化基坑軸力值會出現(xiàn)不同程度的變化。自開挖至第五層土方開挖期間，隨著開挖深度變化，兩端軸力（見表1）變化符合設(shè)計(jì)軸力控制值要求，未出現(xiàn)預(yù)警；自第五層土方開挖至基坑底，隨著開挖深度加大，兩端軸力呈不同變化趨勢，ZLi-1軸力值符合設(shè)計(jì)要求，ZLi-11軸力值超出設(shè)計(jì)控制值，達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，基坑出現(xiàn)預(yù)警（見表2）。

該結(jié)果表明：增設(shè)自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)較傳統(tǒng)鋼支撐基坑軸力控制效果較好，對基坑地連墻受力穩(wěn)定性較好。

4.4 土體豎向沉降情況

根據(jù)方案，監(jiān)測點(diǎn)布置情況為DB1-2、DB2-2、DB3-2位于基坑北端頭，DB12-2、DB13-2、DB14-2位于基坑南端頭。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得知，隨著基坑開挖深度的變化基坑周邊地表沉降速率及沉降累積值出現(xiàn)不同程度的變化。自開挖至第五層土方開挖期間，隨著開挖深度變化，兩端地表沉降緩慢變化，DB1-2、DB2-2、DB3-2（見表3）變化速率較DB12-2、DB13-2、DB14-2（見表4）緩慢；自第五層土方開挖至基坑底，開挖深度較大，兩側(cè)土壓力呈指數(shù)級變化，地表沉降基坑變化速度明顯變快，DB1-2、DB2-2、DB3-2（見表3）均勻可控DB12-2、DB13-2、DB14-2成倍變大（見表4）；待頂板完成以后變化速率趨向平衡。

該結(jié)果表明：增設(shè)自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)較傳統(tǒng)鋼支撐基坑周邊土體豎向沉降控制效果較好，對周邊構(gòu)建筑物保護(hù)效果明顯。

4.5 支護(hù)樁（墻）變形（測斜）情況

根據(jù)方案，監(jiān)測點(diǎn)布置情況為CX-1、CX-2、CX-3位于基坑北端頭，CX-13、CX-14、CX-15位于基坑南端頭。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，隨著基坑開挖深度的變化基坑周邊地表沉降速率及沉降累積值出現(xiàn)不同程度的變化。自開挖至第三層土方開挖期間，隨著開挖深度變化，兩端地表沉降緩慢變化，CX-1、CX-2、CX-3（見表5）變化速率較CX-13、CX-14、CX-15（見表6）緩慢；自第五層土方開挖至基坑底板澆筑完成，隨著開挖深度的增大，兩側(cè)土壓力呈指數(shù)級變化，地表沉降基坑變化速度明顯變快，CX-1、CX-2、CX-3（見表5）均勻可控CX-13、CX-14、CX-15（見表6）成倍變大，但處于可控狀態(tài)；待頂板完成以后，因時(shí)空效應(yīng)較長累積變形較大。

經(jīng)過比對CX-1、CX-2、CX-3（見表5）三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)值，按照圍護(hù)墻最大水平位移≤0.14%H、基坑深度27.5 m（預(yù)警值38.5 mm）控制，均在可控范圍內(nèi)，能達(dá)到甲方監(jiān)測要求；相反CX-13、CX-14、CX-15（見表6）圍護(hù)墻最大水平位移雖≤0.2%H，但0.14%H（預(yù)警值38.5 mm）支護(hù)樁（墻）變形（測斜）CX-14、CX-15，如若北端頭未加設(shè)自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，基坑變形量會達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，可能會對既有運(yùn)行線路產(chǎn)生不可逆的破壞。

為便于對比監(jiān)測效果，因篇幅有限僅取CX-1、CX-2、CX-3變形最大的監(jiān)測點(diǎn)以及CX-13、CX-14、CX-15變形最大的點(diǎn)位兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果顯示：從開挖至第四層土方后增設(shè)自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)基坑變形控制效果明顯，直至基坑封頂動態(tài)控制效果較好，達(dá)到了對既有線路的保護(hù)作用。

5 結(jié)語

該文以緊鄰既有運(yùn)行地鐵線路為例，通過南北兩端監(jiān)測結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)變化情況，深刻對比了增設(shè)自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)兩個(gè)位置同等條件下（同樣地層、同等開挖深度、同樣支護(hù)模式、同樣圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、同樣的溫度濕度、同樣水位、同等施工水平、同等施工功效）的基坑變形控制情況。并通過監(jiān)測過程中的三個(gè)最具說服力的指標(biāo)，對設(shè)計(jì)計(jì)算模型進(jìn)行印證，最終應(yīng)用結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算模型一致。由此得出：

（1）深基坑開挖由于鄰近既有運(yùn)行線路，因開挖引起的土體卸荷與坑外土體變形對既有車站結(jié)構(gòu)影響比較明顯，豎向位移變化較大。采用自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，可以有效地控制基坑變形和保護(hù)周邊環(huán)境的安全。

（2）自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)通過軸力補(bǔ)償作用，可消除鋼支撐架設(shè)作業(yè)的預(yù)應(yīng)力損失，能切實(shí)提高鋼支撐的預(yù)應(yīng)力效果，并且減少了鋼支撐安裝環(huán)節(jié)時(shí)空效應(yīng)、加力過程產(chǎn)生的安全問題，有效提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全效能。

（3）自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在重要性工程、周邊環(huán)境敏感的基坑工程中可發(fā)揮軸力監(jiān)測、預(yù)警、消除鋼支撐預(yù)應(yīng)力損失、基坑變形控制、提高鋼支撐自身安全性的重要作用。在控制圍護(hù)變形方面效果顯著，也為今后類似地鐵基坑中支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

（4）自鎖式鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)能夠滿足高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境保護(hù)和變形控制要求的同時(shí)，較混凝土支撐相比，可以有效控制成本，此工法在類似工程中值得推廣。

參考文獻(xiàn)

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