鄰近既有地鐵線基坑工程的自適應支撐系統變形控制技術

朱衛東

（中鐵一局集團有限公司，710054，西安∥高級工程師）

目前，軌道交通建設中基坑開挖已趨于大規模化及大深度化。基坑周邊環境復雜，鄰近建筑、管線和運營線路給工程施工帶來了更大挑戰，變形控制已成為基坑工程研究的主要方向之一。

預應力鋼支撐是基坑變形控制的重要手段之一，然而，傳統鋼支撐施工和監測技術由于自身的缺陷，無法滿足基坑變形有效控制的要求。許多學者對鋼支撐預應力影響因素進行了深入研究，但固有的缺點無法對基坑變形的實時控制起到有效作用［1－2］。針對以上問題，本文以某鄰近既有地鐵線的基坑工程為背景，通過數值分析，定量研究鋼支撐預應力對基坑變形的控制作用，進而介紹一套應用于該工程的自適應支撐系統施工技術。

1 工程背景

1.1 工程簡介

某車站全長830m，為地下三層島式車站，采用兩柱三跨框架式結構。車站標準段寬25.7m，底板埋深約18.1m。車站蓋挖段長720m，臨近既有地鐵線，圍護結構之間凈距最小約9.1m。車站東側圍護樁設計為Φ1200mm＠1300mm＋Φ600mm旋噴樁止水帷幕，西側圍護樁設計為Φ1500mm＠1600mm＋Φ600mm旋噴樁止水帷幕。車站采用蓋挖逆筑法進行施工，在車站負一層板上方1m及負二層底板上方2m均設置一道鋼支撐。蓋挖段沿車站縱向每隔8m設置4根臨時鋼立柱。

車站主體結構底板設計厚度為1.3m，中間沿縱向設置兩道底縱梁。底縱梁尺寸為1.2m×1.5 m。結構柱設計尺寸為0.7m×1.2m，高度與層高相同。車站側墻設計厚度為1m，車站中板設計厚度為0.5m，并在中板與立柱連接位置設置縱梁，局部加設橫梁。車站頂板設計厚度為1m，并在頂板與立柱連接位置設置縱梁，局部加設橫梁。車站斷面圖如圖1所示。

圖1 地鐵車站斷面圖

1.2 水文地質情況

基坑工程地處濱海灘涂地貌單元，有大量的人工回填塊石、淤泥層等不良地質。開挖范圍內主要為淤泥、淤泥質黏土等，平均層厚5m，最厚達11.7 m。軟土特性對基坑開挖時空效應要求高。地下水位埋深0.00～5.2m，水位高程1.29～5.15m。

2 鋼支撐預應力數值分析

2.1 有限元模型

采用MIDAS－GTS建立二維平面應變模型，定量分析鋼支撐預應力對基坑變形的影響。建模選擇典型的標準斷面（見圖1）進行研究。考慮邊界條件的影響，模型范圍選擇3倍的基坑深度。模型尺寸為207.2m×97.1m（寬×深）。計算模型上表面為自由邊界，底部為固接，各側面均為對應方向的位移約束。

圍護樁、鋼支撐、格構柱和結構板均采用梁單元模擬，土體采用二維面單元模擬。圍護結構和支撐系統有限元模型見圖2所示。

圖2 地鐵車站有限元模型

2.2 土層及力學參數

混凝土圍護樁采用C30混凝土，結構樓板采用C35混凝土，鋼支撐采用Φ606mm×16mm的鋼管，地層根據地勘報告資料進行適當簡化。土層采用可以模擬土體彈塑性特點的莫爾－庫倫模型，圍護樁、支撐等結構采用線彈性本構模型。土層及力學計算參數見表1。

表1 土層及力學計算參數

荷載除考慮自重外，考慮周邊施工車輛及物料堆載為20kPa，分布于基坑邊緣至模型邊界的區域。

2.3 結果分析

圖3表示圍護樁變形和支撐施加預應力比例的關系。其中支撐預應力比例為支撐施加預應力與設計預應力的比值。由圖3可知，預應力的施加能有效控制樁體的變形，樁體變形值減小約40%；大、小圍護樁體變形和施加預應力比例均近似呈線性關系。圖4為支撐施加預應力和無預應力時的樁體變形圖。由圖4可以看到，支撐施加預應力和無預應力時樁體變形均呈“弓”形；當支撐無預應力時，樁頂水平變形增大較多。由有限元分析結果可知，支撐預應力損失對基坑變形有較大影響，鋼支撐預應力的實時控制、恒壓對基坑開挖過程中的變形控制具有重要作用。

圖3 支撐施加預應力比例與樁體變形關系圖

3 自適應支撐系統施工工藝

3.1 系統簡介

圖4 樁體變形云圖

自適應支撐系統是遵循“樹狀即插分布式模塊，結構、多重安保體系”的總體工藝技術路線，將機電液比例控制技術、PLC（可編程邏輯控制器）電氣自動控制技術、總線通信技術以及現代HMI（人機界面）智能技術和計算機數據處理技術等有機集成起來，有效控制和減少建筑深基坑施工引起的基坑變形的鋼支撐軸力自適應實時補償與監控系統［3－7］。

系統主要由監控站、操作站、現場控制站、液壓伺服泵站系統、總線系統、配電系統、通信系統、移動診斷系統、組合增壓千斤頂和液壓站接線盒裝置等組成。

3.2 施工技術

3.2.1 現場布置

現場布置包括設備、線路及供電系統的布置。根據基坑形狀及開挖方案，將自適應支撐系統的現場控制站及泵站沿基坑邊緣一字排開。以線路最短原則布置現場控制站及泵站。參見圖5。

3.2.2 自適應支撐系統的安裝工藝

完成自適應支撐系統的現場布置及安裝調試后，需進行鋼支撐的安裝。具體安裝流程為：鋼箱體與鋼支撐連為整體→鋼支架平臺與預埋鋼板焊牢→鋼箱體和支撐吊裝至鋼支架平臺→吊放千斤頂至鋼箱體內→預撐鋼支撐并安裝限位構件→千斤頂對鋼支撐施加預應力→啟動自適應支撐系統。

圖5 系統平面架構示意圖

3.2.3 自適應系統的拆除工藝

待基坑大底板混凝土強度達到要求后，可拆除底層鋼支撐。拆除工作流程為：關閉自動調壓程序→千斤頂活塞桿縮回→拆除油管→千斤頂吊離鋼支撐→拆除鋼支撐及支座。

4 自適應支撐系統的應用

4.1 自適應支撐系統設計要求及現場布置

某車站蓋挖段總長達720m，現場布置分為南北兩區兩個獨立監控體系。根據基坑形狀及開挖方案，將自適應支撐系統的現場控制站放在已施工好的負一層板上，泵站沿負一層板邊緣一字排開。現場平面架構如圖6所示。

圖6 前海灣站基坑支撐監控平面布置圖

4.2 自適應支撐技術應用效果

4.2.1 變形控制標準

根據設計要求，該基坑變形和軸力損失控制要求都高于同類車站，如表2所示。鄰近的既有線各監測項目控制標準見表3。

表2 基坑結構變形監測控制指標

表3 既有地鐵線結構變形監測控制指標

4.2.2 基坑監測數據分析

根據車站與既有地鐵線的位置，由北至南選取5個點作為本次測試基準點。其中，CX11、CX12出測斜孔處的結構已完成，地表沉降基準點與樁體位移基準點位置相近，鋼支撐每隔68m選擇一根作為控制點。測試結果如圖7～9所示。

圖7 樁體水平位移累計值與控制值對比表

圖8 鋼支撐軸力值與控制值對比表

由圖7～8可知，采用自適應支撐系統的鋼支撐體系，通過及時補充軸力損失，可有效減少基坑變形；樁體位移變形最大僅為26mm（CX12），而鋼支撐軸力基本與設計軸力相一致，未出現大幅衰減。由圖9可知，地表沉降控制在控制值內（選取的4個點中沉降最大的未超過20mm，小于控制值27mm）。

4.2.3 鄰近既有地鐵線變形監控

對鄰近基坑的既有地鐵線進行變形監控，結果如表4所示。

圖9 地表沉降累計值統計

表4 既有線自動化監測區間統計表

由表4可知，既有線水平變形和沉降變形均在設計值范圍內。目前車站結構板已完工，采用自適應支撐系統的車站相對盾構管片隧道對既有線的影響要小，真正確保了既有地鐵線的運營安全。

5 結語

所依托地鐵車站基坑工程的地質環境復雜、地下水位高，且緊鄰既有地鐵線，工程對基坑變形和沉降都有嚴格的要求。本文通過數值分析和自適應支撐系統的應用，得出以下結論：

（1）支撐預應力損失對基坑變形有較大影響，鋼支撐預應力的實時控制、恒壓對基坑開挖過程中的變形控制及動態安全控制具有重要的作用。

（2）圍護樁體變形和支撐所施加預應力比例近似呈線性關系。與支撐無預應力時的樁體變形相比，支撐施加預應力設計值時的樁體變形值減小約40%。支撐無預應力和施加預應力時樁體變形均呈“弓”形，當支撐無預應力時，樁頂水平變形增大較多。

（3）自適應支撐系統對深基坑施工的變形真正實現了動態、實時及晝夜不間斷的監測與控制。該系統有效控制了基坑結構的位移變形，確保了基坑開挖安全，有效控制了鄰近運營線的沉降和變形，確保了運營線的運營安全。

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