鋼支撐伺服系統在軌道交通工程中的應用

吉茂杰

上海申通地鐵集團有限公司 上海 201101

1 工程概況

上海軌道交通14號線浦東大道站與已運營的4號線浦東大道站“十”字換乘。車站被4號線大連路隧道、4號線浦東大道站車站分為3個基坑。西區基坑的標準段寬度為24.65 m，圍護采用厚1 m、深50 m地下連續墻，沿基坑深度共設置6道支撐，第1道和第4道為混凝土支撐，第5道為φ800 mm鋼支撐，其余為φ609 mm鋼支撐。車站周邊環境復雜，車站西南側的嶗山一村距離車站僅約6 m。基坑①～⑤軸之間所有鋼支撐均采用軸力伺服系統，⑤～ 軸之間部分鋼支撐采用軸力伺服系統（圖1、圖2）。

第3道鋼支撐（普通或伺服）標高為－9.10 m，第4道混凝土支撐標高為－12.30 m，第5道伺服鋼支撐標高為－16.50 m。

2 伺服鋼支撐工作原理

普通鋼支撐預加軸力后在其活絡端打入鋼楔塊以鎖定軸力，鎖定過程中由于鋼楔塊的變形會帶來瞬間的軸力損失，并且鋼支撐在受地下連續墻擠壓后會產生彈性壓縮，不能自動調整鋼支撐的軸力和長度，只能被動受壓。

圖1 基坑支撐布置平面

圖2 基坑支撐布置剖面

伺服鋼支撐是將普通鋼支撐的活絡端替換為專用支撐頭，支撐頭內部設千斤頂，可以智能地根據設定的程序進行鋼支撐軸力和位移的調控[1]。在地下連續墻變形向內擠壓鋼支撐使其縮短的同時，支撐頭會主動調整千斤頂的油缸，使油缸產生向外的行程，彌補鋼支撐的壓縮量，從而控制了地下連續墻的變形。位于支撐頭上部的超聲波測距傳感器可以測量內置千斤頂油缸的行程，該行程將用于支撐軸力的控制與基坑變形數據分析（圖3）。

圖3 伺服鋼支撐的工作示意

3 鋼支撐變形的實測數據分析

本節將對全伺服區域的P2和P35測斜孔，部分伺服區域的P3和P34測斜孔進行分析，全伺服區域的鋼支撐均為伺服鋼支撐，部分伺服區域的第2道和第3道鋼支撐為普通鋼支撐，第5道和第6道鋼支撐為伺服鋼支撐。各測斜孔對應的支撐編號及安裝日期如表1所示。

表1 各測斜孔對應的鋼支撐編號及安裝日期

下面分析第3道鋼支撐分別采用伺服和非伺服方式的位移控制效果。第3道鋼支撐的軸力隨著基坑的下挖不斷增大，按第3、4、5道支撐安裝的時刻分為3個開挖節點進行分析，第3道鋼支撐在各開挖節點的軸力分別列入表2。

表2 第3道鋼支撐在各開挖節點的軸力

根據現場測斜數據，可得到測斜孔的位移曲線（圖4、圖5）。

從圖4可以看出，全伺服區域的第3、5道伺服鋼支撐安裝好以后，各標高位移曲線會有減小趨勢，隨后很長一段時間都緩慢發展，而第4道混凝土支撐并不能帶來位移的穩定。測斜孔P2及P35所對應的第3道支撐標高（－9.10 m）處的地下連續墻變形值記為sp2和sp35。

圖4 P2/P35測斜孔對應各開挖節點的地下連續墻位移曲線

圖5 P3/P34測斜孔對應各開挖節點的地下連續墻位移曲線

從圖5可以看出，在第3道普通鋼支撐3-P3安裝好以后，－9.10 m標高處的位移仍在緩慢增大，在第4道混凝土支撐4-P3澆筑好以后該標高處位移繼續增大，直到第5道伺服鋼支撐5-P3安裝好以后，該標高的位移發展趨于平緩。從－16.50 m處地下連續墻的位移曲線可以看出，在5-P3伺服鋼支撐安裝好以后，該標高的位移有向基坑外側變形的趨勢，之后位移發展趨于平緩。將測斜孔P3及P34對應的第3道支撐標高（－9.10 m）處的地下連續墻變形值記為sp3和sp34。

我們從以上測斜曲線中的數據分析第3道鋼支撐標高位置（－9.10 m）的雙側地下連續墻收斂值。由于測斜孔P2對應的基坑另一側測斜孔位為P35，測斜孔P3對應的基坑另一側測斜孔位為P34，因此將相對應的2個測斜孔位的變形值疊加，就是第3道鋼支撐標高位置的雙側地下連續墻收斂值，即鋼支撐的實際壓縮值lac，5-P2（5-P3）安裝時刻與3-P2（3-P3）安裝時刻的鋼支撐壓縮值之差為Δlac（表3）。

表3 第3道鋼支撐在各開挖節點的實際壓縮值

第3道伺服鋼支撐實際壓縮值：lac=sp2＋sp35。

第3道非伺服鋼支撐實際壓縮值：lac=sp3＋sp34。

第3道支撐分別采用伺服和非伺服鋼支撐，當軸力大小相等時，基坑水平位移卻相差很大，即鋼支撐的總壓縮量相差很大。且從3-P2（3-P3）安裝時刻到5-P2（5-P3）安裝時刻這段時間，伺服鋼支撐產生的位移增量只有2.02 mm，而非伺服鋼支撐卻達到了17.31 mm。

4 鋼支撐變形的理論計算分析

本節將通過理論分析，探究基坑變形的組成，從而解釋伺服鋼支撐變形較小的原因。

4.1 鋼支撐在軸壓力作用下的變形

第3道鋼支撐均為φ609 mm鋼支撐，外徑D=609 mm，壁厚t=16 mm，鋼支撐長度L=24 m，鋼材彈性模量為E=210×103MPa。經計算，φ609 mm鋼支撐的受力面積A=29 792 mm2，則鋼支撐在軸壓力作用下的壓縮值lF=F·L/（A·E）。根據此式，可得到第3道鋼支撐在各開挖節點軸壓力作用下的壓縮值。

4.2 鋼支撐在溫度作用下的變形

鋼支撐長24 m，線膨脹系數為12×10-6K-1，該工程施工期間最大溫差為15 K，因此該鋼支撐熱脹冷縮的最大變形值[2]為：lt=4.32 mm。

4.3 鋼支撐在工作狀態下的理論最大壓縮值

鋼支撐在預加軸力作用下會產生初始壓縮變形，之后開始工作，在土壓力作用下，鋼支撐軸壓力增大時變形也相應增加，各軸壓力增量ΔlF和溫度作用下的變形lt之和即為它的理論變形值lth。因此：lth=ΔlF＋lt。

軸壓力為1 400 kN時，發生初始壓縮變形lF=5.37 mm，ΔlF=0 mm；軸壓力為1 700 kN時，鋼支撐壓縮值lF=6.52 mm，ΔlF=6.52－5.37=1.15 mm；軸壓力為2 000 kN時，鋼支撐壓縮值lF=7.67 mm，ΔlF=7.67－5.37=2.30 mm。

綜上所述，不同軸力作用下鋼支撐的理論最大壓縮值如表4所示。

對比表3中的鋼支撐實際壓縮值和表4中的鋼支撐理論壓縮值發現，伺服鋼支撐的實際與理論壓縮值相差不大，而非伺服鋼支撐的實際壓縮值遠遠大于其理論壓縮值。

軸力伺服系統的特點在于它可以通過自動調節油缸長度來彌補鋼支撐的壓縮量，主動控制地下連續墻的位移；而普通鋼支撐由于無法自動調節自身長度，因此在地下連續墻的壓力作用下，節點之間的壓縮及撓曲變形使鋼支撐產生了很大的壓縮，從而帶來了更大的地下連續墻位移。表3中伺服鋼支撐與非伺服鋼支撐的位移控制效果相差懸殊，在于伺服鋼支撐主動調整自身長度彌補了鋼支撐在撓曲變形及節點壓縮過程中所產生的變形。因此，使用伺服段的變形遠小于非伺服段的變形，該變形差將在下節中得到數據證明。

表4 不同軸力作用下鋼支撐的理論最大壓縮值

5 伺服鋼支撐的變形分析

支撐軸力伺服系統的位移測量功能是通過測量支撐頭內千斤頂的行程來實現的[3]，超聲波測距儀是目前比較先進的一種位移測量方式，此次工程采用的支撐軸力伺服系統即使用超聲波測距儀進行位移測量。P2測斜管對應的第3道伺服鋼支撐為3-P2，在3-P2安裝當日（11月14日）和5-P2安裝當日（12月16日）的平均軸力及平均油缸行程見表5。從支撐軸力伺服系統的數據平臺上可得到軸力-油缸行程/時間曲線（圖6）。

表5 伺服鋼支撐3-P2軸力與油缸行程

圖6 伺服鋼支撐3-P2軸力-油缸行程/時間曲線

根據上述數據分析，軸力由1 400 kN增加到2 000 kN時，鋼支撐的實際壓縮值、理論壓縮值和油缸行程的情況如表6所示。表中的Δl表示3-P2安裝時刻至5-P2安裝時刻間所產生的位移增量。

由表6可知，從3-P2安裝時刻至5-P2安裝時刻，伺服鋼支撐的實際壓縮值與油缸行程之和為2.02＋14.16=16.18 mm，接近于非伺服鋼支撐的實際壓縮值17.31 mm。再次表明了伺服系統可以通過主動調整鋼支撐的長度，很大程度地補償其在壓力、溫度及節點拼接間隙等各種因素下的壓縮量。即：

表6 3道鋼支撐標高處地下連續墻的位移增量

正是由于該恒等式的存在，軸力伺服鋼支撐大大限制了地下連續墻位移的產生。

6 結語

本文結合上海軌交14號線浦東大道站的工程案例，對比了普通支撐與伺服支撐的變形控制數據。通過理論計算與實測數據分析，證明了伺服鋼支撐實際上是一種可以智能伸縮的鋼支撐，千斤頂的伸出量有效地補償了支撐撓曲變形及節點拼接處的變形，并且在一定程度上補償了溫度及土壓力變化帶來的支撐本體壓縮，進一步證明了軸力伺服鋼支撐在變形控制方面的有效性，可為進一步優化支撐軸力伺服系統的控制算法提供理論依據[4-5]。