基坑伺服軸力鋼支撐系統(tǒng)軸力加載策略研究

唐 克

（上海市市政工程建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200025）

0 引言

伺服軸力鋼支撐系統(tǒng)可以通過對(duì)支撐軸力的主動(dòng)控制來減少基坑開挖卸荷產(chǎn)生的土體變形，解決了傳統(tǒng)鋼支撐無法實(shí)施監(jiān)測(cè)軸力、及時(shí)補(bǔ)償軸力損失的問題，近年來在環(huán)境保護(hù)等級(jí)高的鄰近地鐵等深基坑工程中得到了迅速推廣應(yīng)用。目前，伺服系統(tǒng)設(shè)備不斷得到改進(jìn)，也積累了一些伺服軸力支撐的軸力控制經(jīng)驗(yàn)[1-4]，但尚未形成成熟的支撐軸力控制理論。本文從基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)原理出發(fā)，提出了一種伺服軸力鋼支撐的軸力施加策略。通過工程實(shí)例，介紹了這一軸力施加策略的技術(shù)路線，從理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果闡述了這一軸力施加策略的實(shí)施效果。

1 伺服鋼支撐軸力施加策略

基坑開挖過程中，坑內(nèi)土卸荷后，在短時(shí)間內(nèi)，無支撐狀態(tài)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受坑外土體壓力并產(chǎn)生相應(yīng)變形存在一定的滯后性。伺服軸力鋼支撐就是利用這一時(shí)空效應(yīng)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形前形成圍護(hù)支撐體系，并通過伺服油缸進(jìn)行軸力施加，從而充分減少支撐受壓收縮產(chǎn)生的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。因此，軸力施加策略是控制基坑變形的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在理想狀態(tài)下，通過及時(shí)支撐并將支撐預(yù)加軸力設(shè)置為坑外土體壓力完全釋放后的支撐正常工作狀態(tài)軸力，支撐理論上不再承受更多的附加軸力，從而達(dá)到理論上無收縮量的效果，最大限度減小因支撐受力收縮產(chǎn)生的基坑變形。基于以上分析，本文提出采用基坑開挖各工況下的理論支撐軸力作為各工況支撐預(yù)加軸力的預(yù)加軸力策略。

2 工程概況

該基坑位于上海市楊浦區(qū)五角場(chǎng)地區(qū)，基坑內(nèi)徑尺寸約27 m×46 m，開挖深度18.191～20.250 m，與某地鐵區(qū)間隧道并行，基坑與區(qū)間隧道水平凈距8.93～11.43 m，地鐵區(qū)間隧道埋深21.27～22.45 m，基坑坑底標(biāo)高位于區(qū)間隧道范圍內(nèi)，是典型的鄰近地鐵深基坑工程?；优c區(qū)間隧道的平面位置關(guān)系及開挖深度最深處斷面位置關(guān)系如圖1、圖2所示?；铀袖撝尉捎昧怂欧S力系統(tǒng)。

圖1 與地鐵平面位置關(guān)系（單位：m）

圖2 與地鐵斷面位置關(guān)系

地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌結(jié)構(gòu)為單層裝配式鋼筋混凝土管片，外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，全環(huán)由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、2塊標(biāo)準(zhǔn)塊與1塊拱底塊共6塊管片組成。管片厚度為35 cm，環(huán)寬為1.2 m，管片的環(huán)與環(huán)、塊與塊間均以M30直螺栓連接，通縫拼裝。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，抗?jié)B等級(jí)為1.0 MPa。

3 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，在所揭露深度65.20 m范圍內(nèi)的地基土主要由黏性土、粉性土以及砂土組成，分布較穩(wěn)定，一般具有呈層分布的特點(diǎn)，主要圖層參數(shù)見表1。擬建場(chǎng)地地下水類型主要為松散巖類孔隙水?？紫端葱纬蓵r(shí)代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、承壓含水層。該工程勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水和第⑦層粉性土的承壓水，施工中對(duì)承壓水隔斷處理。

表1 土層參數(shù)表

4 基坑方案

基坑深度 18.191～20.250 m，基坑寬 22.620～27.000 m，基坑縱向長(zhǎng)度44.7 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)一級(jí)。采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻圍護(hù)，為隔斷承壓水，墻長(zhǎng)42 m，墻趾位于⑧1黏土層中。沿基坑深度方向設(shè)置6道支撐，其中第一、第四道為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其余均為?609，t=16 mm鋼支撐。鋼支撐均采用軸力自補(bǔ)償伺服系統(tǒng)，斷面如圖2所示。

5 軸力施加策略的技術(shù)路線

（1）計(jì)算不施加軸力狀態(tài)下，基坑開挖各工況的每道支撐理論軸力，作為施工過程中各工況下支撐軸力控制值；

（2）開挖土體至第一道支撐頂面，開槽澆筑第一道頂圈梁及混凝土支撐；

（3）待第一道支撐強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖土體至第二道支撐位置，設(shè)置第二道鋼支撐，并施加該工況下支撐預(yù)加軸力；

（3）開挖土體至第三道混凝土支撐位置，開槽澆筑第三道混凝土圈梁及混凝土支撐，并調(diào)整上部鋼支撐預(yù)加軸力；

（4）待第三道混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖土體至第四道鋼支撐位置，設(shè)置第四道鋼支撐施加軸力，并調(diào)整上部鋼支撐預(yù)加軸力；

（5）開挖土體至第五道鋼支撐位置，設(shè)置第五道鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力，附加上部支撐預(yù)應(yīng)力；

（6）開挖土體至底板下基坑底面，澆筑素混凝土墊層，結(jié)構(gòu)底板。

6 實(shí)施效果

6.1 支撐軸力計(jì)算值與實(shí)際值比較

圖3 是伺服軸力鋼支撐實(shí)際最大軸力與計(jì)算最大軸力的對(duì)比。結(jié)果顯示，實(shí)際支撐最大軸力與計(jì)算值較為接近，比計(jì)算值高約17.6%。在理論計(jì)算過程中，基坑開挖面以上的土體壓力一般采用主動(dòng)土壓力計(jì)算，采用伺服軸力鋼支撐時(shí)，墻體水平位移有較大限制，土體壓力一般大于主動(dòng)土壓力值，因此，實(shí)際支撐軸力略大于理論計(jì)算值。

6.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖4 為開挖深度20.25 m斷面的鄰近地鐵一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較。結(jié)果顯示，計(jì)算最大水平位移為15.2 mm，深度21 m，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變形趨勢(shì)一致，變形略大于計(jì)算值，實(shí)測(cè)最大水平位移19.5 mm（＜1.0‰H=20.25 mm），深度24 m。伺服軸力鋼支撐對(duì)于基坑變形控制效果良好。

圖3 伺服軸力鋼支撐最大軸力對(duì)比（單位：kN/m）

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比

6.3 坑外地表沉降

圖5 為開挖深度20.25 m斷面的鄰近地鐵一側(cè)坑外地表沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較。結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算沉降較為符合，實(shí)測(cè)最大沉降為-12.7 mm，位于坑外9.1 m處。

圖5 坑外地表沉降對(duì)比

6.4 區(qū)間隧道在基坑開挖期間的收斂沉降

如圖6、圖7所示，基坑正對(duì)區(qū)域，在距離基坑較近區(qū)間隧道最大收斂2.9 mm，最大沉降-1.1 mm。隧道變形呈“橫鴨蛋”變形模式，略有沉降，變形情況符合基坑開挖卸載下的力學(xué)特征。伺服軸力支撐有效控制了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量，從而降低了開挖對(duì)地鐵區(qū)間隧道的擾動(dòng)。

圖6 下行線（距離基坑較近區(qū)間）收斂

圖7 下行線（距離基坑較近區(qū)間）沉降

7 結(jié) 語

伺服支撐體系越來越多地在鄰近地鐵等地下隧道的基坑開挖工程中得以應(yīng)用，其原理是根據(jù)時(shí)空效應(yīng)的理論，及時(shí)補(bǔ)償支撐軸力，控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，提高基坑圍護(hù)變形控制精度。支撐軸力的調(diào)整需與地墻變形、各種土壓力變化等監(jiān)測(cè)情況及施工工況等密切結(jié)合，但目前通過軸力變形來控制支撐軸力的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性仍需提高，在測(cè)控及受力機(jī)理上較為模糊，較難實(shí)際操作。本文提出以各開挖階段的理論軸力為依據(jù)，結(jié)合基坑工況變化動(dòng)態(tài)調(diào)整軸力的軸力施加策略，符合基坑設(shè)計(jì)理論，有清晰的理論基礎(chǔ)且易于實(shí)際操作。

本文給出的實(shí)踐案例，充分展示了這一加載策略與理論計(jì)算的一致性，通過精心施工，可以達(dá)到較好的基坑變形控制效果。值得一提的是，支撐軸力控制值的計(jì)算受到坑外土壓力計(jì)算準(zhǔn)確性的影響，由于伺服軸力鋼支撐對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形良好的約束效果，使得坑外實(shí)際土壓力大于主動(dòng)土壓力值，從而使支撐實(shí)際軸力值略大于理論計(jì)算值。因此，在基坑開挖理論計(jì)算中，可以適當(dāng)考慮因伺服軸力支撐約束對(duì)土壓力的影響。

總體而言，采用伺服鋼支撐系統(tǒng)的基坑將圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的變形降到最低，支撐安裝的及時(shí)性是影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的主要因素，而且伺服鋼支撐安裝前圍護(hù)結(jié)構(gòu)已發(fā)生位移的大小影響后續(xù)的軸力測(cè)控的目標(biāo)差異。在實(shí)施過程中，依然需要通過精心施工才能取得良好的實(shí)施效果。當(dāng)前，保障地鐵等城市交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)安全已成為我國(guó)緊湊型城市建設(shè)過程中的迫切需要，伺服軸力鋼支撐系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)等級(jí)高的基坑中將有越來越廣闊的應(yīng)用前景和工程需求。