軸力伺服系統在軟土明挖基坑中的變形控制

黃祖超

(無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

目前深基坑工程規模[1]越來越大，且施工多以明挖順作法為主，施工區域周邊往往會有已建成的地鐵、民房、辦公樓、保護建筑、重要管線等需要保護。深基坑施工過程中若不進行嚴格的變形控制，將會影響臨近建構筑物的正常使用，所造成的經濟損失和社會損失不可估量。目前深基坑施工采用的主要支撐方式分為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐。新型的鋼支撐軸力伺服新系統將機械自動控制裝置、信息化控制中心、實時信息傳遞系統等結合在一起，能夠利用地面控制中心和手機APP等設備實現對現場軸力的實時監測，當軸力過大或過小時，可及時通過自動或手動控制裝置對軸力進行調整，從而達到控制基坑變形的目的。

2 工程概況

上海地鐵18號線工程土建工程10標芳芯路站位于上海市浦東新區，本站為地下3層車站。車站的主體圍護結構為地下連續墻(1.2 m厚，50 m深)+內支撐型式。坑內采用高壓旋噴樁抽條+裙邊加固(第三、五道混凝土支撐下方均設置抽條加固)。

基坑標準段設七道支撐(第一、三、五道采用鋼筋混凝土支撐，其余均為鋼管支撐)，端頭井設八道支撐(第一、三、五道采用鋼筋混凝土支撐，其余均為鋼管支撐)。其中標準段和端頭井第二道鋼支撐為φ609，t=16鋼支撐，其余鋼支撐均為φ800，t=20鋼支撐。芳芯路站車站主體基坑開挖深度為25.16 m(標準段)～26.69 m(北端頭井)～27.02 m(南端頭井)，在1軸～13軸位置采用了軸力伺服系統。在深基坑開挖的過程中，由于基坑附近的土體變形導致周圍的設施、基礎以及道路產生位移或沉降，影響周邊各類設施和房屋的安全。車站施工時需保護的主要鄰近建、構筑物資料見表1。

表1 周邊建筑物一覽表

3 鋼支撐軸力伺服系統介紹

鋼支撐軸力伺服系統[2-4]由液壓控制模塊(地面的液壓站和鋼支撐頂端的液壓千斤頂)、固件控制系統(PLC控制柜)和自動控制軟件(PC系統)組成[5]，通過將機械自動控制裝置、信息化控制中心、實時信息傳遞系統等結合在一起，對軸力進行實時監測，并通過自動模式或手動模式對軸力進行調整，控制基坑變形，保證周邊設施、房屋等的穩定。

目前國內的伺服系統通常應用在周邊有重要建構筑物的項目，如有老舊建筑、保護性文物遺址、鐵路線或地鐵線等臨近物。

4 理論分析

鋼支撐軸力伺服系統目前應用較少，可供參考的經驗不多。不同的伺服系統作用原理有所區別，在不同的車站工況下效果也不盡相同。

為了模擬鋼支撐軸力伺服系統的運用對圍護結構測斜產生的影響，選擇同一個深基坑的不同情況分別建立模型：1)情況1：鋼支撐均采用軸力伺服系統；2)情況2：軸力伺服系統和普通鋼支撐共同作用；3)情況3：普通鋼支撐作用。

5 實際測試

上海軌道交通18號線10標芳芯路站作為一級基坑，1軸～13軸采用軸力伺服系統，13軸～14軸為過渡段，14軸～20軸采用普通鋼支撐。普通鋼支撐根據設計要求，預加軸力70%，后續根據軸力監測情況及變形情況多次復加軸力。采用軸力伺服系統的鋼支撐預加軸力為設計值的100%。伺服系統可設置軸力下限值，軸力較為穩定。但軸力受溫度影響較大，晝夜軸力變化值最大可達50 t～60 t，施工時尤為需要注意。芳芯路站主體結構基坑標準段軸力伺服鋼支撐軸力見表2。

表2 標準段軸力伺服鋼支撐軸力基準值

墻體測斜情況見表3。

根據監測數據顯示，軸力伺服段墻體測斜最大為25.67 mm，過渡段為32.41 mm，普通鋼支撐段32.65 mm。

6 對比分析

根據上海市基坑施工技術規范要求，一級基坑圍護結構最大位移報警值為1.4‰，控制值為3‰。芳芯路站采用軸力伺服系統的基坑部分圍護結構墻體測斜最大為1.02‰，測斜平均變化為0.94‰。采用軸力伺服系統有效的控制了基坑變形，開挖階段圍護結構的變形滿足規范和設計要求。此外，對比分析實際施工數據，芳芯路站的基坑過渡段數據與普通鋼支撐段變形相差無幾，與整體使用鋼支撐段相比，數據相差較大。因此，軸力伺服系統的使用，以整體使用為宜，單獨使用或混合使用，會造成軸力的損失，進而影響基坑變形。

表3 墻體測斜數值

7 結語

隨著城市建設不斷發展，在地鐵車站深基坑施工中，周邊往往有已建成的地鐵、民房、辦公樓、保護建筑、重要管線等，是基坑施工過程中的主要風險源，往往需要投入大量的資源對其進行保護。鋼支撐作為一種常用的支撐體系，在深基坑中被廣泛應用，但傳統鋼支撐架設后，軸力往往有所損失，對基坑的支護作用降低。采用軸力伺服系統，通過將機械自動控制裝置、信息化控制中心、實時信息傳遞系統等結合在一起，對軸力進行實時監測，根據監測情況，可及時通過自動或手動控制裝置對軸力進行調整，從而達到控制基坑變形的目的，降低施工風險，加強對周邊設施的保護。 通過芳芯路站主體基坑的應用實踐，證明了軸力伺服系統對控制基坑變形的有效性和實用性。