城市中心區地鐵深基坑鋼支撐軸力伺服系統應用研究

史 劍

（江蘇東印智慧工程技術研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著城市的建設發展，土地資源稀缺，地上地下結構物十分密集已成為一個不爭的事實。面對基坑施工過程中周邊既有道路、橋梁、地鐵等建、構筑物，基坑變形控制已成為城鎮化進程的一個剛需。已有研究［1-3］指出，基坑變形按時間順序可分為：基坑開挖前的變形、基坑開挖至底板施工完畢期間的變形、底板澆筑后的變形；其中開挖階段安全問題最突出，變形最大，此階段變形控制是深基坑變形控制的重點。而鋼支撐是開挖階段維護基坑穩定的一項重要措施，在基坑工程中起到至關重要的作用。

傳統鋼支撐在深基坑支護過程中主要面臨以下實際問題：①傳統鋼支撐在安裝時采用液壓設備施加預應力，打入鋼楔塊進行鎖定，鎖定過程中即產生軸力損失，且后續無法調整；②傳統鋼支撐軸力變化取決于圍護結構變形，處于被動受力狀態；③傳統鋼支撐補償具有滯后性，補償時圍護結構位移無法得到控制［4］。鋼支撐軸力伺服系統［5-7］是由硬件設備及軟件程序組成的一套智能控制系統，它的工作原理是利用鋼支撐軸力補償裝置代替傳統鋼支撐系統中的活絡頭，由液壓動力控制系統對千斤頂壓力進行調整。通過 24 h 監控并根據采集到的數據實現低壓自動伺服，高壓自動報警，進行位移與軸力雙控，能夠有效地減少因鋼支撐補償滯后引起的變形。

本文以南京地鐵 5 號線中心城區山西路站基坑開挖鋼支撐軸力伺服系統應用為例，分析基坑開挖階段鋼支撐軸力伺服系統下基坑變形及周邊建構筑物沉降控制效果。

1 案例分析

1.1 工程概況

圖 1 為南京地鐵 5 號線山西路站平面布置圖。山西路站沿中山北路跨山西路和湖南路路口布置，中山北路現狀寬度 40 m。山西路和湖南路現狀寬分別寬 33 m和 34 m。車站為地下 2 層島式車站，站臺寬12 m，站后設單停車線。主體結構標準段寬 21.1 m，端頭井寬 25.3 m。車站共設 4 個出入口、2 個風亭、2 個消防疏散口，其中 1 號、2 號出入口由“湖南路商業街”代建。車站南端（小里程端）一側盾構始發，一側盾構接收；停車線段設盾構始發井，北端（大里程端）盾構接收。

圖1 山西路站總平面圖

山西路站為車站起迄里程為 K30+702.733～K31+215.733，總長 513 m，站臺寬度 12 m，標準段寬度 21.1 m，底板埋深 16.94 m。根據建筑布置和使用功能的要求，該站采用兩層單柱雙跨箱型框架結構。

1.2 水文地質概況

擬建場地處于秦淮河漫灘平原區，砂土、軟土發育，工程地質條件一般。圖 2 所示為山西路站地質情況剖面圖。從圖中可以看出，場地內地層從上到下依次為：①-1 雜填土層、①-2 素填土層、②-1d3 層粉砂、②-2b 3-4 層淤泥質粉質黏土、②-4b 2 層粉質黏土、③-1b2 層粉質黏土、③-3b3 層粉質黏土、③-4b2 層粉質黏土（主要分布單渡線段）、③-4-1e 含卵礫石粉質黏土、③-4-2e 中粗砂含卵礫石（主要分布單渡線段）、J3l-2 層強風化巖、J3l-3 層中風化巖。車站主體結構基底土層主要為 ②-2b3-4 層淤泥質粉質黏土及 ②-4b2可塑粉質黏土，巖土層工程特性差異較明顯。基巖面埋深起伏變化較大，中部淺、兩端深。

圖2 山西路站地質剖面圖

地下水穩定水位埋深 0.50～2.80 m，平均高程 8.96 m，場地地下水位年變化幅度 1.0 m 左右。場地③-4-2e 層承壓水水頭埋深 1.50 m，高程為 9.08 m。含水層常年有水，水頭標高略低于潛水穩定水位，與潛水含水層聯系弱。

1.3 周邊建筑物概況

南京地鐵 5 號線山西路站位于中心城區，周邊敏感建筑較多，且建筑年代基礎形式不一。根據南京市關于地鐵建設沿線房屋安全管理的相關規定，對秦淮河漫灘區≥ 2 倍基坑深度為主要影響范圍進行臨近建筑物狀況調查，結果如表 1 所示，其中 H 為山西路站基坑深度。從表中可以看出，山西路站周邊建筑物年代久遠，大量低層建筑物基礎形式不明，對基坑開挖與周邊環境保護帶來了很大的挑戰。

表1 山西路站主體結構主要臨近建筑物狀況描述表

2 開挖工況及伺服支撐實施方案

車站圍護結構采用地下連續墻+內支撐型式。支護結構采用 0.8 m 的地下連續墻。由于車站處于市中心，為保障社會交通，車站主體結構基坑開挖采用半蓋挖法施工。標準段基坑豎向設 4 道支撐，第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，第二、三、四道支撐采用φ800 mm 鋼支撐。山西路站主體地下連續墻及第一道鋼筋混凝土支撐施工于 2019 年 1 月 20 日完成，主體基坑于 3 月 30 日－ 4 月 3 日完成第 2 層土方開挖并架設鋼支撐；4 月 3 日－ 4 月 28 日完成第 3 層土方開挖并架設鋼支撐；4 月 25 日－ 6 月 13 日完成第 4 層土方開挖。

為保護主體基坑 25～32 軸人和街民宅，主體基坑第二～四道 74～92 采用支撐軸力伺服系統，共計 57 根。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，主動控制地下墻的位移。基坑伺服鋼支撐段平、縱剖面圖分別如圖 3 和圖 4 所示，伺服段全部為φ800 mm 伺服支撐，總共 57 根，每 8 根伺服鋼支撐共用 1 臺數控泵站，所需泵站數量共計 8 臺。因場地關系，泵站沿南邊靠圍擋放置。伺服支撐于 4 月 1 日隨基坑開挖后開始安裝，6 月 13 日安裝完畢。具體伺服鋼支撐安裝時間如表 2 所示。

圖3 基坑鋼支撐及泵站平面布置圖（單位：mm）

圖4 基坑伺服鋼支撐縱剖面圖

表2 山西路站基坑伺服支撐安裝時間表

3 伺服鋼支撐數據分析

基坑開挖過程中伺服支撐段鋼支撐軸力、圍護結構水平位移及周圍建筑物監測布點圖如圖 5 所示。圖 6 所示為隨著基坑開挖與支撐施工伺服支撐段測斜孔所測圍護結構水平位移深層水平位移曲線。表 3 所示為開挖過程中伺服支撐段對應位置測斜孔所測圍護結構最大水平位移。根據施工監測深層水平位移數據可以看出，伺服支撐段圍護結構最大水平位移 16.01 mm，位移深度比 1.0 ‰。

表3 圍護結構最大水平位移匯總

圖5 監測測點布置圖

基坑圍護結構變形最大值主要發生在第 3 層及第 4 層位置，總體結構變形不大。伺服鋼支撐位置處圍護結構水平位移處于穩定、可控狀態。由于第 3 層到第 4 層 位置開挖后架設支撐不及時，圍護結構無支撐暴露時間較長，變形由此增大。這主要是由于支撐未及時架設導致坑底土體的應力水平相對較高，土體在較高應力水平下經歷了蠕變的高速發展。

圖6 圍護結構測斜孔水平位移曲線

表 4 和表 5 分別給出了伺服支撐在各級施工工況下的軸力及對應深度下圍護結構水平位移典型數據。第 2 層土方開挖伺服支撐控制范圍內的水平位移被控制在 3 mm 之內；第 3 層土方開挖伺服支撐控制范圍內的水平位移被控制在 0 mm 之內；第 4 層土方開挖伺服支撐控制范圍內的水平位移被控制在 3 mm 之內。隨著基坑開挖與支撐，施工伺服支撐段各級支撐對應深度處圍護結構水平位移隨時間變化典型曲線測斜孔深層水平位移曲線如圖 7 所示。伺服鋼支撐安裝后，支撐所在高度的圍護結構水平位移呈有明顯收斂趨勢。隨著伺服支撐的架設，變形處于穩定狀態。基坑支護結構在支撐暴露期間的變形得到了較好的控制。

圖7 圍護結構各測斜孔水平位移-時間曲線

表4 ZQT 16 測斜孔處伺服鋼支撐軸力及水平位移數據表

表5 ZQT17 測斜孔處伺服鋼支撐軸力及水平位移數據表

基坑開挖階段房屋沉降監測布點和監測數據如圖 8 所示。從監測結果可以看出，基坑圍護結構水平位移最大為 16.01 mm，房屋最大沉降為 31.05 mm，差異沉降不明顯，滿足基坑變形控制要求。

圖8 建筑物沉降變化曲線圖

4 結論

南京地鐵 5 號線山西路站標準段基坑開挖，為保護周邊敏感建筑物采用鋼支撐軸力伺服系統施工。本文通過分析開挖過程中圍護結構水平位置、支撐軸力及建筑物沉降監測數據，主要得出以下結論。

1）開挖期間基坑圍護結構水平位移最大為16.01 mm，房屋最大沉降為 31.05 mm，滿足變形控制要求，鋼支撐軸力伺服系統的應用保障了基坑安全高效開挖。

2）開挖期間由于鋼支撐未及時架設將直接導致圍護結構水平位移和建筑物沉降明顯增大。隨著軸力伺服系統鋼支撐的架設，變形能夠得到及時控制，之后處于穩定狀態。

3）通過伺服鋼支撐主動、實時調整支撐軸力能夠實現對圍護結構變形的控制的有效性和長期性。Q