伺服鋼支撐系統在深基坑施工變形控制中的應用效果研究

朱坤倫

(中鐵十八局集團市政工程有限公司,天津 300222)

隨著城市地下空間的高速發展,基坑開挖的范圍和深度不斷增大,因此深大基坑施工對周邊建筑物及環境的影響也成為了研究的焦點。研究表明,基坑圍護結構的變形直接影響到周邊地表沉降及建筑物位移,因此對于復雜環境的深大基坑,控制其圍護結構的變形是基坑施工過程中的重點和難點。

混凝土支撐體系作為基坑常見的支撐形式之一,具有剛度大、承載力高、平面布置靈活等優點;但混凝土支撐體系在基坑開挖后再施作,只能對后續開挖變形起到一定控制作用,對先前開挖已經發生的變形無法進行主動調節控制。鋼支撐伺服系統的出現解決了混凝土支撐體系承載力不足、無法實時監測的問題,因此,在工程中得到了廣泛的應用。房有亮等[1]通過數值模擬研究分析了有無伺服鋼支撐圍護結構兩種工況下基坑的變形規律;倪福[2]、李建望[3]探究了軸力伺服系統在基坑開挖中的控制效果,結果表明可有效控制支護結構變形;江巖明[4]、劉毅等[5]的研究結果表明伺服系統鋼支撐可以對軸力進行自動補償,并且能夠很好的保護支護結構、周邊建筑物及管線的安全。

但科技工作者對伺服支撐系統在軟土地層深大基坑中的研究較少,本文以杭州機場軌道3號風井深基坑為研究對象,開展此類研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建杭州機場軌道快線3號風井基坑位于杭州市西湖區文三西路與古墩路西側,沿文三西路呈東西走向,主體結構外包總長 286.9 m,總寬22.5 m,圍護結構采用地下連續墻形式,最大開挖深度為24.5 m。基坑周邊建筑物以居住區為主,地下管線密集,勘察發現地下有給排水、電力、電信、燃氣、信息網絡、軍用光纜等重要管線,其中北側臨近基坑建筑物金都花園2棟、金都花園1棟及金海公寓1棟與基坑平行布置,距離基坑最近距離僅為3.06 m。

1.2 工程地質及水文條件

根據勘察報告,地層從上到下由雜填土、砂質粉土和粉質黏土組成,并且基坑開挖范圍內地勢較為平坦,各土層物理參數如表1所示。基坑所處地層孔隙潛水主要存在于表層填土和砂質粉土中,勘探期間測得水位埋深一般為0.90～3.50 m,相應高程0.89～5.86 m,對施工影響小。

1.3 工程重難點分析

本工程所處地層為軟土地層。在該地層中進行深基坑施工,如果圍護結構防水措施沒能做好,施工過程中極易引發滲漏水,土體發生浸水破壞,強度降低,引發周邊地表沉降大幅增加,嚴重威脅到支護結構的穩定性。另一方面,本標段風井及區間均位于規劃道路及居民區,地下管線較多,企業及公共建筑較多,且周邊建筑物為上世紀末建設的商品住房,基礎很差,結構強度不足。如果施工沒能及時控制好基坑變形,會嚴重威脅到周圍居民、商鋪和道路的安全,這給施工帶來了巨大的挑戰。

表1 土層物理力學參數

2 基坑開挖施工方案

2.1 基坑支護方案

3號風井主體基坑外圍總長286.9 m,總寬22.5 m,頂板上方土體約4.37 m,開挖深度為21.8～25.8 m,采用地下連續墻和內支撐聯合加固的圍護結構。地下連續墻布設深度為47.0～49.5 m,共采用7道支撐,其中第2道、4道、6道和第7道為帶伺服系統的鋼支撐(?800 mm,t=16 mm),其余為鋼筋混凝土支撐(?800 mm,t=16 mm)。各地層分布情況及圍護結構剖面如圖1所示。

圖1 基坑圍護結構剖面及地層分布(單位:m)

智能伺服系統現場施作及工作原理如圖2、圖3所示。智能自動調節系統可在24 h內不間斷監測,并能夠隨時提供支撐補償軸力。伺服系統的最大設計加載力為3 500 kN,有效伸縮行程為200 mm。施工過程中,設置第2道鋼支撐預加軸力500 kN,第4道鋼支撐預加軸力1 500 kN,第6～7道鋼支撐預加軸力2 500 kN。當支撐的軸力低于設定的最小值時,系統可自動開啟,使支撐的軸力加載到設定值。同時,也可根據實際工程要求,對軸力進行手動調整。

2.2 施工步驟

圖2 智能伺服系統現場施作

圖3 智能伺服系統工作原理

首先,根據基坑圍護結構設計圖紙計算得到伺服鋼支撐控制閾值。基坑開挖至第1道混凝土支撐深度,施作第1道混凝土支撐和基坑冠梁。當第1道混凝土支撐結構強度到達規范要求后,繼續向下開挖,達到第2道支撐深度時施作第2道伺服鋼支撐并施加支撐軸力。隨后,依次對剩下的混凝土支撐(第3、5道)及伺服鋼支撐(第4、6、7道)進行施工。最后,基坑開挖完成后澆筑素混凝土墊層及結構底板,同時在基坑縱向共布設11道支撐,間距25 m。

3 基坑監測項目及測點布置

基坑開挖過程中對圍護墻水平位移、支撐軸力變化及周圍建筑物沉降等關鍵指標進行監測,基坑監測點布置平面見圖4。監測頻率、監測項目控制值及報警值見表2～表4。

4 監測結果分析

3號風井基坑現已完成主體結構封頂,該基坑在采用鋼支撐伺服系統后,墻體深層水平位移可控制在16 mm以內,小于該基坑墻體設計深層水平位移控制值累計報警控制值40 mm。在基坑開挖期間,伺服系統可有效減小地下連續墻的水平位移,保證圍護結構的穩定性,對周邊近距離房屋及管線起到了很好的保護作用。

4.1 支撐軸力分析

軸力能很好反映支護結構自身的受力情況,為了更直觀的觀測施工過程中支護結構的受力情況,選取基坑中間位置處的5道支撐作為研究對象,其軸力隨施工步進行的時程變化如圖5所示。由圖可知,采用伺服系統的鋼支撐受力較為平穩,隨著基坑開挖深度的增加并沒有發生較大波動,最終受力在1 000 kN左右;而混凝土支撐受力發生較大波動,最高可達2 000 kN。分析其原因為混凝土支撐的剛度較大,受混凝土收縮徐變的影響,基坑開挖容易使荷載傳遞到混凝土支撐上,引起混凝土支撐受力變化幅度大。另外,伺服系統鋼支撐施作完成后,相鄰混凝土支撐的軸力發生較大的變化,可見伺服鋼支撐的安裝對相鄰混凝土支撐的影響較大,因此在實際施工中應該對采用伺服系統的鋼支撐進行實時監測,同時也應注意控制伺服閾值的設定。

圖4 基坑監測點布置平面

表2 基坑工程監測頻率

表3 基坑支護結構和周圍土體監測項目控制值及報警值

表4 支撐軸力控制段及報警值

圖5 支撐軸力時程變化曲線

4.2 圍護墻水平位移

選取C6點處支護結構水平位移為研究對象,根據不同開挖深度的監測數據,繪制支護結構隨基坑深度變化的關系曲線(如圖6所示),其中圍護結構水平位移正值表示向坑內移動。

由圖6可知,各支撐結構變形曲線均表現為平滑的鼓肚狀,并且隨著基坑開挖深度的增加,支護結構的變形也呈現出增大的趨勢。基坑開挖至地下5、15及20 m時,圍護結構最大變形分別為2.29、 11.33及13.43 mm;在伺服鋼支撐作用下,圍護結構最大變形出現在底板澆筑完成后,最大值為15.98 mm。隨著開挖深度的增加,圍護墻最大水平位移位置也發生了改變,當開挖深度為5 m時,最大水平位移出現在距地表約12 m位置處;而當開挖深度達到15 m,圍護墻水平位移整體發生突增,最大水平位移出現在距地表約20 m位置處;隨后,圍護墻水平位移增長速率開始變緩,隨著開挖深度的繼續增加,圍護墻水平位移最大值開始向下移動,當底板澆筑完成后,圍護墻水平位移最大值位于地表以下約22 m處,水平位移大小并沒有發生太大變化,從11.33 mm增加到15.98 mm。整個開挖過程中變形均在允許范圍內,由此可見,伺服鋼支撐能夠有效控制變形。

圖6 圍護結構水平位移累計值曲線

為了進一步探究伺服系統對圍護結構的控制效果,通過對國內類似工程[6-10]進行文獻調研,選取各工程案例中伺服鋼支撐區段與普通鋼支撐區段進行對比分析,各個階段的位移減小率如表5所示。由表可知采用伺服系統后,圍護結構的最大水平位移減小率最小為22.0%,最大可達77.0%,對圍護結構的變形控制效果顯著,大大降低了施工對周圍建筑物的影響,也進一步驗證了伺服鋼支撐的可靠性。

表5 伺服鋼支撐與普通鋼支撐對圍護結構變形控制效果

4.3 周圍建筑物沉降

選取距基坑較近的金都花園2號樓房D17、D18、D19、D28和D29共5個監測點進行研究分析,各監測點隨基坑開挖施工過程的位移時程曲線如圖7所示。由圖7可知,各監測點的位移隨著基坑開挖深度的增加而不斷在增大,最大值小于20 mm,均控制在預警范圍之內。施工過程中圍護結構的變形會直接影響到地表沉降的變化,進而會對周圍建筑物產生影響,由此可見,采用伺服鋼支撐不僅可以有效控制圍護結構變形,還能進一步通過減小支護結構變形達到控制周圍建筑物沉降的目的。

另外,從圖中還可看出測點D28、D29位移變化幅度與測點D17、D18、D19相比較為劇烈,位移速率也相對較大。這是由于測點D28、D29距基坑的距離較近、受基坑開挖擾動影響較大。基坑開挖完成后,測點D28位置處位移最大,最終穩定在19.48 mm;測點D18位置處位移最小,最終穩定在6.79 mm,二者相差12.69 mm。金都花園2號樓房最大傾斜為0.000 4(規范值為0.003[11]),建筑物沉降量和傾斜率均在安全控制范圍之內。但在施工過程中應對基坑周圍建筑物加強監測,同時應注意材料堆載、車輛行駛情況等環境因素的變化,任何環境的改變均會對基坑產生影響進而造成建筑物位移的變化。

圖7 金都花園2號樓房部分測點豎向位移變化曲線

5 結論

(1)采用伺服系統的鋼支撐受力較為平穩,并沒有發生較大波動,最終受力在1 000 kN左右。伺服系統鋼支撐的使用會引起臨近的混凝土支撐受力發生較大變化,在實際施工中應注意控制伺服閾值的設定。

(2)伺服鋼支撐系統在基坑開挖過程中能夠有效控制圍護結構變形。

(3)距基坑較近的金都花園和云桂花園兩棟樓房隨著基坑開挖深度的增加,各監測點的位移均不斷在增大,但始終控制在預警范圍之內,滿足設計規范要求。采用伺服鋼支撐不僅可以有效控制圍護結構變形,還能對周圍建筑物變形起到抑制作用。