伺服鋼支撐系統“雙控法”在鄰近地鐵隧道深基坑中的變形控制效果分析

高永偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

目前對城市軌道交通或民用建筑基坑中伺服鋼支撐系統的研究大多集中在其作用效果、布置方式及鋼支撐失穩破壞等方面[1]。文獻[2]通過對比不同伺服段的基坑開挖監測數據,證明了伺服鋼支撐系統優越的控制效果。文獻[3]通過有限元數值模型,探究了伺服鋼支撐系統的最優布置方式。

然而,大多數針對伺服鋼支撐系統的模型均通過施加1個恒定軸力來模擬伺服過程,忽略了伺服鋼支撐系統動態調節軸力的情況,也忽略了伺服鋼支撐系統中位移和軸力的雙重控制作用。本文依托杭州某新建基坑工程(該工程與杭州地鐵19號線某隧道段平行且鄰近),采用軸力控制、位移控制雙重控制的方法(以下簡稱“雙控法”),分析基于雙控法的軸力伺服鋼支撐系統的作用機理,并在此基礎上優化軸力伺服鋼支撐系統的設計,以期為類似的鄰近既有地鐵隧道基坑工程的變形控制提供參考。

1 工程概況

杭州文一西路改造工程DK5+600—DK5+820段為文一西路明挖基坑項目,該項目與杭州地鐵19號線某隧道段平行,二者最小間距僅為4.05 m。該基坑的地層條件以軟黏土、淤泥質黏土為主,夾雜粉質黏土和粉砂,地下水分布廣泛。該基坑深度為16.1 m,標準段寬度為31.0 m,采用C35地下連續墻(以下簡稱“地連墻”)加第一道混凝土支撐和三道鋼支撐的方式進行支護。相鄰支撐的水平間距為3.0 m,豎向間距由上至下分別為5.1 m、4.0 m、3.5 m及3.5m。坑底以下3.0 m范圍內采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁進行加固,基坑和機場軌道快線隧道之間采用φ850 mm@600 mm高壓旋噴樁加固。基坑與地鐵隧道空間位置的平面及剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵隧道空間位置關系平面圖及剖面圖

2 數值模擬方案

2.1 模型建立及參數確定

利用FLAC3D軟件建立模型。基坑開挖影響范圍一般為2～3倍的基坑開挖深度,為了減小邊界效應,取模型的大小為127 m(長)×33 m(寬)×48 m(高),如圖2所示。模型的四周和底面均固定,以限制各固定面的法向位移。模型共生成20 661個網格單元。

圖2 采用FLAC3D構建的基坑與鄰近地鐵線數值模型

研究表明,對軟黏土采用摩爾-庫倫本構模型,會因為使用相同的加載及卸載模量導致水平變形和沉降的計算結果不匹配。因此,本文采用考慮了應力水平和應力路徑的修正劍橋模型[4],得到基坑開挖模型各土層的厚度及物理力學參數如表1所示。

表1 基坑開挖模型各土層的厚度及物理力學參數

高壓旋噴樁加固部分(即旋噴加固區)和坑底加固區采用摩爾-庫倫本構模型,地連墻采用C35水下混凝土。考慮到施工擾動和正常工作狀態下微小裂隙的影響,仿真模擬時對計算參數進行了0.8倍的折減[5],所取參數如下:①地連墻、坑底加固區、旋噴加固區的體積模量分別為26 900 MPa、600 MPa、2 280 MPa;②地連墻、坑底加固區、旋噴加固區的剪切模量分別為10 600 MPa、200 MPa、1 280 MPa;③坑底加固區、旋噴加固區的內摩擦角分別為15°、25°;④坑底加固區、旋噴加固區的黏聚力分別為50 kPa、24 kPa;⑤地連墻、坑底加固區的密度分別為2 200 kg/m3、2 200 kg/m3。

對于基坑的支護體系,混凝土支撐和鋼支撐均采用FLAC3D軟件內置的beam單元進行模擬,立柱樁和格構柱采用FLAC3D軟件內置的pile單元進行模擬。

為了確定接觸面的參數,本文采用了附近土體參數的0.8倍作為接觸面的摩擦角和黏聚力,最終的接觸面參數如下:法向剛度為387 000 MPa;剪切剛度為387 000 MPa;黏聚力為6 kPa;內摩擦角為15°。

2.2 雙控法伺服鋼支撐系統模擬方案

2.2.1 軸力控制

目前伺服鋼支撐常采用施加1個恒定軸力的方法來進行模擬[6]。雙控法中控制伺服系統軸力的方法一般通過試算法來確定軸力的極限值[7]。然而,試算得到的軸力極值與實際工程情況并不相符。為此,本文的雙控法通過在計算步中實時監測鋼支撐軸力及支撐接頭處地連墻位移,根據軸力值和位移值實時補充支撐軸力,以達到控制軸力和控制變形的雙重目標。

當支撐軸力值小于設定的軸力值時,須對鋼支撐軸力進行補充。為了實現伺服鋼支撐軸力的施加,本文采用了虛擬位移法[8]。該方法通過在beam單元中固定1個節點,并通過命令流對beam單元結構的另1個節點施加一定的速度v。運行預設時間步后,支撐將產生相應的壓縮量,進而完成支撐預加軸力的施加。v的計算式為:

v=FL/EA

(1)

式中:

F——所需補充的軸力;

L——支撐的長度;

E——支撐的彈性模量;

A——支撐的橫截面面積。

2.2.2 位移控制

雙控法中的位移控制需要建立施加軸力值與地連墻位移值之間的關系。根據平面彈性地基梁法,鋼支撐的支反力T的計算式為:

(2)

式中:

y——支撐構件的間距;

Lz——支撐構件的計算長度,通常取開挖寬度的1/2;

l——地連墻位移的變化量。

在進行位移控制時,將±2 mm作為單次位移變化量控制值。當單次位移變化量超過±2 mm時,須施加與位移相協調的力,以控制單次位移變化量。伺服系統是一個動態調節的過程,因此,每經過一定步數的循環,都要對軸力和位移進行檢測。雙控法伺服鋼支撐系統軸力模擬流程如圖3所示。

圖3 雙控法伺服鋼支撐系統軸力模擬流程

2.3 工況設置與計算步設置

如表2所示,該基坑開挖過程中,設置了9個具體的計算步,將其中的5個計算步設為不同的工況(工況1—工況5),用以對不同施工階段的模擬計算。

表2 基坑開挖的計算步及工況設置

3 伺服鋼支撐布置方案優化

3.1 不同伺服鋼支撐布置方案對比

由上文可知,伺服鋼支撐系統可以有效控制基坑變形。但在實際工程中,增加伺服鋼支撐系統會增加工程的支護成本,因此,有必要研究最優的伺服系統布置方式,在滿足支護變形要求的同時盡量節約支護成本。

進一步選取了6種不同的伺服方案,計算得到不同方案下的基坑沉降量及深層水平位移量如圖4所示,將基坑北側邊緣處作為坐標橫軸的起點。圖4 b)中,土體向北側基坑方向發生水平位移時取正值。

由圖4可知:①與僅采用1層伺服支撐相比,采用2層伺服支撐的作用效果更好;②第二層、第四層均采用支撐伺服的支護效果最好;③僅采用第三層支撐伺服的支護效果最差,以設計最大側移值為最大開挖深度的0.2%為標準時,該支撐方案無法滿足設計要求。

3.2 伺服控制的控制指標分析

雙控法涉及的控制指標包括軸力控制值和單次位移變化量控制值。當支撐軸力小于設定的軸力控制值時,伺服鋼支撐系統會及時補充支撐軸力;當單次位移變化量達到所設定的單次位移變化量控制值時,伺服系統會根據軸力-位移協調關系對軸力進行補充。

取軸力控制值為設計軸力的60%、70%、80%,單次位移變化量控制值為0、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm及2.0 mm進行模擬分析。計算結果本文不逐一羅列。根據計算結果,得出以下規律:

1)不同的軸力控制值對基坑變形具有相對明顯的影響。隨著軸力控制值的增加,支護結構的最大水平位移值和最大地面沉降值均有所減小。改變軸力控制值,可以更有效地控制基坑的變形。

2)不同的單次位移變化量控制值對基坑變形的影響不明顯。采用的單次位移變化量控制值越小,補充軸力越頻繁,因此最終軸力基本一致,圍護結構的變形差異較小。

3.3 伺服鋼支撐體系設置方案

根據模擬計算和現場條件,豎向設置四道水平支撐系統,第一道采用鋼筋混凝土支撐,其余采用三道鋼管支撐,其中第二、第四道為伺服鋼支撐系統。三道鋼支撐的預加軸力設計值由上至下分別為1 300 kN、1 700 kN、1 200 kN。

在進行軸力控制時,采用設計值的±200 kN為軸力控制值;在進行位移控制時,采用±2 mm作為單次位移變化量控制值。當支撐軸力達到設計值后,應停止補償節的加載,液壓鎖自鎖,確認鋼支撐軸力處于設計允許范圍內并開啟自動監測及補償模式。自動監測及補償系統具備對支撐軸力與位移的實時監控功能,以及對軸力的補償功能。當支撐實測軸力低于設計軸力的下限時,自動監測及補償系統會自動啟動,將目標支撐的軸力加載到設定值,反之亦然。當監測到單次位移變化量過大時,該系統也會加載支撐軸力,使位移恢復到允許范圍內。

4 伺服鋼支撐變形控制效果分析

4.1 深層水平位移對比驗證

在基坑兩側布置監測點cx3和cx4(分布位置見圖1)。選擇表2中工況3和工況5兩種工況,對基坑兩側的深層水平位移模擬值與相應監測點的監測值進行比較,其結果如圖5所示。圖5 a)和圖5 b)將基坑北側邊緣處作為坐標橫軸的起點,圖5 c)和圖5 d)將基坑南側邊緣處作為坐標橫軸的起點,水平位移均取向基坑內側方向為正。由圖5可知:模擬值與監測值反映的深層水平位移變化規律基本一致。

圖5 工況3、工況5下基坑北側及南側的深層水平位移模擬值與實際監測值對比

由圖5可知:①工況5下,cx3和cx4監測得到的最大深層水平位移量分別為17.36 mm和17.54 mm,模擬計算得到的最大深層水平位移量為14.43 mm,模擬值與這2個監測點最大深層水平位移的平均值相差約20%;②工況5下,cx1和cx2監測得到的最大深層水平位移量分別為27.02 mm和26.99 mm,模擬計算得到的最大深層水平位移量為27.13 mm,模擬值與這2個監測點最大深層水平位移的平均值相差約5%。這表明了模擬值與監測值基本一致,模型參數選擇合理,模擬計算結果能夠在一定程度上反映土體深層水平位移的變化規律。

4.2 地面沉降對比驗證

對基坑開挖至設計標高時地面沉降的模擬值與監測值進行對比,其結果如圖6所示,圖6 a)將監測點cx3的基坑北側邊緣處作為坐標橫軸的起點,圖6 b)將監測點cx3的基坑南側邊緣處作為坐標橫軸的起點。由圖6可知:在基坑北側,地面最大沉降量模擬值為7.35 mm,監測點cx3的最大沉降量監測值為7.98 mm,二者相差約7.8%,二者的最大沉降發生位置接近;在基坑南側,地面最大沉降量模擬值為18.57 mm,監測點cx2的最大沉降量監測值為19.03 mm,二者僅相差約2.4%,且二者最大沉降發生位置大致相同。由此可認為,模擬計算結果可以在一定程度上反映當地深基坑施工過程中地面沉降的變化規律。

圖6 基坑北側及南側的地面沉降模擬值與監測值對比

4.3 鄰近地鐵隧道右線沉降對比驗證

對鄰近地鐵隧道右線拱頂及拱底的沉降監測值和模擬值進行對比,其結果如圖7所示。由圖7可知:隧道右線拱頂和拱底的沉降量模擬值與現場監測值的發展趨勢相一致。拱頂監測點處的最大沉降量監測值為0.94 mm,拱底監測點處的最大沉降量監測值為6.27 mm。由此可認為使用雙控法的軸力伺服鋼支撐系統能有效控制基坑變形,保護鄰近隧道結構安全。

圖7 地鐵隧道右線沉降模擬值與監測值對比

5 結語

本文建立了案例工程深基坑支護的數值模型,結合現場監測數據,探究了伺服鋼支撐系統設置參數、軸力控制指標、位移控制指標等因素對基坑變形控制效果的影響,得到結論如下:

1) 軸力伺服鋼支撐系統的設置數量會影響其對基坑變形的控制效果。雙層伺服鋼支撐系統與單層伺服鋼支撐系統相比控制效果更好。

2) 雙控法的2個控制指標中,加大軸力控制值可使圍護結構的最大水平位移量和地面沉降量明顯減小;改變單次位移變化量控制值,對基坑最終變形結果影響不大。

3) 根據現場監測,基坑圍護結構的最大深層水平位移量為27.02 mm,滿足基坑變形控制要求;鄰近地鐵隧道右線拱頂的沉降量最大值為0.94 mm,拱底的沉降量最大值為6.27 mm,均小于預警值。

4) 使用雙控法伺服鋼支撐軸力系統能夠有效控制基坑變形,保護鄰近既有隧道結構安全。