大面积不规则深基坑变形控制技术

上海锦惠建设集团有限公司 上海 200011

1 工程概况

上海世纪大道SN1地块项目位于上海市商城路以北、世纪大道以南、南泉北路以西、浦东南路以东围绕的地块。基坑平面形状为不规则五边形，东西向最长距离为280 m，南北向最宽距离为240 m，占地面积约为48 500 m2，建造面积约为472 000 m2，由1 幢38 层的塔楼、2 幢20 层的塔楼及1 幢11 层的商业中心和1 层的公交枢纽站、3～4 层地下室组成。基坑工程采用二墙合一的地下连续墙的围护结构。四周围护结构采用厚1 m、深48 m的地下连续墙形式。基坑内的中隔墙采用厚1 m、深38 m的地下连续墙形式。靠近南侧与轨道交通9号线商城路站共用地块采用厚度分别为1 000 mm、800 mm，深度分别为32 m、30 m的地下连续墙各6 幅，φ800 mm的钻孔灌注桩2 根，围护结构设计的水下混凝土强度等级为C30。

基坑分区情况见图1，具体包括：1-a区开挖面积约9 390 m2，开挖深度约19.5 m，塔楼开挖深度约21.0 m；1-b区开挖面积、开挖深度和塔楼开挖深度分别约5 830 m2、约19.5 m、约20.0 m；2-a区开挖面积约13 952 m2，开挖深度约19.5 m；2-b区开挖面积约5 530 m2，开挖深度约19.5 m，塔楼开挖深度约20.0 m；3-a区开挖面积约3 653 m2，开挖深度约19.5 m；3-b区开挖面积约647 m2，开挖深度约16.2 m；4区开挖面积和开挖深度分别约1 194 m2和16.2 m；5区开挖面积约1 102 m2，开挖深度约16.2 m。

基坑内竖向截面设置了4 道支撑，其中，1-a、1-b、2-a、2-b、3-a区基坑设置了钢筋混凝土支撑共4 道，支撑中心分别为-1.6 m、-6.8 m、-11.6 m、-16.0 m；3-b、4及5区基坑设置1 道钢筋混凝土支撑+3 道钢管支撑，支撑中心分别为-2.278 m、-6.478 m、-10.278 m、-13.678 m。

图1 工程的基坑总平面示意

2 工程的特点和难点分析

时下，在深基坑施工过程中，基坑开挖的深度越来越深，采用的施工工艺多以明挖顺作法为主。若不对基坑进行严格的变形控制，深基坑的施工会影响到附近的地铁等公共建筑的正常使用，甚至会引发难以估量的事故，造成人员伤亡和经济损失，给社会带来不良影响，对此相关部门和单位也引起了高度重视。基坑施工的支撑方式一般包括水平和竖向2 种，这里的水平支撑方式通常是内支撑。就上海地区而言，最常用的传统钢支撑是φ609 mm钢管支撑，接头多采用活络头，用千斤顶预加轴力并插钢楔，钢支撑经过拼装、架设和施加预应力等施工工序，完成现场安装。根据设计院的要求，严格控制施加到钢支撑上的预应力。随着基坑开挖深度的增加，φ609 mm钢管支撑轴力会逐步增大。只有保持好钢支撑体系的稳定，才能让基坑整体更加稳定。在深基坑施工过程中，如果设计、计算分析不当或没采取必要的施工技术措施，就会导致基坑变形过大，并对附近建筑、管网、道路等公共设施造成严重的影响，甚至发生支撑失效、基坑塌方等后果[1]。

因此，基坑围护的一项重要工作就是确保钢支撑体系的稳定。但传统钢管支撑体系存在自身的缺陷，诸如：

1）钢支撑使用过程中会出现轴力损失，无法有效控制基坑变形，造成这种结果的原因在于环境温度的变化、钢支撑自身的应力松弛和钢楔块的塑性变形等；

2）难以适应钢支撑轴力连续变化的要求，如现场人工调解轴力时，如何适当升高或降低轴力，并能进行精度控制，这方面还不太完善，如果人工操作不当，会导致钢支撑的轴力过大，形成新的地下连续墙体变形；

3）施工这一动态过程引起了钢管支撑的轴力变化后，通常依靠人工对支撑轴力监测数据或监测基坑变形不断检测，据此数据辅以原始的轴力调整装置，人工对钢支撑的轴力进行调整，增加了施工现场的人工量，且不能及时了解基坑变形，导致控制变形的效果不佳，难以满足相关规定对深基坑苛刻的施工变形控制要求。由于这些缺陷，传统钢支撑还是难以满足基坑变形苛刻的要求。

本工程的难点和特点是基坑大且深、邻近2 条地铁施工、保护难度大。本工程基坑面积约4.2万 m2，基坑开挖深为19.5～21 m，总挖土量约81万 m3，属超大体量深基坑。且基坑北侧紧邻重要市政道路世纪大道，基坑围护外边线距正常运营的轨道交通2号线区间隧道距离约为45 m，与2号线出入口距离为7.55 m，与轨道交通9号线站体共用围护结构。在工期较紧且周边环境复杂的情况下，这不仅对施工技术措施、施工机械的选择有严格的要求，对现场的交通组织也需要合理的安排。同时，在基坑开挖过程如何保证基坑安全，尽可能减小对周边环境的影响，更是我们技术管理的重中之重。

因此，本工程除了采用合理的基坑开挖顺序等外，还选用了钢支撑轴力自动调整系统。轨道交通9号线商城路车站位于基坑南侧，车站主体结构与本工程基坑南侧的围护共墙，该侧的3-b、4及5区基坑的3 道钢管支撑采用轴力自动调整系统，以满足规范要求。

3 基坑开挖的工艺顺序

基坑开挖的前提包括：等深度为48 m的地下连续墙施工完毕，并达到规定的强度要求后，方可开挖基坑；3-b及4区坑内加固施工完毕并达到强度后，方可开挖1-a区；5区坑内加固施工完毕，并达到规定的强度要求后，方可开挖施工2-a区。

基坑开挖的顺序如下：首先施工开挖1-a及1-b区；待1-a及1-b区开挖至坑底，底板完成浇筑并达到强度，即可施工开挖2-a及2-b区；待2-a及2-b区开挖至坑底，底板完成浇筑并达到强度，且1-a及1-b区回筑至±0.00 m后，即可施工开挖3-a及3-b区；待3-b区开挖至坑底，底板完成浇筑并达到强度后，即可施工开挖4区；待4区开挖至坑底，底板完成浇筑并达到强度，且2-a区回筑至±0.00 m后，即可施工开挖5区。

4 基坑水平支撑的轴力自动调整施工技术

钢支撑轴力自动调整系统包括千斤顶轴力调整设备、液压泵站和电气监控设备，主要设备由千斤顶、操作站、现场控制站、监控站、液压系统、总线系统、配电系统、通信系统、移动诊断系统、液压站接线盒装置等组成（图2）。根据系统功能不同可分为：液压伺服控制系统、钢支撑轴力补偿执行系统、电气与监控系统。千斤顶的主要技术参数最大顶力为3 000 kN，工作行程为150 mm，工作压力不超过31.5 MPa。本系统主要应用范围是建筑工程深基坑施工，针对钢支撑轴力的实时自动调整与监控，以达到减少基坑变形的效果，确保地铁等公共场所的建筑结构安全[2]。

图2 钢支撑轴力自动调整系统的示意

4.1 设备的现场配置

钢支撑轴力自动调整系统用于世纪大道SN1地块二标基坑支护工程的第2、3、4道钢支撑上，平面布置如图3所示，剖面如图4所示。

本工程基坑根据围护设计分区，3-b、4、5区设计4 道支撑，第1道支撑为钢筋混凝土支撑，第2、3、4道支撑为钢支撑，钢支撑均为φ609 mm×16 mm钢管。其中，钢支撑采用轴力自动调整系统，确保钢支撑受力均匀。第2、3、4道各有钢支撑34 根，有102 根φ609 mm×16 mm钢管支撑需要采用轴力自动调整系统。本轴力自动调整系统采用“树枝形”控制系统布置，具体是1 台监控站控制若干个现场控制站，一个现场控制站控制3 台液压泵站，每台液压泵站再控制4 根钢管支撑，各个站点用CAN总线采集、传输现场信号和控制指令。

图3 3-b、4、5区的第2～4道钢支撑轴力补偿系统平面布置

图4 4区的第2～4道钢支撑轴力补偿系统剖面

4.2 现场安装调试

包括监视器等设备安装、接线盒等其他设备安装调试、按设计院要求设定液压系统压力和启动自动调整装置、监控器监控程序的调试、千斤顶用钢支座套箱的安装、液压泵站用的管路系统等安装。

4.3 设计轴力及加载

共有102 道钢支撑需要安装轴力补偿装置，根据设计院提供的加载轴力，系统设定压力取值2 500 kN，采用分步逐级加载，每步施加力为500 kN、1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN、2 500 kN。轴力补偿精度在±125 kN以内。

4.4 带轴力自动调整装置的钢支撑的拆除

撤除钢管支撑时，也应该遵循合理顺序和原则开展。拆除底层钢管支撑前，确保基坑大底板的混凝土达到强度要求后才能进行工作。拆除工作按以下流程施工：关闭监视屏上的监控调压程序→解除液压油缸的机械锁，缩回液压油缸的活塞杆，拆除泵站和油缸上的油管→将钢支撑上的千斤顶吊离并运至地面→拆除钢管支撑及支座→拆除完所有的钢管支撑后，拆除钢支撑轴力自动调整系统的设备线路及配电等设施，整理并有序放置→汽车吊等吊装运输。

4.5 应用效果

根据项目的监测报告，选取某处的监测数据，具体位置位于基坑中部深度-9 m的某处，具体时间段自11月6日起到12月5日。接下来，分析该处的变形数据，并将数据绘制成曲线，即该处最大变形值与时间的关系图，以便于了解地下连续墙变形的特点。

由变形监测结果可以看出，变形值随着时间的累计而增加，但是不超过10 mm；变化速率大致是前面的天数大于后面的天数。从具体个别变化值和变化率不大的天数分析，前10 d监测处的变形率最大达到0.49 mm/d，变形值累积增加最快；中间10 d监测处的变形速率变小，最大达到0.42 mm/d，变形值累积增加变慢；最后10 d监测处的变形速率最大达到0.17 mm/d，变形值累积增加速度最慢。由此可以看出，随着钢支撑轴力自动调整装置的投入使用数量的增加，基坑变形得到了更好的控制。因此，钢支撑轴力自动调整系统对地下连续墙的变形控制效果很好，既能对基坑变形进行精准控制，完全能够保证地下连续墙最大累计变形值在10.0 mm以下的要求，又能保持地下连续墙的变形基本稳定。

5 结语

随着地铁沿线工程的增多，对基坑变形控制也越来越严格，需要建筑施工单位不断技术创新以应对市场需求。上海建工组织人力，进行技术创新，研制出一套钢管支撑的轴力自动调整系统[3-6]。它将液压泵站、信息技术与传统支撑技术等结合起来，完成了对钢管支撑轴力的实时监控，有效解决基坑变形控制越来越严格的难题，确保地铁沿线基坑工程的顺利施工，也维护了地铁等公共建筑的安全，数十个工程应用的实践表明，该技术对保护邻近地铁具有重要意义，其社会和经济效益显著。