轴力伺服系统在软土明挖基坑中的变形控制

黄祖超

(无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214000)

1 概述

目前深基坑工程规模[1]越来越大，且施工多以明挖顺作法为主，施工区域周边往往会有已建成的地铁、民房、办公楼、保护建筑、重要管线等需要保护。深基坑施工过程中若不进行严格的变形控制，将会影响临近建构筑物的正常使用，所造成的经济损失和社会损失不可估量。目前深基坑施工采用的主要支撑方式分为钢筋混凝土支撑和钢支撑。新型的钢支撑轴力伺服新系统将机械自动控制装置、信息化控制中心、实时信息传递系统等结合在一起，能够利用地面控制中心和手机APP等设备实现对现场轴力的实时监测，当轴力过大或过小时，可及时通过自动或手动控制装置对轴力进行调整，从而达到控制基坑变形的目的。

2 工程概况

上海地铁18号线工程土建工程10标芳芯路站位于上海市浦东新区，本站为地下3层车站。车站的主体围护结构为地下连续墙(1.2 m厚，50 m深)+内支撑型式。坑内采用高压旋喷桩抽条+裙边加固(第三、五道混凝土支撑下方均设置抽条加固)。

基坑标准段设七道支撑(第一、三、五道采用钢筋混凝土支撑，其余均为钢管支撑)，端头井设八道支撑(第一、三、五道采用钢筋混凝土支撑，其余均为钢管支撑)。其中标准段和端头井第二道钢支撑为φ609，t=16钢支撑，其余钢支撑均为φ800，t=20钢支撑。芳芯路站车站主体基坑开挖深度为25.16 m(标准段)～26.69 m(北端头井)～27.02 m(南端头井)，在1轴～13轴位置采用了轴力伺服系统。在深基坑开挖的过程中，由于基坑附近的土体变形导致周围的设施、基础以及道路产生位移或沉降，影响周边各类设施和房屋的安全。车站施工时需保护的主要邻近建、构筑物资料见表1。

表1 周边建筑物一览表

3 钢支撑轴力伺服系统介绍

钢支撑轴力伺服系统[2-4]由液压控制模块(地面的液压站和钢支撑顶端的液压千斤顶)、固件控制系统(PLC控制柜)和自动控制软件(PC系统)组成[5]，通过将机械自动控制装置、信息化控制中心、实时信息传递系统等结合在一起，对轴力进行实时监测，并通过自动模式或手动模式对轴力进行调整，控制基坑变形，保证周边设施、房屋等的稳定。

目前国内的伺服系统通常应用在周边有重要建构筑物的项目，如有老旧建筑、保护性文物遗址、铁路线或地铁线等临近物。

4 理论分析

钢支撑轴力伺服系统目前应用较少，可供参考的经验不多。不同的伺服系统作用原理有所区别，在不同的车站工况下效果也不尽相同。

为了模拟钢支撑轴力伺服系统的运用对围护结构测斜产生的影响，选择同一个深基坑的不同情况分别建立模型：1)情况1：钢支撑均采用轴力伺服系统；2)情况2：轴力伺服系统和普通钢支撑共同作用；3)情况3：普通钢支撑作用。

5 实际测试

上海轨道交通18号线10标芳芯路站作为一级基坑，1轴～13轴采用轴力伺服系统，13轴～14轴为过渡段，14轴～20轴采用普通钢支撑。普通钢支撑根据设计要求，预加轴力70%，后续根据轴力监测情况及变形情况多次复加轴力。采用轴力伺服系统的钢支撑预加轴力为设计值的100%。伺服系统可设置轴力下限值，轴力较为稳定。但轴力受温度影响较大，昼夜轴力变化值最大可达50 t～60 t，施工时尤为需要注意。芳芯路站主体结构基坑标准段轴力伺服钢支撑轴力见表2。

表2 标准段轴力伺服钢支撑轴力基准值

墙体测斜情况见表3。

根据监测数据显示，轴力伺服段墙体测斜最大为25.67 mm，过渡段为32.41 mm，普通钢支撑段32.65 mm。

6 对比分析

根据上海市基坑施工技术规范要求，一级基坑围护结构最大位移报警值为1.4‰，控制值为3‰。芳芯路站采用轴力伺服系统的基坑部分围护结构墙体测斜最大为1.02‰，测斜平均变化为0.94‰。采用轴力伺服系统有效的控制了基坑变形，开挖阶段围护结构的变形满足规范和设计要求。此外，对比分析实际施工数据，芳芯路站的基坑过渡段数据与普通钢支撑段变形相差无几，与整体使用钢支撑段相比，数据相差较大。因此，轴力伺服系统的使用，以整体使用为宜，单独使用或混合使用，会造成轴力的损失，进而影响基坑变形。

表3 墙体测斜数值

7 结语

随着城市建设不断发展，在地铁车站深基坑施工中，周边往往有已建成的地铁、民房、办公楼、保护建筑、重要管线等，是基坑施工过程中的主要风险源，往往需要投入大量的资源对其进行保护。钢支撑作为一种常用的支撑体系，在深基坑中被广泛应用，但传统钢支撑架设后，轴力往往有所损失，对基坑的支护作用降低。采用轴力伺服系统，通过将机械自动控制装置、信息化控制中心、实时信息传递系统等结合在一起，对轴力进行实时监测，根据监测情况，可及时通过自动或手动控制装置对轴力进行调整，从而达到控制基坑变形的目的，降低施工风险，加强对周边设施的保护。 通过芳芯路站主体基坑的应用实践，证明了轴力伺服系统对控制基坑变形的有效性和实用性。