长距离钢支撑伺服系统在深基坑支护中的应用

魏文韬（上海建浩工程顾问有限公司， 上海 200030）

0 引 言

钢支撑伺服系统作为一项先进的基坑工程施工技术，已经得到了广泛应用。相比于混凝土支撑，钢支撑伺服系统具有施工速度快、绿色环保、节约资源和环境扰动小等特点，尤其是在软土地基的基坑中，其对围护结构的变形控制成效显著。然而，传统的钢支撑伺服系统通常应用于800 m2规模以内的基坑，应用范围较为局限，无法满足大基坑的施工要求。

随着国内城市轨道交通的蓬勃发展，临近地铁隧道的基坑工程越来越多，如何减少基坑施工对地铁隧道变形的影响，成为了必要的研究课题之一。通常情况下会将靠近地铁隧道的基坑，分为若干个小基坑分块施工，以减小土体扰动对地铁隧道造成的影响。长距离钢支撑伺服系统技术的成功应用，验证了该技术的可靠性和稳定性，实现了土体微扰动的控制目标，地铁侧地下连续墙（以下简称“地连墙”）变形小于1.4‰ H，使用基坑的宽度扩大至50 m，规模扩大至8 000 m2。标志着未来有望取消地铁侧的分坑施工，不仅缩短工期，还确保了地铁隧道的稳定，对我国沿海软土地区基坑工程具有重要的指导意义，并具有非常广阔的市场应用前景。

1 工程概况

本工程位于上海浦东御桥地区，占地面积56 726 m2，总建筑面积213 490 m2，其中地上建筑面积128 776 m2、地下建筑面积84 714 m2，拟建6栋高50 m的办公楼、1栋人才公寓和1栋商业用楼。御桥路下为地铁11号线从东西方向穿越，包括两条区间隧道，地铁隧道埋深约12.59 m。基坑边缘距地铁区间隧道仅9.6 m，基坑分为A，B，C，D四个区（如图1所示）。

图1 基坑分坑平面图

B区基坑长约160 m、宽约45 m、深度约10.6 m，采用明挖顺作法施工。围护结构选用地连墙。设置三道支撑，其中：第一道为钢筋混凝土支撑，第二、三道中间部分为φ800（t =20 mm）钢管支撑；第二道钢支撑采用单端伺服系统，第三道钢支撑采用两端伺服系统，最大设计轴力3 500 kN（如图2所示）。长距离钢支撑伺服系统技术是国内首次应用于地铁隧道保护项目，主要目的是为了验证该技术在大跨度基坑中对围护结构变形控制的有效性，为今后取消常规设置在临近地铁侧的小基坑提供理论和实践依据。

图2 基坑支撑示意图

2 工程特点及难点

2.1 基坑紧邻地铁11号线，隧道保护要求高

本工程基坑围护结构距离地铁11号线隧道仅9.6 m，如何在深基坑施工过程中有效控制围护结构变形，尽可能减少对地铁隧道的影响，使地铁隧道的沉降值和收敛值控制在有效范围内，是本工程的难点之一。

2.2 无类似工程经验及相关规范可供参考

本工程所采用的长距离钢支撑伺服系统成套技术，是国内首次将该技术应用在宽度45 m的深基坑中，是申通集团在上海地区的试点项目，没有类似工程的经验可供参考。无论是从质量管理、安全管理、进度管理，还是基坑监测数据提供等方面都是全新的挑战。

2.3 施工条件苛刻

2.3.1 挖土净空低，挖机操作难度大

本工程开挖深度10.6 m，第二道钢支撑与第三道钢支撑之间、第三道钢支撑与底板之间开挖高度仅约3 m，净空较小，再加上格构柱节点部位托架安装也占用了一部分空间，导致局部净空仅2.5 m左右；除此之外，工程桩超灌桩头数量众多，截桩工程量大、速度慢，大大增加了挖机的操作难度。这些都成为了本工程的难点之一。

2.3.2 施工工期紧

为确保将围护结构变形控制在有效范围内，减少对地铁11号线隧道的影响，申通集团要求：从第一道支撑下土方开挖至底板混凝土浇筑完成，时间控制在45 d内。工期非常紧张。本工程B区基坑从第二层土方开挖至第二道13组钢支撑全部安装完成，用时11 d；从第三层土方开挖至第三道13组钢支撑于全部安装完成，用时14 d；从第四层土方开挖至底板浇筑完成，用时20 d；共计用时45 d。

3 关键技术措施

3.1 长距离格构式钢管支撑结构体系

由于基坑宽度达到45 m，如何在大跨度基坑中确保钢管的稳定性是需要攻克的难题之一。本工程采用了长距离格构柱钢支撑结构连接体系（如图3所示），创新提出了固定节点、套筒节点和型钢抱箍装置的做法，有效提高了支撑构件的整体刚度，同时加大了挖土空间，提高了工效。

图3 长距离格构式钢管支撑结构体系

3.2 多功能组合节点及自平衡抗隆沉装置

围檩部分在现有双拼H型钢围檩的基础上，加大H型钢规格，并且采用补强钢板增加腹板刚度，使围檩抗弯刚度得到了很大的提高，钢支撑平面间距可以加大到6 m以上，提高了挖土工效（如图4所示）。钢支撑下部安装单作用油缸，油缸底部设置背压阀。该装置利用油缸行程抵消了立柱的竖向位移，使钢支撑支点的高度保持相对固定，防止对钢支撑产生向上的附加内力，从而对整个支护体系起到了稳定作用（如图5所示）。

图4 加大H型钢

图5 自平衡抗隆沉装置

3.3 采用高性能液压系统和控制系统

长距离钢支撑伺服系统主要应用于规模大、跨度大的基坑，因此对围护结构变形控制方面提出了更高的要求。传统钢支撑的液压千斤顶性能无法满足长距离钢支撑的要求，本工程采用了高性能改进型液压控制系统。该系统极限预加轴力从3 000 kN提高至4 800 kN，行程从150 mm提升至250 mm，同时还采用了国内自主研发的JKJL控制系统，用集散控制技术，实现了既分散控制又集中管理，在智能化程度、控制效率和安全性方面均比原有技术有了显著提高，完全满足长距离钢支撑伺服系统对围护结构变形的控制要求。

4 管理措施

对于钢支撑而言，由于钢支撑钢管、螺栓等部件在工厂进行工业化生产，然后在现场进行组合安装，因此其整体性在一定程度上取决于安装时的质量。另外，相比于传统的混凝土支撑，钢支撑φ800钢管单节最重达29 t，需要2台履带吊在基坑两侧配合吊装，履带吊的安装、拆除本身就属于危险性较大分部分项工程，安全管理的要求非常高。由于伺服系统的轴力主要是根据监测数据进行调整，因此，如何确保监测数据的真实性和代表性也非常重要。本节将重点介绍监理单位的管理措施。

4.1 BIM监控

本工程对BIM系统的应用进行全过程监控。BIM系统作为庞大的操作运行系统，需要各方协同参与，监理单位也定期参与相关的专题会议及协调会议。在本工程钢支撑施工准备阶段，通过BIM系统对钢支撑施工进行模拟，发现了由于个别塔吊基础格构柱偏位导致与钢支撑碰撞的情况。设计单位及时对钢支撑轴线位置进行了微调，确保钢支撑的顺利安装。申通地铁要求单榀钢支撑从土方开挖到安装完成必须在24 h内完成。BIM系统的介入，可以较早地发现并排除在今后施工过程可能出现的问题隐患，有着非常重要的指导意义。

4.2 落实关键点检查

4.2.1 支座施工

钢支撑安装必须确保支撑端头与预埋钢板的均匀接触，并采取防止钢支撑端部移动脱落的措施：钢管支撑接头采用法兰与螺栓连接，螺栓必须拧紧并进行复拧；钢管下半边的螺栓不得遗漏；所有电焊连接必须符合设计和规范要求，焊缝必须饱满，焊缝高度不小于8 mm。

4.2.2 预应力的施加及观测

本工程基坑为一级基坑，支撑就位后应及时准确地施加预应力。预应力应分级加载；在满足设计条件的同时，考虑到10%的预应力损耗，尚应按以下要求复加预应力：

（1）在第一次施加预应力后的12 h内，观测预应力损失和围护桩水平位移情况，并复加预应力至设计值；

（2）当昼夜温差过大导致支撑预应力损失时，应立即在当天低温时段复加预应力至设计值；

（3）围护桩水平位移速率超过警戒值时，可适量复加支撑轴力以控制变形；复加后的支撑轴力和弯矩必须满足设计的安全要求。

4.3 安全管理

B区的φ800钢支撑最大长度为45 m，单根最重达29.42 t左右。钢支撑分两段吊装，采用2台履带吊在基坑两面的外侧上施工。钢支撑采用履带吊吊装属于重大危险源，履带吊的安装、拆除属于危险性较大分部分项工程，监理单位应对钢支撑吊装进行全过程旁站，提前做好危险源辨识分析。对起重机械事故、高处坠物事故和触电事故等，做好应急预案；遇到6级以上大风等恶劣天气影响，立即停止吊装作业。

4.4 监测数据分析

每层土方开挖及支撑施工时，应及时掌握相关监测数据。监测数据包括：支撑轴力变化；地连墙墙顶隆起、沉降；地连墙变形；地连墙两侧纵向、横向的地面沉降；建筑物沉降；基坑每个开挖段及每层开挖中的地连墙变形；等。一旦发生突变情况，应及时会同总包单位及其他相关单位采取有效措施，确保基坑安全。

5 应用效果

长距离钢支撑伺服系统技术的成功应用，验证了该技术的可靠性和稳定性，达到了预期的效果。

（1）实现了微扰动控制目标。A区B区地连墙深度44 m，从第二层土方开挖至底板施工完成，B区地连墙水平位移最大累计值仅14.1 mm，小于1.4‰H；A区靠近隧道测得：地连墙变形累计值为5.5 mm，地铁11号线隧道收敛累计值为7 mm，沉降累计值为4.8 mm，变形控制效果优势明显。

（2）适用基坑规模实现了量级突破。长距离钢支撑伺服系统适用的基坑宽度从20 m扩大至50 m，规模从800 m2扩大至8 000 m2，实现了基坑规模上的量级突破。

（3）以人为本，提高了施工工效。各组钢支撑从安装到形成预加轴力仅用12 h，显著缩短了基坑暴露时间，有利于对变形的控制和对周边环境的保护。

（4）符合经济适用且绿色环保的要求。钢支撑标准模块装配施工技术，装备周转使用，大大地减少了混凝土支撑的废弃物，不仅节省了运输成本，也贯彻了绿色施工的理念。

6 结 语

长距离钢支撑伺服系统成套技术的成功应用，实现了该技术适用于宽度50 m及以上、环境保护要求严苛的软土深基坑工程的目标，将传统钢支撑伺服系统适用的基坑规模扩展了10倍，实现了1万m2基坑一次性开挖的微扰动变形控制目标。该技术的成功应用可以显著节约资源、提高工效，具有过程安全、品质保证、环境友好和经济性高的特点，并且符合绿色建造的可持续发展理念，社会、经济和环保效益显著，对提升我国沿海软土地区基坑工程的能力和质量具有重要的指导意义，并具有非常广阔的市场应用前景。