钢支撑轴力补偿伺服系统在市域铁路深基坑工程中的应用

文／庄星宇、任捷远、陈国飞、陈俊晓 中国建筑第八工程局有限公司上海公司 上海 200120

引言：

随着城市化进程迅猛发展，城市面积不断扩大，城市内部人员快速流动的需求成为城市交通发展新方向。市域铁路是一种全新的尝试。与传统城市轨道交通相比，市域铁路设计时速达到160km/h，基坑平均深度超过20m。因此，围护结构变形控制成为市域铁路车站施工过程中的焦点问题。

钢支撑作为一种快拼装、高周转的支撑形式得到工程界的青睐，但钢支撑在使用过程中，常出现轴力损失情况，导致基坑围护结构变形控制效果不理想。同时，传统的钢支撑轴力监测方式受钢支撑施工、监测方式等因素影响，准确度与真实性有待商榷。钢支撑轴力补偿伺服系统，利用千斤顶油压对钢支撑轴力进行实时监测，相比于振弦式轴力计稳定性、准确性更高，同时可以根据轴力监测结果进行轴力补偿，因此在工程实践中得以推广。目前，国内对钢支撑伺服系统正处于发展阶段，有学者对其原理、适用性等因素开展相关研究，但在工程实践中伺服系统对深基坑围护结构变形的控制效果鲜有涉及。本文将结合工程实例，对伺服系统在市域铁路车站深基坑围护结构变形控制方面展开讨论。

1、伺服系统简介

伺服系统由钢支撑活络头千斤顶、油压监控中心、补油装置形成的一套，可以实时进行钢支撑轴力补偿。传统的伺服系统，每6-8 个端头需要配置一台油泵，用油管连接，因此施工现场常见管线密集，且每隔一段距离便有一台油泵，占地面积大，使伺服系统在场地狭窄的工程实例中难以得到应用。经过开发与改进，出现一种无管无线的伺服系统总成，一改油泵、管路的笨重形象，将所有装置集成到端头中，最大程度减小了占地面积。因此，在狭窄空间的线性工程，尤其是城市内部的下穿隧道、地铁车站等周边环境复杂，场地小且对周边环境保护要求高的工程中，智能伺服系统总成有广泛的应用场景。

2、工程实例

图1 伺服系统总成结构

图2 伺服系统应用场景

2.1 工程概况

上海市域铁路某车站深基坑长172.8m，宽27.8m，最大挖深28.05m。车站采用地下连续墙作为围护结构，第一、三道支撑为混凝土支撑，第二、四、五、六道为钢支撑。由于在前期征地阶段，基坑南侧有房屋为拆除，该房屋距离基坑边缘最近距离仅6m，故在影响范围内所有钢支撑附加伺服系统，以控制围护结构变形，从而减小对周边环境的影响。同时，通过布置测斜管对围护结构变形进行监测，布置情况如图3所示。

图3 工程实例概况

南北两侧地下连续墙中共布置14 组测斜管，为方便表达，自西向东对测斜管按对编号，并用“南”“北”区分。其中2-7 号位于使用钢支撑伺服系统的区域内。

2.2 围护结构变形分析

由于基坑底板浇筑完成后，围护结构变形明显趋于收敛。因此，将底板浇筑完成时地下连续墙测斜变形作为最终变形。将各测点最终测斜变形绘制成曲线后（如图4），使用伺服系统的范围内，围护结构变形明显小于未使用伺服系统的部分。由于基坑施工工艺、施工节奏在全过程中保持一致，且基坑周边环境相似，对不同区域围护结构变形的影响可以忽略不计。因此，可以认为伺服系统对围护结构变形控制，具有一定作用。

图4 围护结构最大变形规律

同时，基坑东西两侧近似对称，故可以将对应位置的测斜变形进行对比，进一步分析伺服系统的应用效果。取4 号测点与对应的13 号测点进行对比。从施工过程来看，在第二层土开挖至第二道钢支撑施工完成阶段，由于都仅有第一道混凝土支撑，故围护结构变形相差不大。从第三层土开挖开始，使用钢支撑伺服系统的优势逐渐变得明显，围护结构变形在数值上到有效控制。但不难发现，围护结构的最大位移都发生在开挖面下方3-5m 范围。因此，伺服系统对于围护结构变形形式影响不大。（图5、图6）

图5 4 号测点施工各阶段围护结构变形情况

图6 13 号测点施工各阶段围护结构变形情况

当关注到第二、四、五、六道钢支撑位置围护结构在基坑开挖过程中的变形情况时（如图7）可以发现，第二道钢支撑在采用伺服系统后，对后续基坑开挖变得不敏感。相比于未采用伺服系统的13 号测点，4 号测点在第三层土方开挖时，围护结构变形速率没有大幅加快。当基坑开挖深度增加后，尤其是第三道混凝土支撑完成后，基坑开挖过程对第二道钢支撑处围护结构变形影响较小，且4 号测点与13 号测点的曲线基本平行，可以认为伺服系统在该阶段对浅层围护结构变形的影响程度不大。但当观察第四、五、六道钢支撑处围护结构的变形趋势时，每一次开挖过程，4 号测点变形增速虽然也有明显变化，但变化幅度相较13 号测点都较小。因此，伺服系统在基坑开挖的过程中，可以有效地控制围护结构变形发生突变，减小开挖施工对已形成的支撑的影响。

图7 第二、四、五、六道钢支撑处围护结构变形情况

2.3 基坑外地表沉降变形分析

观察围护结构变形的同时，也需要观察基坑外地表沉降的变化，以判断基坑开挖对周边环境的影响程度。取4 组地表沉降监测点数据进行分析，其中D17、D18位于未采用伺服系统区域，南侧紧邻接坑房屋附近的两组测点，D21、D22 为采用伺服系统区域，南侧紧邻基坑房屋附近的两组测点。如图8，在基坑开挖前，4 组测点的地表沉降值相近，其中D22 的平均地表沉降最大。基坑开挖施工前，基坑开挖后，根据检测结果记录开挖后累计沉降变形，同样以底板浇筑完成时沉降变形作为基坑开挖阶段的最终时刻。如图9，基坑开挖后，D21、D22 的累计变形明显小于D17、D18。因此，可以认为，钢支撑伺服系统有利于基坑开挖过程中对周边环境的保护。

图8 开挖前基坑外地表沉降累计变形情况

图9 开挖后基坑外地表沉降累计变形情况

结语：

通过对工程实践过程中基坑围护结构变形的分析，可以得出以下结论：

（1）相比于传统预加轴力的钢支撑，采用轴力补偿伺服系统的钢支撑，可以在一定程度上加强对基坑围护结构变形的控制；

（2）轴力补偿伺服系统可以减小基坑围护结构变形，但不改变基坑围护结构变形规律，无法简单地通过采用轴力补偿伺服系统改变围护结构最终最大变形发生的深度；

（3）轴力补偿伺服系统可以有效地控制围护结构在已形成支撑的位置发生突变，减小开挖施工对围护结构的影响，从而起到控制围护结构变形的效果；

（4）轴力补偿伺服系统的应用有利于减小基坑开挖对周边环境的影响。

虽然，伺服系统经过工程实践、科技研发，已经取得长足的进步。伺服系统对单根钢支撑的轴力自动监测、自动补偿有显著的效果，但支撑与支撑之间并不是独立的个体，单根支撑轴力的变化也会对周边其他支撑产生影响。因此，伺服系统的研发过程，还应当考虑如何实现钢支撑之间的联动，使支撑、围护结构形成一个完整的体系，从而更好地控制深基坑围护结构变形。