伺服钢支撑系统在深基坑施工变形控制中的应用效果研究

朱坤伦

(中铁十八局集团市政工程有限公司,天津 300222)

随着城市地下空间的高速发展,基坑开挖的范围和深度不断增大,因此深大基坑施工对周边建筑物及环境的影响也成为了研究的焦点。研究表明,基坑围护结构的变形直接影响到周边地表沉降及建筑物位移,因此对于复杂环境的深大基坑,控制其围护结构的变形是基坑施工过程中的重点和难点。

混凝土支撑体系作为基坑常见的支撑形式之一,具有刚度大、承载力高、平面布置灵活等优点;但混凝土支撑体系在基坑开挖后再施作,只能对后续开挖变形起到一定控制作用,对先前开挖已经发生的变形无法进行主动调节控制。钢支撑伺服系统的出现解决了混凝土支撑体系承载力不足、无法实时监测的问题,因此,在工程中得到了广泛的应用。房有亮等[1]通过数值模拟研究分析了有无伺服钢支撑围护结构两种工况下基坑的变形规律;倪福[2]、李建望[3]探究了轴力伺服系统在基坑开挖中的控制效果,结果表明可有效控制支护结构变形;江岩明[4]、刘毅等[5]的研究结果表明伺服系统钢支撑可以对轴力进行自动补偿,并且能够很好的保护支护结构、周边建筑物及管线的安全。

但科技工作者对伺服支撑系统在软土地层深大基坑中的研究较少,本文以杭州机场轨道3号风井深基坑为研究对象,开展此类研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

拟建杭州机场轨道快线3号风井基坑位于杭州市西湖区文三西路与古墩路西侧,沿文三西路呈东西走向,主体结构外包总长 286.9 m,总宽22.5 m,围护结构采用地下连续墙形式,最大开挖深度为24.5 m。基坑周边建筑物以居住区为主,地下管线密集,勘察发现地下有给排水、电力、电信、燃气、信息网络、军用光缆等重要管线,其中北侧临近基坑建筑物金都花园2栋、金都花园1栋及金海公寓1栋与基坑平行布置,距离基坑最近距离仅为3.06 m。

1.2 工程地质及水文条件

根据勘察报告,地层从上到下由杂填土、砂质粉土和粉质黏土组成,并且基坑开挖范围内地势较为平坦,各土层物理参数如表1所示。基坑所处地层孔隙潜水主要存在于表层填土和砂质粉土中,勘探期间测得水位埋深一般为0.90～3.50 m,相应高程0.89～5.86 m,对施工影响小。

1.3 工程重难点分析

本工程所处地层为软土地层。在该地层中进行深基坑施工,如果围护结构防水措施没能做好,施工过程中极易引发渗漏水,土体发生浸水破坏,强度降低,引发周边地表沉降大幅增加,严重威胁到支护结构的稳定性。另一方面,本标段风井及区间均位于规划道路及居民区,地下管线较多,企业及公共建筑较多,且周边建筑物为上世纪末建设的商品住房,基础很差,结构强度不足。如果施工没能及时控制好基坑变形,会严重威胁到周围居民、商铺和道路的安全,这给施工带来了巨大的挑战。

表1 土层物理力学参数

2 基坑开挖施工方案

2.1 基坑支护方案

3号风井主体基坑外围总长286.9 m,总宽22.5 m,顶板上方土体约4.37 m,开挖深度为21.8～25.8 m,采用地下连续墙和内支撑联合加固的围护结构。地下连续墙布设深度为47.0～49.5 m,共采用7道支撑,其中第2道、4道、6道和第7道为带伺服系统的钢支撑(∅800 mm,t=16 mm),其余为钢筋混凝土支撑(∅800 mm,t=16 mm)。各地层分布情况及围护结构剖面如图1所示。

图1 基坑围护结构剖面及地层分布(单位:m)

智能伺服系统现场施作及工作原理如图2、图3所示。智能自动调节系统可在24 h内不间断监测,并能够随时提供支撑补偿轴力。伺服系统的最大设计加载力为3 500 kN,有效伸缩行程为200 mm。施工过程中,设置第2道钢支撑预加轴力500 kN,第4道钢支撑预加轴力1 500 kN,第6～7道钢支撑预加轴力2 500 kN。当支撑的轴力低于设定的最小值时,系统可自动开启,使支撑的轴力加载到设定值。同时,也可根据实际工程要求,对轴力进行手动调整。

2.2 施工步骤

图2 智能伺服系统现场施作

图3 智能伺服系统工作原理

首先,根据基坑围护结构设计图纸计算得到伺服钢支撑控制阈值。基坑开挖至第1道混凝土支撑深度,施作第1道混凝土支撑和基坑冠梁。当第1道混凝土支撑结构强度到达规范要求后,继续向下开挖,达到第2道支撑深度时施作第2道伺服钢支撑并施加支撑轴力。随后,依次对剩下的混凝土支撑(第3、5道)及伺服钢支撑(第4、6、7道)进行施工。最后,基坑开挖完成后浇筑素混凝土垫层及结构底板,同时在基坑纵向共布设11道支撑,间距25 m。

3 基坑监测项目及测点布置

基坑开挖过程中对围护墙水平位移、支撑轴力变化及周围建筑物沉降等关键指标进行监测,基坑监测点布置平面见图4。监测频率、监测项目控制值及报警值见表2～表4。

4 监测结果分析

3号风井基坑现已完成主体结构封顶,该基坑在采用钢支撑伺服系统后,墙体深层水平位移可控制在16 mm以内,小于该基坑墙体设计深层水平位移控制值累计报警控制值40 mm。在基坑开挖期间,伺服系统可有效减小地下连续墙的水平位移,保证围护结构的稳定性,对周边近距离房屋及管线起到了很好的保护作用。

4.1 支撑轴力分析

轴力能很好反映支护结构自身的受力情况,为了更直观的观测施工过程中支护结构的受力情况,选取基坑中间位置处的5道支撑作为研究对象,其轴力随施工步进行的时程变化如图5所示。由图可知,采用伺服系统的钢支撑受力较为平稳,随着基坑开挖深度的增加并没有发生较大波动,最终受力在1 000 kN左右;而混凝土支撑受力发生较大波动,最高可达2 000 kN。分析其原因为混凝土支撑的刚度较大,受混凝土收缩徐变的影响,基坑开挖容易使荷载传递到混凝土支撑上,引起混凝土支撑受力变化幅度大。另外,伺服系统钢支撑施作完成后,相邻混凝土支撑的轴力发生较大的变化,可见伺服钢支撑的安装对相邻混凝土支撑的影响较大,因此在实际施工中应该对采用伺服系统的钢支撑进行实时监测,同时也应注意控制伺服阈值的设定。

图4 基坑监测点布置平面

表2 基坑工程监测频率

表3 基坑支护结构和周围土体监测项目控制值及报警值

表4 支撑轴力控制段及报警值

图5 支撑轴力时程变化曲线

4.2 围护墙水平位移

选取C6点处支护结构水平位移为研究对象,根据不同开挖深度的监测数据,绘制支护结构随基坑深度变化的关系曲线(如图6所示),其中围护结构水平位移正值表示向坑内移动。

由图6可知,各支撑结构变形曲线均表现为平滑的鼓肚状,并且随着基坑开挖深度的增加,支护结构的变形也呈现出增大的趋势。基坑开挖至地下5、15及20 m时,围护结构最大变形分别为2.29、 11.33及13.43 mm;在伺服钢支撑作用下,围护结构最大变形出现在底板浇筑完成后,最大值为15.98 mm。随着开挖深度的增加,围护墙最大水平位移位置也发生了改变,当开挖深度为5 m时,最大水平位移出现在距地表约12 m位置处;而当开挖深度达到15 m,围护墙水平位移整体发生突增,最大水平位移出现在距地表约20 m位置处;随后,围护墙水平位移增长速率开始变缓,随着开挖深度的继续增加,围护墙水平位移最大值开始向下移动,当底板浇筑完成后,围护墙水平位移最大值位于地表以下约22 m处,水平位移大小并没有发生太大变化,从11.33 mm增加到15.98 mm。整个开挖过程中变形均在允许范围内,由此可见,伺服钢支撑能够有效控制变形。

图6 围护结构水平位移累计值曲线

为了进一步探究伺服系统对围护结构的控制效果,通过对国内类似工程[6-10]进行文献调研,选取各工程案例中伺服钢支撑区段与普通钢支撑区段进行对比分析,各个阶段的位移减小率如表5所示。由表可知采用伺服系统后,围护结构的最大水平位移减小率最小为22.0%,最大可达77.0%,对围护结构的变形控制效果显著,大大降低了施工对周围建筑物的影响,也进一步验证了伺服钢支撑的可靠性。

表5 伺服钢支撑与普通钢支撑对围护结构变形控制效果

4.3 周围建筑物沉降

选取距基坑较近的金都花园2号楼房D17、D18、D19、D28和D29共5个监测点进行研究分析,各监测点随基坑开挖施工过程的位移时程曲线如图7所示。由图7可知,各监测点的位移随着基坑开挖深度的增加而不断在增大,最大值小于20 mm,均控制在预警范围之内。施工过程中围护结构的变形会直接影响到地表沉降的变化,进而会对周围建筑物产生影响,由此可见,采用伺服钢支撑不仅可以有效控制围护结构变形,还能进一步通过减小支护结构变形达到控制周围建筑物沉降的目的。

另外,从图中还可看出测点D28、D29位移变化幅度与测点D17、D18、D19相比较为剧烈,位移速率也相对较大。这是由于测点D28、D29距基坑的距离较近、受基坑开挖扰动影响较大。基坑开挖完成后,测点D28位置处位移最大,最终稳定在19.48 mm;测点D18位置处位移最小,最终稳定在6.79 mm,二者相差12.69 mm。金都花园2号楼房最大倾斜为0.000 4(规范值为0.003[11]),建筑物沉降量和倾斜率均在安全控制范围之内。但在施工过程中应对基坑周围建筑物加强监测,同时应注意材料堆载、车辆行驶情况等环境因素的变化,任何环境的改变均会对基坑产生影响进而造成建筑物位移的变化。

图7 金都花园2号楼房部分测点竖向位移变化曲线

5 结论

(1)采用伺服系统的钢支撑受力较为平稳,并没有发生较大波动,最终受力在1 000 kN左右。伺服系统钢支撑的使用会引起临近的混凝土支撑受力发生较大变化,在实际施工中应注意控制伺服阈值的设定。

(2)伺服钢支撑系统在基坑开挖过程中能够有效控制围护结构变形。

(3)距基坑较近的金都花园和云桂花园两栋楼房随着基坑开挖深度的增加,各监测点的位移均不断在增大,但始终控制在预警范围之内,满足设计规范要求。采用伺服钢支撑不仅可以有效控制围护结构变形,还能对周围建筑物变形起到抑制作用。