龍華東 周輝 涂洪亮 冉貴猴 楊勇 高陽(yáng) 胡明明

1.中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，武漢 430074；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，各大城市地鐵聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)［1］，地鐵隧道不可避免下穿既有線和建（構(gòu)）筑物，導(dǎo)致車(chē)站基坑深度越來(lái)越大。深基坑的開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程中容易遇到各種技術(shù)難題［2-4］，其中基坑壁的變形控制是深基坑安全的重要保障。基坑支護(hù)通常采用鋼筋混凝土支撐和普通鋼支撐。鋼支撐的預(yù)壓軸力受環(huán)境和晝夜溫差影響較大，又不可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生軸力損失。文獻(xiàn)［5-7］指出地鐵深基坑在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)鋼支撐軸力損失、腰梁與冠梁應(yīng)力集中、地下連續(xù)墻變形不均勻、基坑底板隆起開(kāi)裂等問(wèn)題，導(dǎo)致深基坑失穩(wěn)；建議在地下連續(xù)墻預(yù)埋鋼板和支撐分界處增設(shè)圍檁，提高深基坑的整體穩(wěn)定性，并在施工期間分階段施加軸力，采用現(xiàn)場(chǎng)校核過(guò)的表面應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸力。但是該解決方案監(jiān)測(cè)和校正工作量較大且難以保證準(zhǔn)確。鋼支撐伺服系統(tǒng)［8-9］憑借其出色的控載及保壓技術(shù)可較好地解決這一難題。

本研究首先分析鋼支撐伺服系統(tǒng)的工作原理，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析深基坑的變形規(guī)律，驗(yàn)證采用鋼支撐伺服系統(tǒng)對(duì)變形的控制效果。

1 工程概況

該地鐵車(chē)站為換乘站，地鐵隧道穿越既有線，導(dǎo)致該車(chē)站基坑埋深較大。車(chē)站站臺(tái)為四層雙柱三跨島式結(jié)構(gòu)，呈東西走向，寬約13.00 m，總長(zhǎng)約160.50 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.70 m，端頭井處結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬26.60 m，站臺(tái)中心底板埋深約28.88 m，車(chē)站頂板埋深3.00 m。該地鐵車(chē)站分為三個(gè)區(qū)，如圖1所示。

圖1 地鐵車(chē)站平面圖

車(chē)站采用明挖順作法施工，基坑標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井處開(kāi)挖深度分別約29.0、30.5 m，車(chē)站主體面積為14 844 m2，設(shè)置3個(gè)出入口、1個(gè)換乘通道。

工程沿線位于沖積地區(qū)，水系發(fā)育，地勢(shì)平坦，地層含水率高。基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 鋼支撐伺服系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

該車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)采用鋼支撐伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主機(jī)、數(shù)控泵站和伺服端，通過(guò)有線和無(wú)線相結(jié)合的方式進(jìn)行連接。

鋼支撐伺服系統(tǒng)由液壓、支撐和測(cè)量控制三大體系組成，通過(guò)加裝機(jī)械鎖裝置同時(shí)提高液壓系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性及可靠性［10］。鋼支撐伺服系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 鋼支撐伺服系統(tǒng)工作原理示意

鋼支撐伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)：①電控系統(tǒng)失效或者系統(tǒng)斷電時(shí)，可保壓，功效不變；②液控單向閥為機(jī)械閥，斷電后可以照常工作；③電磁閥不通電時(shí)處于軸力截止?fàn)顟B(tài)，油壓不變；④油缸內(nèi)泄露時(shí)，千斤頂上下腔密封帶隔離失效，但此時(shí)上腔處于封閉狀態(tài)，仍能保持原先的軸力。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土支撐及鋼支撐支護(hù)。車(chē)站共設(shè)置8層支撐，其中第1、4、6層支撐為鋼筋混凝土支撐，第2、3、5、7、8層支撐為鋼支撐，第2、3、5層鋼支撐采用φ609壁厚16 mm鋼管，第7和8層鋼支撐采用φ800壁厚20 mm鋼管。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，三區(qū)鋼支撐直撐施工時(shí)均采用伺服系統(tǒng)。三區(qū)布設(shè)5層鋼支撐，每層鋼支撐有4根直撐，共計(jì)20根。鋼支撐平面和支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 車(chē)站三區(qū)鋼支撐平面（單位：m）

圖4 鋼支撐支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程包括油管支架安裝→監(jiān)控室布置→現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接電、調(diào)試→鋼支撐及伺服頭拼裝→鋼支撐安裝→油管及數(shù)據(jù)線的安裝→施加軸壓→鎖定機(jī)械鎖。

軸力施加到設(shè)計(jì)值的100%后持荷5 min，機(jī)械鎖首先鎖到底，然后反轉(zhuǎn)1/3圈，使機(jī)械鎖與伺服支撐頭保留約2 mm的間隙，并考慮溫度變化對(duì)軸力的影響。

三區(qū)基坑第2、3、5、7、8道鋼支撐標(biāo)高分別為-0.5、-9.0、-16.0、-23.5、-27.0 m，安裝時(shí)間分別為2017年6月20日、7月12日、8月12日、8月29、9月6日。每道安裝完成后及時(shí)按設(shè)計(jì)值施加軸力。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

4.1 測(cè)斜管布置

本車(chē)站主體基坑安全保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，在三區(qū)基坑四周布置6根測(cè)斜管（1#—6#），每根測(cè)斜管的深度約48 m，如圖5所示。

圖5 三區(qū)基坑測(cè)斜管布置示意（單位：m）

鋼支撐伺服系統(tǒng)采用程序控制與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、低壓補(bǔ)償和高壓報(bào)警。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 鋼支撐軸力

通過(guò)伺服支撐頭監(jiān)測(cè)得到的鋼支撐軸力時(shí)程變化曲線見(jiàn)圖6。其中支撐3?1表示第3層第1根鋼支撐。可知：鋼支撐軸力在1 450~1 500 kN變化，波動(dòng)幅度相對(duì)較小，說(shuō)明鋼支撐伺服系統(tǒng)對(duì)軸力的控制效果較好。平均2 h調(diào)節(jié)一次軸力，支護(hù)20 h后軸力趨于穩(wěn)定。

圖6 鋼支撐軸力時(shí)程變化曲線

4.2.2 基坑壁側(cè)向變形

采用測(cè)斜管對(duì)基坑壁側(cè)向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，0#為普通鋼支撐區(qū)域的測(cè)斜管編號(hào)，1#—6#為采用鋼支撐伺服系統(tǒng)區(qū)域的測(cè)斜管編號(hào)。1#、3#、4#、6#的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為完整，因此選擇其進(jìn)行對(duì)比分析?；颖趥?cè)向變形曲線見(jiàn)圖7。其中側(cè)向變形量為正表示朝向基坑變形，側(cè)向變形量為負(fù)表示背離基坑變形。

圖7 基坑壁側(cè)向變形曲線

由圖7可知：①基坑壁側(cè)向變形隨深度增加由外擴(kuò)逐漸變?yōu)閮?nèi)鼓。以測(cè)斜管3#為例，在埋深小于22.5 m時(shí)，基坑壁背離基坑變形，在埋深大于22.5 m時(shí)，基坑壁朝向基坑變形。②普通鋼支撐區(qū)域基坑壁側(cè)向最大變形量為34.15 mm，采用鋼支撐伺服系統(tǒng)區(qū)域基坑壁側(cè)向最大變形量為14.90 mm，減小56.4%。采用鋼支撐伺服系統(tǒng)對(duì)基坑壁側(cè)向變形的控制效果較好。

三區(qū)基坑距離既有地鐵線隧道僅15.3 m，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)側(cè)向變形速率和累計(jì)變形量的預(yù)警值分別為2 mm/d和20 mm。采用鋼支撐伺服系統(tǒng)后，基坑壁側(cè)向變形滿足要求，保障了基坑的安全。

2017年3#測(cè)斜管上不同標(biāo)高處變形見(jiàn)圖8。其中2~8表示第2層~第8層鋼支撐。可知：隨著基坑施工的進(jìn)行，測(cè)斜管3#上不同標(biāo)高處變形量整體呈增大趨勢(shì)，每一次開(kāi)挖都伴隨著變形量的增大，每一次支護(hù)都能將變形穩(wěn)定一段時(shí)間。2017年6月—11月，埋深小于22.5 m時(shí)基坑壁背離基坑變形，埋深大于22.5 m時(shí)基坑壁朝向基坑變形。不同標(biāo)高處累計(jì)變形量均小于20.0 mm的預(yù)警值。

圖8 3#測(cè)斜管上不同標(biāo)高處變形

5 結(jié)論

1）基坑壁側(cè)向變形隨深度增加由外擴(kuò)逐漸變?yōu)閮?nèi)鼓，普通鋼支撐區(qū)域基坑壁側(cè)向最大變形量為34.15 mm，采用鋼支撐伺服系統(tǒng)區(qū)域基坑壁側(cè)向最大變形量為14.90 mm，減小56.4%。采用鋼支撐伺服系統(tǒng)對(duì)基坑壁側(cè)向變形的控制效果較好。

2）基坑施工過(guò)程中，測(cè)斜管上不同標(biāo)高處變形量整體呈增大趨勢(shì)，每一次開(kāi)挖都伴隨著變形量的增大，每一次支護(hù)都能將變形穩(wěn)定一段時(shí)間。不同標(biāo)高處累計(jì)變形量均小于預(yù)警值。