朱坤倫

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司,天津 300222)

隨著城市地下空間的高速發(fā)展,基坑開(kāi)挖的范圍和深度不斷增大,因此深大基坑施工對(duì)周邊建筑物及環(huán)境的影響也成為了研究的焦點(diǎn)。研究表明,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形直接影響到周邊地表沉降及建筑物位移,因此對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的深大基坑,控制其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形是基坑施工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

混凝土支撐體系作為基坑常見(jiàn)的支撐形式之一,具有剛度大、承載力高、平面布置靈活等優(yōu)點(diǎn);但混凝土支撐體系在基坑開(kāi)挖后再施作,只能對(duì)后續(xù)開(kāi)挖變形起到一定控制作用,對(duì)先前開(kāi)挖已經(jīng)發(fā)生的變形無(wú)法進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)控制。鋼支撐伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了混凝土支撐體系承載力不足、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題,因此,在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。房有亮等[1]通過(guò)數(shù)值模擬研究分析了有無(wú)伺服鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩種工況下基坑的變形規(guī)律;倪福[2]、李建望[3]探究了軸力伺服系統(tǒng)在基坑開(kāi)挖中的控制效果,結(jié)果表明可有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形;江巖明[4]、劉毅等[5]的研究結(jié)果表明伺服系統(tǒng)鋼支撐可以對(duì)軸力進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,并且能夠很好的保護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建筑物及管線(xiàn)的安全。

但科技工作者對(duì)伺服支撐系統(tǒng)在軟土地層深大基坑中的研究較少,本文以杭州機(jī)場(chǎng)軌道3號(hào)風(fēng)井深基坑為研究對(duì)象,開(kāi)展此類(lèi)研究。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

擬建杭州機(jī)場(chǎng)軌道快線(xiàn)3號(hào)風(fēng)井基坑位于杭州市西湖區(qū)文三西路與古墩路西側(cè),沿文三西路呈東西走向,主體結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng) 286.9 m,總寬22.5 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式,最大開(kāi)挖深度為24.5 m。基坑周邊建筑物以居住區(qū)為主,地下管線(xiàn)密集,勘察發(fā)現(xiàn)地下有給排水、電力、電信、燃?xì)狻⑿畔⒕W(wǎng)絡(luò)、軍用光纜等重要管線(xiàn),其中北側(cè)臨近基坑建筑物金都花園2棟、金都花園1棟及金海公寓1棟與基坑平行布置,距離基坑最近距離僅為3.06 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

根據(jù)勘察報(bào)告,地層從上到下由雜填土、砂質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土組成,并且基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地勢(shì)較為平坦,各土層物理參數(shù)如表1所示?；铀幍貙涌紫稘撍饕嬖谟诒韺犹钔梁蜕百|(zhì)粉土中,勘探期間測(cè)得水位埋深一般為0.90～3.50 m,相應(yīng)高程0.89～5.86 m,對(duì)施工影響小。

1.3 工程重難點(diǎn)分析

本工程所處地層為軟土地層。在該地層中進(jìn)行深基坑施工,如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)防水措施沒(méi)能做好,施工過(guò)程中極易引發(fā)滲漏水,土體發(fā)生浸水破壞,強(qiáng)度降低,引發(fā)周邊地表沉降大幅增加,嚴(yán)重威脅到支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另一方面,本標(biāo)段風(fēng)井及區(qū)間均位于規(guī)劃道路及居民區(qū),地下管線(xiàn)較多,企業(yè)及公共建筑較多,且周邊建筑物為上世紀(jì)末建設(shè)的商品住房,基礎(chǔ)很差,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。如果施工沒(méi)能及時(shí)控制好基坑變形,會(huì)嚴(yán)重威脅到周?chē)用瘛⑸啼伜偷缆返陌踩?這給施工帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 基坑開(kāi)挖施工方案

2.1 基坑支護(hù)方案

3號(hào)風(fēng)井主體基坑外圍總長(zhǎng)286.9 m,總寬22.5 m,頂板上方土體約4.37 m,開(kāi)挖深度為21.8～25.8 m,采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐聯(lián)合加固的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻布設(shè)深度為47.0～49.5 m,共采用7道支撐,其中第2道、4道、6道和第7道為帶伺服系統(tǒng)的鋼支撐(?800 mm,t=16 mm),其余為鋼筋混凝土支撐(?800 mm,t=16 mm)。各地層分布情況及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面及地層分布(單位:m)

智能伺服系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施作及工作原理如圖2、圖3所示。智能自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在24 h內(nèi)不間斷監(jiān)測(cè),并能夠隨時(shí)提供支撐補(bǔ)償軸力。伺服系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)加載力為3 500 kN,有效伸縮行程為200 mm。施工過(guò)程中,設(shè)置第2道鋼支撐預(yù)加軸力500 kN,第4道鋼支撐預(yù)加軸力1 500 kN,第6～7道鋼支撐預(yù)加軸力2 500 kN。當(dāng)支撐的軸力低于設(shè)定的最小值時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)開(kāi)啟,使支撐的軸力加載到設(shè)定值。同時(shí),也可根據(jù)實(shí)際工程要求,對(duì)軸力進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

2.2 施工步驟

圖2 智能伺服系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施作

圖3 智能伺服系統(tǒng)工作原理

首先,根據(jù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算得到伺服鋼支撐控制閾值?；娱_(kāi)挖至第1道混凝土支撐深度,施作第1道混凝土支撐和基坑冠梁。當(dāng)?shù)?道混凝土支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度到達(dá)規(guī)范要求后,繼續(xù)向下開(kāi)挖,達(dá)到第2道支撐深度時(shí)施作第2道伺服鋼支撐并施加支撐軸力。隨后,依次對(duì)剩下的混凝土支撐(第3、5道)及伺服鋼支撐(第4、6、7道)進(jìn)行施工。最后,基坑開(kāi)挖完成后澆筑素混凝土墊層及結(jié)構(gòu)底板,同時(shí)在基坑縱向共布設(shè)11道支撐,間距25 m。

3 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍護(hù)墻水平位移、支撐軸力變化及周?chē)ㄖ锍两档汝P(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面見(jiàn)圖4。監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值及報(bào)警值見(jiàn)表2～表4。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3號(hào)風(fēng)井基坑現(xiàn)已完成主體結(jié)構(gòu)封頂,該基坑在采用鋼支撐伺服系統(tǒng)后,墻體深層水平位移可控制在16 mm以?xún)?nèi),小于該基坑墻體設(shè)計(jì)深層水平位移控制值累計(jì)報(bào)警控制值40 mm。在基坑開(kāi)挖期間,伺服系統(tǒng)可有效減小地下連續(xù)墻的水平位移,保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,對(duì)周邊近距離房屋及管線(xiàn)起到了很好的保護(hù)作用。

4.1 支撐軸力分析

軸力能很好反映支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的受力情況,為了更直觀的觀測(cè)施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況,選取基坑中間位置處的5道支撐作為研究對(duì)象,其軸力隨施工步進(jìn)行的時(shí)程變化如圖5所示。由圖可知,采用伺服系統(tǒng)的鋼支撐受力較為平穩(wěn),隨著基坑開(kāi)挖深度的增加并沒(méi)有發(fā)生較大波動(dòng),最終受力在1 000 kN左右;而混凝土支撐受力發(fā)生較大波動(dòng),最高可達(dá)2 000 kN。分析其原因?yàn)榛炷林蔚膭偠容^大,受混凝土收縮徐變的影響,基坑開(kāi)挖容易使荷載傳遞到混凝土支撐上,引起混凝土支撐受力變化幅度大。另外,伺服系統(tǒng)鋼支撐施作完成后,相鄰混凝土支撐的軸力發(fā)生較大的變化,可見(jiàn)伺服鋼支撐的安裝對(duì)相鄰混凝土支撐的影響較大,因此在實(shí)際施工中應(yīng)該對(duì)采用伺服系統(tǒng)的鋼支撐進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)也應(yīng)注意控制伺服閾值的設(shè)定。

圖4 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面

表2 基坑工程監(jiān)測(cè)頻率

表3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值及報(bào)警值

表4 支撐軸力控制段及報(bào)警值

圖5 支撐軸力時(shí)程變化曲線(xiàn)

4.2 圍護(hù)墻水平位移

選取C6點(diǎn)處支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移為研究對(duì)象,根據(jù)不同開(kāi)挖深度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)隨基坑深度變化的關(guān)系曲線(xiàn)(如圖6所示),其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移正值表示向坑內(nèi)移動(dòng)。

由圖6可知,各支撐結(jié)構(gòu)變形曲線(xiàn)均表現(xiàn)為平滑的鼓肚狀,并且隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)?；娱_(kāi)挖至地下5、15及20 m時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形分別為2.29、 11.33及13.43 mm;在伺服鋼支撐作用下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在底板澆筑完成后,最大值為15.98 mm。隨著開(kāi)挖深度的增加,圍護(hù)墻最大水平位移位置也發(fā)生了改變,當(dāng)開(kāi)挖深度為5 m時(shí),最大水平位移出現(xiàn)在距地表約12 m位置處;而當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到15 m,圍護(hù)墻水平位移整體發(fā)生突增,最大水平位移出現(xiàn)在距地表約20 m位置處;隨后,圍護(hù)墻水平位移增長(zhǎng)速率開(kāi)始變緩,隨著開(kāi)挖深度的繼續(xù)增加,圍護(hù)墻水平位移最大值開(kāi)始向下移動(dòng),當(dāng)?shù)装鍧仓瓿珊?圍護(hù)墻水平位移最大值位于地表以下約22 m處,水平位移大小并沒(méi)有發(fā)生太大變化,從11.33 mm增加到15.98 mm。整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中變形均在允許范圍內(nèi),由此可見(jiàn),伺服鋼支撐能夠有效控制變形。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移累計(jì)值曲線(xiàn)

為了進(jìn)一步探究伺服系統(tǒng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的控制效果,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程[6-10]進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研,選取各工程案例中伺服鋼支撐區(qū)段與普通鋼支撐區(qū)段進(jìn)行對(duì)比分析,各個(gè)階段的位移減小率如表5所示。由表可知采用伺服系統(tǒng)后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移減小率最小為22.0%,最大可達(dá)77.0%,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制效果顯著,大大降低了施工對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?也進(jìn)一步驗(yàn)證了伺服鋼支撐的可靠性。

表5 伺服鋼支撐與普通鋼支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制效果

4.3 周?chē)ㄖ锍两?/h3>

選取距基坑較近的金都花園2號(hào)樓房D17、D18、D19、D28和D29共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究分析,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨基坑開(kāi)挖施工過(guò)程的位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而不斷在增大,最大值小于20 mm,均控制在預(yù)警范圍之內(nèi)。施工過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會(huì)直接影響到地表沉降的變化,進(jìn)而會(huì)對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生影響,由此可見(jiàn),采用伺服鋼支撐不僅可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,還能進(jìn)一步通過(guò)減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形達(dá)到控制周?chē)ㄖ锍两档哪康摹?/p>

另外,從圖中還可看出測(cè)點(diǎn)D28、D29位移變化幅度與測(cè)點(diǎn)D17、D18、D19相比較為劇烈,位移速率也相對(duì)較大。這是由于測(cè)點(diǎn)D28、D29距基坑的距離較近、受基坑開(kāi)挖擾動(dòng)影響較大。基坑開(kāi)挖完成后,測(cè)點(diǎn)D28位置處位移最大,最終穩(wěn)定在19.48 mm;測(cè)點(diǎn)D18位置處位移最小,最終穩(wěn)定在6.79 mm,二者相差12.69 mm。金都花園2號(hào)樓房最大傾斜為0.000 4(規(guī)范值為0.003[11]),建筑物沉降量和傾斜率均在安全控制范圍之內(nèi)。但在施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)基坑周?chē)ㄖ锛訌?qiáng)監(jiān)測(cè),同時(shí)應(yīng)注意材料堆載、車(chē)輛行駛情況等環(huán)境因素的變化,任何環(huán)境的改變均會(huì)對(duì)基坑產(chǎn)生影響進(jìn)而造成建筑物位移的變化。

圖7 金都花園2號(hào)樓房部分測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線(xiàn)

5 結(jié)論

(1)采用伺服系統(tǒng)的鋼支撐受力較為平穩(wěn),并沒(méi)有發(fā)生較大波動(dòng),最終受力在1 000 kN左右。伺服系統(tǒng)鋼支撐的使用會(huì)引起臨近的混凝土支撐受力發(fā)生較大變化,在實(shí)際施工中應(yīng)注意控制伺服閾值的設(shè)定。

(2)伺服鋼支撐系統(tǒng)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中能夠有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

(3)距基坑較近的金都花園和云桂花園兩棟樓房隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移均不斷在增大,但始終控制在預(yù)警范圍之內(nèi),滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。采用伺服鋼支撐不僅可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,還能對(duì)周?chē)ㄖ镒冃纹鸬揭种谱饔谩?/p>