魏建華 鹿存亮 羅成恒 尹 驥

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200093）

0 引言

城市中心區(qū)建筑日趨密集，導(dǎo)致許多新建工程基坑緊鄰已有敏感的建（構(gòu)）筑物，控制基坑變形及其對(duì)周邊環(huán)境和既有敏感建（構(gòu)）筑物的影響已成為目前深基坑工程研究的熱點(diǎn)之一[1-2]。

軟土深基坑通常在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置鋼支撐或者混凝土支撐作為控制基坑變形的手段，但這兩種內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系在不施加預(yù)應(yīng)力的情況下屬于被動(dòng)受力系統(tǒng)，需要圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形后才能提供充足的抗力，難以滿足日益嚴(yán)格的變形控制要求[3-5]。裴 捷等[6]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基坑寬度接近100 m 時(shí)，內(nèi)支撐剛度急劇下降，溫度影響明顯上升，常規(guī)的鋼支撐或混凝土支撐都很難將基坑側(cè)壁水平位移控制在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許范圍之內(nèi)，而預(yù)應(yīng)力支撐能更有效地控制這種超大基坑的水平位移，是軟土深大基坑的最佳內(nèi)支撐形式。姚燕明等[7]結(jié)合某深基坑工程，分析了支撐剛度及預(yù)加軸力對(duì)基坑變形和內(nèi)力的影響，得出增大支撐剛度和支撐預(yù)加軸力可以有效地控制地下連續(xù)墻變形的結(jié)論。

鋼支撐施工過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力損失，特別是基坑規(guī)模較大、支撐長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況下，控制變形效果不理想[8-9]。裴 捷等[6]引入大跨度預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)，并全面采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變形控制的目的。賈 堅(jiān)等[10]在敏感隧道保護(hù)區(qū)劃分出長(zhǎng)條形基坑，控制鋼支撐長(zhǎng)度，并引入軸力伺服控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)控制鋼管支撐軸力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制基坑變形。

目前，軟土地區(qū)深大基坑工程多采用混凝土支撐體系，相較于鋼支撐，混凝土支撐整體性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀和深度的基坑[11-12]。但是，混凝土支撐也存在下列缺點(diǎn)：①混凝土支撐屬于被動(dòng)受力體系，無法有效調(diào)控變形；②當(dāng)基坑規(guī)模較大時(shí)，特別是支撐長(zhǎng)度達(dá)到100 m 以上時(shí)，混凝土支撐剛度明顯偏?。虎刍炷林未嬖陴B(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、收縮徐變大、受溫度影響大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致支撐剛度下降，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形[13-15]。

為了解決上述混凝土支撐的不足，將預(yù)應(yīng)力伺服控制系統(tǒng)引入混凝土支撐體系，結(jié)合某軟土深基坑工程案例，介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土伺服支撐技術(shù)的實(shí)施情況，并總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，為大規(guī)模軟土深基坑支護(hù)工程提供參考。

1 工程概況

項(xiàng)目位于上海市虹口區(qū)北外灘，北鄰城市主干道海寧路，西接河南北路?；娱_挖總面積約7016 m2，普遍區(qū)域挖深19.90 m，西側(cè)減層區(qū)域挖深為10.95 m。項(xiàng)目周邊環(huán)境較為復(fù)雜，西側(cè)基坑邊線距離地鐵10 號(hào)線隧道邊線最近處約7.1 m，北側(cè)基坑邊線距離在建北橫通道隧道（直徑15 m）最近處約19.1 m（見圖1）。

圖1 基坑平面圖

本工程場(chǎng)地地貌屬于濱海平原?；娱_挖影響深度范圍內(nèi)的地層主要以黏質(zhì)粉土和黏土為主。場(chǎng)地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，水位埋深為地表以下0.5 m；深部承壓水主要賦存于第⑦層砂質(zhì)粉土，承壓水水頭埋深3.5～3.8 m，A 區(qū)基坑存在突涌的風(fēng)險(xiǎn)。各層土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)方案

基坑開挖深度較大，西側(cè)、北側(cè)鄰近重要市政工程，基坑施工需要確保這些城市生命線的絕對(duì)安全。為此，基坑設(shè)計(jì)整體思路采用“分區(qū)順作”的施工步驟，如圖1 所示，將整個(gè)基坑劃分為A、B1、B2 三個(gè)基坑，施工流程為先施工遠(yuǎn)離地鐵的大坑A 區(qū)，待A區(qū)出地面后再依次施工B1 區(qū)和B2 區(qū)。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

本基坑安全等級(jí)為一級(jí)，采用“地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐”支護(hù)體系。A 區(qū)基坑地下連續(xù)墻厚度1.2 m，深度48 m，設(shè)置5 道鋼筋混凝土支撐；B 區(qū)基坑地下連續(xù)墻厚度1.0 m，深度28 m，設(shè)置1 道鋼筋混凝土支撐和2 道鋼管支撐，并對(duì)坑內(nèi)土體進(jìn)行了加固?；?xùn)|西向典型支護(hù)剖面見圖2。

圖2 基坑?xùn)|西向典型支護(hù)剖面圖（單位：mm）

2.2 伺服支撐系統(tǒng)

考慮到A 區(qū)東西向長(zhǎng)度達(dá)到109 m，基坑時(shí)空效應(yīng)明顯，基坑支撐的壓縮變形、徐變及溫度變形等不容忽視，為了消除這些變形，在A 區(qū)基坑西側(cè)第3道-第5 道支撐設(shè)置了預(yù)應(yīng)力伺服控制系統(tǒng)。

預(yù)應(yīng)力伺服系統(tǒng)平面布置范圍見圖3，第3 道布設(shè)25 個(gè)千斤頂，第4 道及第5 道每層布設(shè)32 個(gè)千斤頂。鋼筋混凝土支撐不同于鋼支撐，無法在每根對(duì)撐的端部設(shè)置預(yù)應(yīng)力加載及控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中采取了雙圈梁的措施，具體做法見圖4。其中伺服主動(dòng)控制系統(tǒng)包括液壓千斤頂集成箱、液壓泵站以及自動(dòng)控制軟硬件系統(tǒng)，通過該主動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐體系應(yīng)力的精確加載以及伺服調(diào)整。

圖3 基坑A 區(qū)伺服系統(tǒng)平面布置圖

圖4 混凝土支撐預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)詳圖（單位：mm）

未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的傳力路徑為：坑外水土壓力→地下連續(xù)墻→外圈梁→支墩→內(nèi)圈梁→對(duì)撐；施加預(yù)應(yīng)力以后的傳力路徑為：坑外水土壓力→地下連續(xù)墻→外圈梁→千斤頂→內(nèi)圈梁→對(duì)撐。

本項(xiàng)目支撐采用較為規(guī)整的十字交叉布置形式，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)西側(cè)增加?xùn)|西向預(yù)應(yīng)力后，支撐內(nèi)力分布形式會(huì)發(fā)生一定的變化，靠近西側(cè)的南北向桿件會(huì)有較為明顯的側(cè)向位移及內(nèi)力增加的情況。為了增加支撐剛度以及協(xié)調(diào)變形，在西側(cè)內(nèi)圈梁向支撐過渡區(qū)域額外設(shè)置了2 m 寬的加強(qiáng)板帶。同時(shí)，該加強(qiáng)板帶可以作為預(yù)應(yīng)力控制系統(tǒng)安裝及拆卸時(shí)的工作平臺(tái)。

2.3 不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果

在不考慮坑內(nèi)外土體加固情況下，A 區(qū)典型剖面在不施加預(yù)應(yīng)力開挖到坑底工況下的地下連續(xù)墻內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果如圖5（a）所示；當(dāng)?shù)? 道-第5 道分別施加預(yù)應(yīng)力1200 kN/m、990 kN/m 和990 kN/m，基坑開挖到坑底工況下，A 區(qū)典型剖面地下連續(xù)墻內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果如圖5（b）所示，地下連續(xù)墻變形及內(nèi)力匯總見表2。

表2 地下連續(xù)墻內(nèi)力及變形匯總表

圖5 不同工況下地下連續(xù)墻內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知：（1）施加預(yù)應(yīng)力后，地下連續(xù)墻的位移明顯減小，最大位移由35.7 mm 減少為18.3 mm；（2）施加預(yù)應(yīng)力后，地下連續(xù)墻迎坑面彎矩小幅度減小，但是迎土面彎矩和剪力顯著增加；（3）第3-第5 道支撐施加預(yù)應(yīng)力后，對(duì)上部支撐影響較大，第2 道由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，需要額外關(guān)注。

3 實(shí)施方案

3.1 實(shí)施過程

預(yù)應(yīng)力混凝土支撐伺服系統(tǒng)實(shí)施步驟如下：

鋼筋、預(yù)埋件及圈梁施工→設(shè)備進(jìn)場(chǎng)及吊裝→圈梁澆筑完成5 天后，開始安裝設(shè)備（包括千斤頂、油路及控制系統(tǒng)）→圈梁澆筑完成7 天后，開始預(yù)應(yīng)力施加→施工監(jiān)測(cè)→根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)加力→回筑階段，拆除預(yù)應(yīng)力控制系統(tǒng)。

本項(xiàng)目于2021 年9 月25 日澆筑完成首道支撐，2021 年12 月23 日完成A 區(qū)底板澆筑，受疫情影響，2022 年11 月8 日A 區(qū)主體結(jié)構(gòu)施工至地面，總體施工較為順利。預(yù)應(yīng)力混凝土支撐伺服系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施場(chǎng)景見圖6。

圖6 預(yù)應(yīng)力混凝土支撐伺服系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

3.2 預(yù)應(yīng)力施加及調(diào)整

A 區(qū)基坑第3 道-第5 道支撐分別設(shè)置25、32、32 個(gè)千斤頂，預(yù)應(yīng)力加載及調(diào)整過程見圖7。每道支撐伺服過程可分為加載階段、維持荷載階段及動(dòng)態(tài)調(diào)整階段。加載階段按照每300 kN 一級(jí)進(jìn)行緩步加載，然后穩(wěn)定荷載，進(jìn)行下一步土方開挖。第3道-第5 道支撐單個(gè)的千斤頂最大加載值分別為3300 kN、2700 kN 及2700 kN，按照千斤頂?shù)臄?shù)量及間距，可近似等同于每道分別施加預(yù)應(yīng)力1200 kN/m、990 kN/m 和990 kN/m。

圖7 預(yù)應(yīng)力加載及動(dòng)態(tài)調(diào)整過程圖

在施工過程中，根據(jù)地下連續(xù)墻測(cè)斜、支墩脫開間隙、上下支撐軸力以及隧道變形等情況動(dòng)態(tài)調(diào)整支撐力：（1）第3 道支撐加載并維持荷載3300 kN 一段時(shí)間后，第2 道支撐西側(cè)圈梁和地下連續(xù)墻出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，將裂縫灌漿填充后及時(shí)卸載，將支撐荷載最終維持在2400 kN；（2）第4 道加載并維持2700 kN，在第5 道加載共同作用下，西側(cè)地下連續(xù)墻普遍出現(xiàn)負(fù)位移后，將第4 道千斤頂卸載到2400 kN；（3）第5 道先加載到2400 kN，為了減少后續(xù)拆撐變形將預(yù)加力提高到2700 kN，在此情況下完成底板的澆筑。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為全面反映該系統(tǒng)對(duì)基坑的影響，在項(xiàng)目實(shí)施過程中全面布設(shè)了各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并且增加了監(jiān)測(cè)頻率。限于篇幅，僅對(duì)部分典型位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，其平面布置見圖8。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

4.1 加載過程地墻側(cè)斜

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控每一次預(yù)應(yīng)力調(diào)整后地墻的變形情況，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)在每次加載完畢后，按照不超過3 小時(shí)測(cè)一次的頻率進(jìn)行測(cè)斜。選取西側(cè)靠近B1 區(qū)中部CX38 側(cè)斜點(diǎn)為例，其每級(jí)加載階段前后變形如圖9 所示。由圖9 可見，在預(yù)應(yīng)力施加前后，地下連續(xù)墻會(huì)產(chǎn)生明顯的向坑外移動(dòng)的趨勢(shì)，在持續(xù)加載的作用下，甚至?xí)a(chǎn)生一定的負(fù)位移，地墻變形由“鼓肚”形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝”形。

圖9 每道支撐預(yù)應(yīng)力加載前后CX38 測(cè)斜曲線圖

4.2 不同邊界下地墻側(cè)斜

本項(xiàng)目在重點(diǎn)保護(hù)的西側(cè)布設(shè)了預(yù)應(yīng)力控制系統(tǒng)，不同階段各區(qū)域地連墻變形情況如圖10 所示。由圖10 可見，在未施加預(yù)應(yīng)力的南北側(cè)（CX6、CX13），隨著基坑挖深不斷增加，墻體位移不斷增大，地墻變形的實(shí)測(cè)值明顯大于理論計(jì)算值，基坑開挖到坑底時(shí)南北兩側(cè)最大側(cè)向位移分別達(dá)到了81.72 mm、100.46 mm；在緊鄰預(yù)應(yīng)力的西側(cè)（CX38、CX43），由于有預(yù)應(yīng)力的作用，墻體位移不但沒有隨著基坑挖深的加大而繼續(xù)增加，還出現(xiàn)了一定的負(fù)位移；東側(cè)墻體位移（CX10）則隨著基坑挖深的增加小幅度增加，表明在西側(cè)增加預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)對(duì)東側(cè)墻體位移有控制作用。本項(xiàng)目地下連續(xù)墻為兩墻合一復(fù)合墻，考慮換撐工況，施工至地面時(shí)，西側(cè)地下連續(xù)墻測(cè)斜維持在-6.81～15.27 mm，滿足復(fù)合墻垂直度要求。從整個(gè)基坑施工過程來說，采用預(yù)應(yīng)力混凝土伺服支撐的區(qū)域能很好地控制基坑變形。

圖10 不同階段各區(qū)域地連墻深層位移曲線圖

4.3 西側(cè)地鐵隧道變形

本項(xiàng)目基坑及地下結(jié)構(gòu)施工期間，對(duì)基坑西側(cè)運(yùn)營中的地鐵10 號(hào)線隧道實(shí)施了監(jiān)測(cè)（見圖8），A區(qū)基坑第一道支撐開始施工至基坑開挖到坑底階段地鐵10 號(hào)線隧道典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線見圖11，典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)收斂曲線見圖12。

圖11 地鐵10 號(hào)線隧道沉降曲線圖

圖12 地鐵10 號(hào)線隧道收斂曲線圖

由圖11、圖12 可知，扣除前期圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間的擾動(dòng)，從基坑開挖到底板澆筑完成階段，基坑開挖引起的地鐵10 號(hào)線上行線附加沉降為1～3 mm，下行線附加沉降約為1 mm，上行線附加收斂變形為6～7 mm，下行線附加收斂變形約為2 mm，表明基坑開挖對(duì)其影響很小，變形在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目基坑開挖較深，基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，設(shè)計(jì)采用分區(qū)順作的思路，在大坑中采用了預(yù)應(yīng)力混凝土支撐伺服控制技術(shù)，取得了如下經(jīng)驗(yàn)：

（1）混凝土支撐采用預(yù)應(yīng)力伺服控制技術(shù)，可消除大部分基坑變形，包括地墻部分已有變形、混凝土支撐壓縮變形、混凝土支撐徐變變形等，可有效控制軟土深基坑位移。

（2）雙圈梁傳力體系安全可靠。外圈梁可將預(yù)應(yīng)力均勻傳遞至地連墻；內(nèi)圈梁設(shè)置一定寬度加強(qiáng)板，有助于增加安全性、協(xié)調(diào)支撐變形、方便施工；兩道圈梁的間距要和千斤頂型號(hào)匹配；支墩作為前期傳力結(jié)構(gòu)及后期安全儲(chǔ)備，前期必須隔離，后期應(yīng)及時(shí)灌縫。

（3）支撐拆模后，應(yīng)盡快安裝預(yù)應(yīng)力控制系統(tǒng)，3～5 天內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，可根據(jù)支撐強(qiáng)度分級(jí)加載；預(yù)應(yīng)力的大小需要綜合計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合確定，動(dòng)態(tài)調(diào)整。