钢支撑自动伺服系统对周边环境的影响实测与分析

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

0 引言

我国软土地区如上海、苏州等地，在轨道交通、保护建筑等复杂环境周边兴建的建（构）筑物越来越多，在城市施工中对周边环境影响的控制日趋严格，基坑施工尤其是开挖过程中对变形（水平侧移和竖向沉降）控制的要求也越来越高。

目前已有多个项目采用钢支撑自动轴力伺服系统（简称SBASS），也取得了一定的成效，本文在理论上假设同基坑钢支撑的多种不同情况，通过有限元分析模拟得出水平侧移和竖向沉降理论数据，并与多个工程实例中运用后得出的周边环境影响的实际监测数据进行比较和分析。

1 自动伺服系统介绍

钢支撑自动伺服系统是一套运用于深基坑钢支撑上，通过DCS系统对钢支撑轴力进行监测，并根据设计应力值自动增加或减少轴力的系统。

根据其功能特点的不同分为液压动力控制系统、钢支撑轴力伺服执行系统（由钢箱体、钢支架平台、千斤顶组成）、电气与监控系统（由总监控操作站、就地控制站组成）共3个部分（图1）。其具有如下特点[1-4]：

图1 钢支撑轴力伺服系统结构原理示意

1）可实现支撑轴力实时自动监测及自动补偿；

2）系统采用了机械与液压双自锁设计，安全可靠；

3）伺服系统结构简单，施工安装、拆卸便捷；

4）正常工作时，液压站与油管无压力，安全高效；

5）可实现24 h全天候远程网络监控及报警。

SBASS应用的范围通常为周边存在对安全性要求较苛刻的工程或项目（如周边存在轨交、高密度老旧居民区、保护性建筑等），适用于深基坑或一般基坑中的钢支撑施工（图2）。

图2 钢支撑轴力伺服系统的运用

2 理论分析

钢支撑自动伺服系统是一个新事物，国内运用较少，且无相应规范可循，使用经验也较少，过去施工的个别工程无法准确凸显其效果。

为了模拟钢支撑自动伺服系统运用后可能对围护结构侧移和坑外地表沉降产生的影响，选择同基坑钢支撑的不同情况分别建立有限元模型：

1）情况1：钢支撑全部采用自动伺服系统；

2）情况2： 一半钢支撑采用自动伺服系统；

3）情况3：钢支撑间隔采用自动伺服系统；

4）情况4：单一某道钢支撑采用自动伺服系统。

经过有限元的模拟分析，得出分析结果如表1所示。

表1 有限元分析值

从有限元分析可以看出，运用钢支撑自动伺服系统可以有效地控制钢支撑的轴力，将钢支撑本身应力消散变形或温差应变变形的影响明显降低，钢支撑全部采用自动伺服系统的效果最好，一半使用的次之，间隔使用的再次之，单一某道使用的效果最差，但仍符合规范规定的围护结构侧移及坑外地表沉降数值（一级基坑围护结构最大侧移0.18%H，坑外地表最大沉降0.15%H，H为开挖深度）。拟选取几个实际施工案例与有限元理论分析值进行比较。

3 工程实际测试

分别选择苏州新光三越百货项目、上海轨交13号线淮海中路站等4个周边环境复杂的一级基坑工程实例作为样本进行监测及数据收集。

3.1 苏州新光三越百货项目

该项目（实例1）位于苏州工业园区，南侧近轨交区间处划分为4个宽20 m、深19 m的基坑，距离轨交区间最近处9.15 m，轨交区间埋深位于第4道钢支撑所处位置。该项目共有5道支撑（第1道为混凝土支撑，第2～5道为钢支撑），164根钢支撑全部采用自动伺服系统（图3、图4）。

图3 墙体测斜示意

图4 土体位移沉降示意

根据监测数据，轨交区间侧墙体测斜在14.40 mm范围内，轨交区间侧土体测斜控制在14.90 mm范围内，满足设计要求。

3.2 上海轨交13号线淮海中路站

该项目（实例2）位于上海黄浦区瑞金一路以东，淮海中路以北的地块内，周边有多层普通结构民房，地理位置特殊。端头井开挖深度32.80 m，标准段开挖深度30.90 m，地下6层结构，标准段共有9道支撑（第1道为混凝土支撑，第4、6、8道为框架逆作板，第2、3、5、7、9道为钢支撑），其中第5、7、9道钢支撑（第9道为双拼）采用自动伺服系统。

根据监测数据采集，地下连续墙墙体测斜在32.80 mm范围内，土体测斜在31.50 mm范围内，满足设计要求。

3.3 上海轨交12号线大木桥路站

本项目（实例3）位于上海大木桥路、零陵路交叉口，与已建成运营的轨道交通4号线呈“十”字形换乘，地下3层结构，车站主体标准段开挖深度为23.80 m，端头井开挖深度为25.40 m。主体标准段共7道支撑（第1、5道为混凝土支撑，其余为钢支撑），本工程仅第4、6道采用自动伺服系统。

根据监测数据，地下连续墙墙体测斜41.30 mm，土体测斜在35.90 mm范围内，满足设计要求。

3.4 上海世博会地区A片区“绿谷”地下空间工程

该项目（实例4）位于上海浦东世博园区A10地块，开挖深度在11.40～18.60 m之间，地下3层结构。Ⅱ区基坑靠近西藏南路隧道约9.50 m，开挖深度为15.30 m，基坑共4道支撑（第1道为混凝土支撑，第2～4道为钢支撑），仅第3道支撑部位采用钢支撑自动伺服系统，且支撑体系有钢围檩存在。

根据监测数据，地下连续墙墙体测斜在27.30 mm范围内，地下连续墙土体测斜在22.50 mm范围内，满足设计要求[5-7]。

4 对比结果分析

根据规范，一级基坑围护结构最大侧移0.18%H，坑外地表最大沉降0.15%H（H为开挖深度）。

对上述4个一级基坑的围护结构侧移、坑外地表沉降的规范值、有限元值与实际值进行对比分析，得出规范实测偏差如表2所示。

表2 围护结构侧移、坑外地表沉降对比分析

通过对规范数值、有限元值及实际测量数值的比较，我们发现虽然围护结构侧移及坑外地表沉降皆满足规范要求，然而有限元值相对实测值偏小，实测时由于多种情况的发生（如支撑不及时、降水、重车行走等）造成其比有限元值偏大，但仍满足规范的要求。

另外，伺服系统在不同使用情况下达到的效果也不一样，钢支撑全部使用伺服系统的效果最好，其次为一半使用伺服系统的情况，再次为跳用伺服系统的情况，最后为只有单道钢支撑使用伺服系统的情况。

钢支撑自动伺服系统目前由于市场需求不大、缺少竞争的原因，价格相对于传统钢支撑较高，本文提到的苏州新光三越百货项目相对成本增加51%，上海轨交13号线淮海中路站工程增加33%，上海轨交12号线大木桥路站工程增加15%，上海世博会地区A片区“绿谷”地下空间工程增加14%。因此，虽然自动伺服系统套数使用越多，效果越好，但同时也意味着成本相对越高（图5）。

图5 相对成本增加与沉降、偏移效果对比

5 结语

目前很多基坑位置位于市中心城区，周边有多层普通结构民房、轨道交通、保护建筑或地理位置特殊的基坑，传统钢支撑安装后，基坑可能因钢支撑本身应力消散变形或温差应变而变形。为了确保工程施工不影响到周边建（构）筑物安全，控制地面沉降及围护结构变形，采用钢支撑轴力自动补偿系统可以弥补钢支撑本身应力消散、温差应变等引起的变形，从而更好地控制基坑变形。除此之外，还可以通过轴力数据及墙体侧斜数据复核设计理论轴力的计算。

自动伺服系统成本较高，钢支撑全部使用该系统对于工程造价有一定的影响，根据基坑周边环境进行综合性分析后选用合适数量的自动伺服系统较为可取。