钢支撑轴力伺服系统在车站深基坑支护的应用

周石喜，王新线

（深圳地铁建设集团有限公司，广东深圳 518026）

近年来，深圳市轨道交通工程已进入高速发展阶段，在施工过程中，城市轨道交通工程与城际铁路出现相互立体交叉在所难免，特别是在已运营城际铁路线下方进行深基坑开挖施工作业，很容易对周边土体产生扰动，使铁路桩基和桥墩呈现偏向车站的倾斜、弯曲、沉降等，严重时可能出现桥墩失稳破坏，危及城际铁路运营安全。

城市轨道交通工程对既有城际铁路的影响随着城市发展会日益频繁，如何在保证既有城际铁路正常运营前提下，完成城市轨道交通车站深基坑施工是急需解决的问题，这就需要在施工前各项技术措施到位，施工中应用自动化监测技术实时反馈，形成一套完整的设计、施工、监测体系。目前，已有不少研究人员对城市轨道交通基坑的近接施工技术进行探究，取得了丰硕的成果，但对于钢支撑轴力伺服系统这项新技术的相关研究仍然较少。

以深圳市轨道交通工程12号线和平站为例，该车站与穗莞深城际铁路桥梁下方呈十字交叉，互为换乘站，地铁车站基坑邻近桥梁桩基，铁路桥梁保护要求十分严格。为保障城际铁路的正常运行，地铁工程采用先加固处理后施工的理念，在隔离柱及桥墩加固完成后，再进行线下的地铁车站深基坑施工。施工阶段，重点采用钢支撑轴力伺服系统，以自动化监测技术实时反馈为主要控制手段，控制效果极好，对类似工程具有很好的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 车站位置

和平站位于松福大道与桥和路交叉路口，沿桥和路下方呈东西向敷设，与穗莞深城际铁路和平站换乘，两线成正交。站址处原始地貌为滨海滩涂，现已被人工堆填整平为市政道路，周边主要建构筑物密集。车站长230.5 m，标准段宽度为21.1 m，底板埋深约16.8～18.7 m，顶板覆土约3 m。此处穗莞深城际铁路上部结构为 2 联（40 m + 60 m + 35 m）连续梁，墩号为 29#～32#墩，地铁和平站在30#和31#桥墩之间明挖下穿通过。

穗莞深城际铁路和平站桥下部结构均为拱型门架墩，墩高均为 14 m，承台尺寸为 10.5 m×18.5 m×3 m，加台尺寸 5 m×15.6 m×1 m，30#墩桩基为φ1.5 m 的摩擦桩，梅花形布置，桩长为60 m，31#墩桩基为φ1.5 m 的嵌岩桩，梅花形布置，桩长为40.5 m。地铁和平站主体结构距离30#和31#墩承台最近距离分别为7.8 m、19.6 m（图1），A、B出入口距离30#墩承台最近距离分别为 20.1 m、24.9 m， C、D 出入口距离 31#墩承台最近距离分别为 19.5 m、25.5 m。

1.2 工程水文地质

场地揭露到的地层主要有第四系全新统人工堆积层、第四系全新统海陆交互相冲积层、第四系上更新统冲洪积层、第四系残积层、加里东期混合花岗岩。主要地层包括填块石、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥、全风化混合花岗岩等。

根据其赋存介质的类型，场地地下水主要有3种类型：第1种是赋存于第四系人工填土层中的上层滞水，主要赋存于填砂、填块石层中；第2种是孔隙潜水，赋存于第四系海陆交互相沉积含有机质砂，第四系上更新统冲洪积粉砂、细砂、中砂、砾砂中，残积砂质黏性土及黏性土层中含少量孔隙潜水，具微承压性；第 3 种为基岩裂隙水，主要赋存于基岩强-中等风化带中，为基岩裂隙承压水，富水性因基岩裂隙发育程度、贯通程度及胶结程度而变化。

和平站地层属于软弱地层，含水量高，孔隙比大，结构松软，承载力低，容易引起地基变形和失稳。

1.3 车站深基坑设计

按基坑施工对桥梁的影响程度将和平站基坑纵向分为下穿段和标准段。下穿段地下连续墙厚1 200 mm，标准段地下连续墙厚800 mm。下穿段共设置5道支撑（1 道混凝土、4道钢）+ 1道换撑，并设置了钢围檩和中立柱，标准段为3道支撑（1道混凝土、2道钢），无钢围檩和中立柱。城铁30#、31#承台四周设置φ800 mm、间距 1 000 mm 隔离桩 +φ600 mm 旋喷桩止水，30#、31#墩隔离桩与地连墙之间采用φ600 mm、间距450 mm旋喷桩加固，加固深度为坑底以下1 m处。

另外，为避免地下连续墙出现过大坑内位移导致周围地层变形太大，在下穿段选用了钢支撑轴力伺服系统，通过实时补加支撑推力使地下连续墙变形维持在安全范围内。

标准段和下穿段基坑支护见图2、图3。

2 车站深基坑施工

2.1 铁路桥梁桩基的加固

为避免桥墩位置出现较大变形，基坑围护结构与桥墩间采用了隔离桩+旋喷桩的加固形式。其中30#桥墩基础的加固方案见图4。为验明该方案的效果，将隔离桩测斜结果与最近位置处的地下连续墙测斜孔进行了对比（图5），图5中ZQT表示地下连续墙测斜孔，GLZCX表示桥墩与地下连续墙之间布置的隔离桩测斜孔。

图1 和平站与穗莞深城际平面示意图（单位：m）

图2 标准段基坑支护（单位：m）

图3 下穿段基坑支护（单位：m）

图4 30#桥墩基础加固方案

图5 下穿段底板完成时同侧隔离桩、地下连续墙测斜对比

由北侧隔离桩测斜结果可看到，该侧隔离桩的水平变形趋势与地下连续墙一致，位移整体上小于地下连续墙。对各测孔的位置观察可发现，该侧隔离桩最大坑外变形随着旋喷桩加固区域宽度的增加而逐渐减少，说明旋喷桩加固对地层变形具有良好控制效果。而南侧隔离桩的变形整体极小，两个方向的最大变形都在1 mm左右，相对于同侧地下连续墙，坑外变形降幅高达94.3%，这与大面积的旋喷加固范围有明显关系。

2.2 车站深基坑开挖

2.2.1 分区开挖

由于下穿段位于基坑中部，在考虑开挖顺序时，一般有2种方案：先开挖中间后开挖两端和先开挖两端后开挖中间。由于基坑开挖会使坑外一定范围内地层出现卸荷变形，若采用先开挖两端后开挖中间的开挖顺序，将使下穿段范围内的地层出现坑内水平位移以及地表沉降，从而对邻近桥墩产生明显影响。但若先开挖中部及时支撑，只要支撑推力充足，标准段的土体开挖对邻近桥墩的影响将大幅减少，从而保证了基坑开挖过程的安全。

因此，为降低对邻近桥墩的影响，在和平站基坑施工中，选择了先开挖下穿段后开挖标准段的开挖顺序，并辅以能提供充足顶推力的钢支撑轴力伺服系统，桥墩变形控制效果显著。

2.2.2 先撑后挖

大量施工经验表明，基坑开挖过程中，支撑施作不及时，继续开挖将使未加撑段处的地下连续墙坑内变形迅速增大，若地层软弱，将极易引起基坑失稳，导致坍塌事故的发生。这是因为在土体挖去后，坑内由土体提供的水平支撑力消失，在坑外土压力的作用下，围护结构将迅速向坑内方向变形，这时，若存在横向支撑结构，其顶推力将替代挖去土体的水平支撑力，达到抑制围护结构变形的目的，但若在开挖到支撑设计标高后不及时加撑，围护结构的坑内位移趋势将难以得到控制，将极大地增加施工风险，同时也不利于地层变形的控制。在基坑开挖中尤其是变形控制要求严格的工程，需严格按照先支撑再开挖的原则开展基坑施工。

2.2.3 及时封闭

大多数情况下，在开挖至坑底后，由于卸荷回弹作用，基坑底部将出现明显隆起，这种隆起由于卸荷后土颗粒间的调整会在较长一段时间内持续增加，若不及时对这种趋势加以控制，将引起坑底地下连续墙变形增大，进而影响到邻近桥梁桩基。因此，在和平站基坑中，开挖至坑底标高后，及时浇筑垫层，并开展主体结构底板施作，尽早完成底板施工，使基坑封闭，避免围护结构及地层的变形继续发展。

2.3 钢支撑轴力伺服系统

2.3.1 工作原理

钢支撑轴力伺服系统是由硬件设备和软件程序共同组成的一套智能基坑水平位移控制系统，它适用于基坑开挖过程中对基坑侧壁的变形有严格控制要求的工程项目，可以24 h实时监控，低压自动伺服，高压自动报警，对基坑提供全方位多重安全保障。工作原理是通过对支撑轴力、围护结构变形及温度的实时监测，从而及时对钢支撑轴力进行补偿、调整，是一种新型自动化控制系统。该系统具有以下优势。

（1）围护结构收敛变形控制效果显著，安全性高。通过预设轴力值和预警值，当轴力不足自动补偿，轴力过大及时预警，根据围护结构位移情况随时调整钢支撑轴力，达到严格控制围护结构变形，保证基坑施工安全的目的。

（2）在基坑开挖阶段可适当减少监控量测人力的投入。轴力伺服系统安装完成投入使用后，可以对钢支撑的轴力、支撑端处围护结构位移进行实时量测，可以避免人工量测不能及时反映轴力数据的弊端。

（3）围护结构水平位移测量精度高。千斤顶端头加装超声波位移传感器，用以监测钢支撑内部千斤顶的位移，并在支撑端头下方的两侧围护结构处安装激光位移收敛计，获取基坑的位移收敛值，从而反馈地下连续墙墙体测斜，提高测量精度。

（4）施加轴力后具有充足的安全保障。采用液控单向阀、电磁截止阀、分离双机械锁作为保压措施，预防千斤顶等部件故障后导致钢支撑失压失稳。

（5）减小了深基坑支护墙体垂直测斜。在软弱地层深基坑开挖区域效果显著，对比普通钢支撑内支撑系统，地下连续墙墙体测斜可以相对减小20 mm左右。

（6）监测结果获取方便。实时量测结果可直接在远程控制室查看，无需人工专门读数，节省了后续量测所需的人力。

和平站在桥下区域采用4道钢支撑轴力伺服系统代替传统钢支撑，可随时解决钢支撑轴力损失的补偿问题，并实现钢支撑轴力、围护结构变形的实时监控，在实施内支撑系统随基坑变形同步调整的同时，极大地减小了基坑开挖对周围环境的影响。

轴力伺服系统工作状态示意图如图6所示。

2.3.2 实际控制效果

图6 轴力伺服系统工作状态示意图

和平站基坑施工中，钢支撑轴力伺服系统在地表沉降和围护结构水平变形的控制上效果非常显著。根据和平站现场监测结果，提取了标准段4个断面的坑外地表沉降结果（图7）。

从图7中可看到，在标准段地下连续墙墙顶外，随着开挖、加撑工序的继续进行，地表沉降基本呈增大趋势，在开挖至坑底时地表沉降陡然增加，从第3道支撑完成时最大10 mm，增大到最大接近80 mm的沉降。从基坑边缘开始向外，大部分工序的地表竖向位移曲线都满足“凹槽形”特点，即地表沉降随着距基坑边缘距离的增加先增加后减少。

图7 标准段地表沉降

图8 下穿段地表沉降

图8为下穿段4个断面的坑外地表沉降情况。由图8可知，在下穿段地下连续墙墙顶外，随着开挖、加撑工序的继续进行，地表沉降也基本呈增大趋势。从基坑边缘开始向外，大部分工序的地表竖向位移曲线也都满足“凹槽形”特点。与非下穿段不同的是，虽然在架设第1道混凝土支撑时造成了较大的地表沉降，但是之后每个工序造成的地表沉降量增量较小。在架设第1道混凝土支撑时，地表最大沉降大多超过了10 mm，约高出非下穿段相同工况下最大地表沉降1倍以上，这可能是高架桥自重作用下产生的高地应力场造成的。而在之后每个工序造成的地表沉降量增量较小，说明钢支撑轴力伺服系统发挥了作用，有效地抑制了地表沉降量的增长。

图9给出了标准段的6个地下连续墙测斜孔的变形结果。图9中可看到，在非下穿段，随着深度的增加，地下连续墙先向坑内方向移动，在某一深度处达到最大坑内位移后，又开始向坑外移动，多数形似抛物线。底板完成以后，地下连续墙的最大坑内位移基本位于20～40 mm的区间内。

在下穿段，随着基坑的继续开挖，下穿段地下连续墙上部墙身将出现2种变化情况：①先向坑内方向移动再向坑外方向移动；②该范围内墙体始终处于向坑外移动的趋势。无论是上述哪种情况，在基坑开挖完成后，地表附近的地下连续墙均处于坑外变形的状态。当挖至坑底时，墙身的最大坑外位移基本处于10～20 mm的区间中。与非下穿段的情况相比，下穿段墙身的最大水平位移明显较小，说明钢支撑轴力伺服系统发挥了作用，有效地抑制了地下连续墙水平位移的发展（图10）。

3 信息化监测结果

基于地下连续墙位移、横撑轴力、基坑与桥墩间地面沉降、深层土体位移、地下水位、桥墩水平位移和沉降等现场监测数据，展开不同类型地下连续墙变形结果的统计分析，并对和平站基坑开挖过程中地下连续墙、钢支撑、地层和桥墩的位移变化规律进行探究，根据监测数据分析，在基坑施工中，地下连续墙的位移情况分析如下。

图9 标准段地下连续墙测斜曲线

（1）非下穿段最大坑内变形主要集中于墙顶下方1/5～3/5的地下连续墙高度的范围内，设计时可对该高度范围的支撑轴力进行加强以降低坑内位移。

（2）非下穿段最大坑外变形仅在3个区间中出现，且基本发生于地下5 m区间以内。

（3）下穿段地下连续墙最大坑内变形主要发生于墙顶下方2/5～4/5的地下连续墙高度范围内，表明在变形控制措施作用下，最大坑内变形发生下移。

（4）下穿段绝大多数最大坑外变形发生于墙顶以下2/5高度以内。

地下连续墙最大位移对应深度分布区间统计如图 11、图12所示。

图10 下穿段地下连续墙测斜与标准段地下连续墙测斜曲线对比图

4 结论

（1）和平站所处地质为填海区深厚淤泥地层，含水量高，流动性较大，地质情况极差。从地下连续墙及隔离桩施工及监测数据分析，成桩及成墙过程中，虽然淤泥受扰动面较小，变形空间有限，但地表沉降及地下水变化加大，施工前应对隔离桩及地下连续墙淤泥层采取槽壁加固及稳固措施。

（2）应严格按照“分区开挖、先撑后挖、及时封闭”等原则，开展基坑开挖工作，及时避免围护结构及地层出现过大的变形，保障基坑及邻近区域的安全。

（3）钢支撑轴力伺服系统可随时监测基坑变化，并随时预加轴力，较人为监测及加力情况在时间上做到了主动，是控制基坑变形及周边桥墩变形的有效控制措施，建议在地层敏感或周边建筑物复杂区域优先选用。

（4）钢支撑轴力伺服系统在和平站基坑施工中对地表沉降及围护结构的变形控制起到了显著作用，与标准段对比发现，伺服系统极大减少了基坑开挖引起的地层、结构变形，并使地下连续墙出现独特的变形特点。

（5）在软弱敏感地层中进行基坑施工作业时，建议加密监测，以监测数据指导施工，严防出现被动控制情况，并做好施工应急预案，与铁路部门密切配合, 发现异常及时采取处理措施, 确保铁路运营安全。

图12 下穿段地下连续墙最大位移对应深度分布

（6）随着隔离桩间距增大，桥墩的沉降整体呈增大趋势。而隔离桩倾斜在隔离桩净距与直径之比从1.25增至1.5时，发生了突增，在该范围外倾斜仅小幅波动。随着隔离桩直径的增加，桥墩沉降整体减小，在0.6～1.1 m的范围内变化较缓。桥墩倾斜随直径增加先减小，在0.6 m后又出现小幅增长，但直径超过0.9 m后倾斜继续减小。