软土深基坑预应力混凝土伺服支撑设计与实践

魏建华 鹿存亮 罗成恒 尹 骥

（上海勘察设计研究院（集团）股份有限公司，上海 200093）

0 引言

城市中心区建筑日趋密集，导致许多新建工程基坑紧邻已有敏感的建（构）筑物，控制基坑变形及其对周边环境和既有敏感建（构）筑物的影响已成为目前深基坑工程研究的热点之一[1-2]。

软土深基坑通常在围护结构内部设置钢支撑或者混凝土支撑作为控制基坑变形的手段，但这两种内支撑结构体系在不施加预应力的情况下属于被动受力系统，需要围护结构产生一定变形后才能提供充足的抗力，难以满足日益严格的变形控制要求[3-5]。裴 捷等[6]研究发现，当基坑宽度接近100 m 时，内支撑刚度急剧下降，温度影响明显上升，常规的钢支撑或混凝土支撑都很难将基坑侧壁水平位移控制在设计和规范允许范围之内，而预应力支撑能更有效地控制这种超大基坑的水平位移，是软土深大基坑的最佳内支撑形式。姚燕明等[7]结合某深基坑工程，分析了支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响，得出增大支撑刚度和支撑预加轴力可以有效地控制地下连续墙变形的结论。

钢支撑施工过程中容易产生应力损失，特别是基坑规模较大、支撑长度较长的情况下，控制变形效果不理想[8-9]。裴 捷等[6]引入大跨度预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术，并全面采用预应力技术，实现了变形控制的目的。贾 坚等[10]在敏感隧道保护区划分出长条形基坑，控制钢支撑长度，并引入轴力伺服控制系统，通过实时控制钢管支撑轴力实现动态控制基坑变形。

目前，软土地区深大基坑工程多采用混凝土支撑体系，相较于钢支撑，混凝土支撑整体性好，能适应各种复杂形状和深度的基坑[11-12]。但是，混凝土支撑也存在下列缺点：①混凝土支撑属于被动受力体系，无法有效调控变形；②当基坑规模较大时，特别是支撑长度达到100 m 以上时，混凝土支撑刚度明显偏小；③混凝土支撑存在养护时间长、收缩徐变大、受温度影响大等缺点，导致支撑刚度下降，引起围护结构发生较大变形[13-15]。

为了解决上述混凝土支撑的不足，将预应力伺服控制系统引入混凝土支撑体系，结合某软土深基坑工程案例，介绍了预应力混凝土伺服支撑技术的实施情况，并总结相关施工经验，为大规模软土深基坑支护工程提供参考。

1 工程概况

项目位于上海市虹口区北外滩，北邻城市主干道海宁路，西接河南北路。基坑开挖总面积约7016 m2，普遍区域挖深19.90 m，西侧减层区域挖深为10.95 m。项目周边环境较为复杂，西侧基坑边线距离地铁10 号线隧道边线最近处约7.1 m，北侧基坑边线距离在建北横通道隧道（直径15 m）最近处约19.1 m（见图1）。

图1 基坑平面图

本工程场地地貌属于滨海平原。基坑开挖影响深度范围内的地层主要以黏质粉土和黏土为主。场地浅部土层中的地下水属于潜水类型，水位埋深为地表以下0.5 m；深部承压水主要赋存于第⑦层砂质粉土，承压水水头埋深3.5～3.8 m，A 区基坑存在突涌的风险。各层土物理力学指标见表1。

表1 土层的物理力学指标

2 设计方案

基坑开挖深度较大，西侧、北侧邻近重要市政工程，基坑施工需要确保这些城市生命线的绝对安全。为此，基坑设计整体思路采用“分区顺作”的施工步骤，如图1 所示，将整个基坑划分为A、B1、B2 三个基坑，施工流程为先施工远离地铁的大坑A 区，待A区出地面后再依次施工B1 区和B2 区。

2.1 支护结构

本基坑安全等级为一级，采用“地下连续墙+内支撑”支护体系。A 区基坑地下连续墙厚度1.2 m，深度48 m，设置5 道钢筋混凝土支撑；B 区基坑地下连续墙厚度1.0 m，深度28 m，设置1 道钢筋混凝土支撑和2 道钢管支撑，并对坑内土体进行了加固。基坑东西向典型支护剖面见图2。

图2 基坑东西向典型支护剖面图（单位：mm）

2.2 伺服支撑系统

考虑到A 区东西向长度达到109 m，基坑时空效应明显，基坑支撑的压缩变形、徐变及温度变形等不容忽视，为了消除这些变形，在A 区基坑西侧第3道-第5 道支撑设置了预应力伺服控制系统。

预应力伺服系统平面布置范围见图3，第3 道布设25 个千斤顶，第4 道及第5 道每层布设32 个千斤顶。钢筋混凝土支撑不同于钢支撑，无法在每根对撑的端部设置预应力加载及控制系统，设计中采取了双圈梁的措施，具体做法见图4。其中伺服主动控制系统包括液压千斤顶集成箱、液压泵站以及自动控制软硬件系统，通过该主动控制系统可以实现对支撑体系应力的精确加载以及伺服调整。

图3 基坑A 区伺服系统平面布置图

图4 混凝土支撑预应力系统详图（单位：mm）

未施加预应力时的传力路径为：坑外水土压力→地下连续墙→外圈梁→支墩→内圈梁→对撑；施加预应力以后的传力路径为：坑外水土压力→地下连续墙→外圈梁→千斤顶→内圈梁→对撑。

本项目支撑采用较为规整的十字交叉布置形式，计算结果表明，当西侧增加东西向预应力后，支撑内力分布形式会发生一定的变化，靠近西侧的南北向杆件会有较为明显的侧向位移及内力增加的情况。为了增加支撑刚度以及协调变形，在西侧内圈梁向支撑过渡区域额外设置了2 m 宽的加强板带。同时，该加强板带可以作为预应力控制系统安装及拆卸时的工作平台。

2.3 不同工况下支护结构内力与变形计算结果

在不考虑坑内外土体加固情况下，A 区典型剖面在不施加预应力开挖到坑底工况下的地下连续墙内力与变形计算结果如图5（a）所示；当第3 道-第5 道分别施加预应力1200 kN/m、990 kN/m 和990 kN/m，基坑开挖到坑底工况下，A 区典型剖面地下连续墙内力与变形计算结果如图5（b）所示，地下连续墙变形及内力汇总见表2。

表2 地下连续墙内力及变形汇总表

图5 不同工况下地下连续墙内力与变形计算结果

由计算结果可知：（1）施加预应力后，地下连续墙的位移明显减小，最大位移由35.7 mm 减少为18.3 mm；（2）施加预应力后，地下连续墙迎坑面弯矩小幅度减小，但是迎土面弯矩和剪力显著增加；（3）第3-第5 道支撑施加预应力后，对上部支撑影响较大，第2 道由受压状态变为受拉状态，需要额外关注。

3 实施方案

3.1 实施过程

预应力混凝土支撑伺服系统实施步骤如下：

钢筋、预埋件及圈梁施工→设备进场及吊装→圈梁浇筑完成5 天后，开始安装设备（包括千斤顶、油路及控制系统）→圈梁浇筑完成7 天后，开始预应力施加→施工监测→根据监测数据，动态调整预加力→回筑阶段，拆除预应力控制系统。

本项目于2021 年9 月25 日浇筑完成首道支撑，2021 年12 月23 日完成A 区底板浇筑，受疫情影响，2022 年11 月8 日A 区主体结构施工至地面，总体施工较为顺利。预应力混凝土支撑伺服系统现场实施场景见图6。

图6 预应力混凝土支撑伺服系统现场实景图

3.2 预应力施加及调整

A 区基坑第3 道-第5 道支撑分别设置25、32、32 个千斤顶，预应力加载及调整过程见图7。每道支撑伺服过程可分为加载阶段、维持荷载阶段及动态调整阶段。加载阶段按照每300 kN 一级进行缓步加载，然后稳定荷载，进行下一步土方开挖。第3道-第5 道支撑单个的千斤顶最大加载值分别为3300 kN、2700 kN 及2700 kN，按照千斤顶的数量及间距，可近似等同于每道分别施加预应力1200 kN/m、990 kN/m 和990 kN/m。

图7 预应力加载及动态调整过程图

在施工过程中，根据地下连续墙测斜、支墩脱开间隙、上下支撑轴力以及隧道变形等情况动态调整支撑力：（1）第3 道支撑加载并维持荷载3300 kN 一段时间后，第2 道支撑西侧圈梁和地下连续墙出现脱开现象，将裂缝灌浆填充后及时卸载，将支撑荷载最终维持在2400 kN；（2）第4 道加载并维持2700 kN，在第5 道加载共同作用下，西侧地下连续墙普遍出现负位移后，将第4 道千斤顶卸载到2400 kN；（3）第5 道先加载到2400 kN，为了减少后续拆撑变形将预加力提高到2700 kN，在此情况下完成底板的浇筑。

4 监测结果分析

为全面反映该系统对基坑的影响，在项目实施过程中全面布设了各种监测项目，并且增加了监测频率。限于篇幅，仅对部分典型位置监测点进行分析，其平面布置见图8。

图8 监测点平面布置图

4.1 加载过程地墙侧斜

为了实时监控每一次预应力调整后地墙的变形情况，现场监测在每次加载完毕后，按照不超过3 小时测一次的频率进行测斜。选取西侧靠近B1 区中部CX38 侧斜点为例，其每级加载阶段前后变形如图9 所示。由图9 可见，在预应力施加前后，地下连续墙会产生明显的向坑外移动的趋势，在持续加载的作用下，甚至会产生一定的负位移，地墙变形由“鼓肚”形转变为“S”形。

图9 每道支撑预应力加载前后CX38 测斜曲线图

4.2 不同边界下地墙侧斜

本项目在重点保护的西侧布设了预应力控制系统，不同阶段各区域地连墙变形情况如图10 所示。由图10 可见，在未施加预应力的南北侧（CX6、CX13），随着基坑挖深不断增加，墙体位移不断增大，地墙变形的实测值明显大于理论计算值，基坑开挖到坑底时南北两侧最大侧向位移分别达到了81.72 mm、100.46 mm；在紧邻预应力的西侧（CX38、CX43），由于有预应力的作用，墙体位移不但没有随着基坑挖深的加大而继续增加，还出现了一定的负位移；东侧墙体位移（CX10）则随着基坑挖深的增加小幅度增加，表明在西侧增加预应力系统对东侧墙体位移有控制作用。本项目地下连续墙为两墙合一复合墙，考虑换撑工况，施工至地面时，西侧地下连续墙测斜维持在-6.81～15.27 mm，满足复合墙垂直度要求。从整个基坑施工过程来说，采用预应力混凝土伺服支撑的区域能很好地控制基坑变形。

图10 不同阶段各区域地连墙深层位移曲线图

4.3 西侧地铁隧道变形

本项目基坑及地下结构施工期间，对基坑西侧运营中的地铁10 号线隧道实施了监测（见图8），A区基坑第一道支撑开始施工至基坑开挖到坑底阶段地铁10 号线隧道典型监测点沉降曲线见图11，典型监测点收敛曲线见图12。

图11 地铁10 号线隧道沉降曲线图

图12 地铁10 号线隧道收敛曲线图

由图11、图12 可知，扣除前期围护结构施工期间的扰动，从基坑开挖到底板浇筑完成阶段，基坑开挖引起的地铁10 号线上行线附加沉降为1～3 mm，下行线附加沉降约为1 mm，上行线附加收敛变形为6～7 mm，下行线附加收敛变形约为2 mm，表明基坑开挖对其影响很小，变形在可控范围之内。

5 结论

本项目基坑开挖较深，基坑周边环境保护要求较高，设计采用分区顺作的思路，在大坑中采用了预应力混凝土支撑伺服控制技术，取得了如下经验：

（1）混凝土支撑采用预应力伺服控制技术，可消除大部分基坑变形，包括地墙部分已有变形、混凝土支撑压缩变形、混凝土支撑徐变变形等，可有效控制软土深基坑位移。

（2）双圈梁传力体系安全可靠。外圈梁可将预应力均匀传递至地连墙；内圈梁设置一定宽度加强板，有助于增加安全性、协调支撑变形、方便施工；两道圈梁的间距要和千斤顶型号匹配；支墩作为前期传力结构及后期安全储备，前期必须隔离，后期应及时灌缝。

（3）支撑拆模后，应尽快安装预应力控制系统，3～5 天内施加预应力，可根据支撑强度分级加载；预应力的大小需要综合计算及监测数据综合确定，动态调整。