自锁式钢支撑轴力伺服系统在邻近运营线路基坑中的应用

常会平

摘要 文章基于苏州某邻近既有地铁临近既有运营线路软土基坑实例，对基坑周边沉降及围护结构深层水平位移的实测变形结果进行分析。结果表明：基坑开挖会对邻近既有地铁结构产生影响，尤其以竖向位移较为显著；自锁式钢支撑轴力伺服系统可以有效减小支撑轴力的损失，控制基坑变形；在基坑施工期间，临近既有运营线路的基坑变形均在安全范围内，确保了既有运营线路地铁结构的安全。

关键词 既有运营线路 软土基坑 轴力伺服系统 变形监测

中图分类号 TU753文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0044-04

0 引言

随着全国各个城市地铁建设的快速推进城市内原有的“一字形”或“十字形”地铁线路加速成网，变成了换乘站或轨道交通枢纽。后期实施的地铁线路在与初期修建的线路对接时就出现了临近既有运行线路施工的问题。地铁车站深基坑作业本就是超规模的危大工程，基坑内土体的开挖，导致基坑周边土体和围护结构本身的位移和应力出现变化，随着进一步的发展若得不到控制会导致基坑附近的地表沉降、管线的沉降、地连墙侧向变形和坑底土体隆起等异常情况，再加上临近既有运营线路，如果基坑变形控制不良对既有车站和隧道区间产生影响，后果将不堪设想。因此，确保基坑风险在可控制范围内，保持围护结构支护体系的稳定性非常重要。为了解决在紧邻既有运营线的情况下软土地铁深基坑的施工难题，该文以苏州地铁五号线某车站深基坑工程为背景介绍自锁式钢支撑轴力伺服系统在临近既有运营线路软土基坑施工中的应用案例。

1 自锁式轴力自动补偿钢支撑系统简介

1.1 系统概述

自锁式钢支撑轴力自动补偿钢支撑系统是一种采用位移与轴力综合控制的支撑系统。通过在钢支撑上增设机电液一体化系统，对支撑轴力进行不间断监测，并根据高精度传感器所测参数对支撑轴力进行实时自动补偿来达到控制基坑变形目的的钢支撑系统[1]。该支撑系统共有4个部分构成：支撑筒、液压千斤顶、液压泵站及PLC控制中心。

1.2 运行原理

液压千斤顶的油缸固定于支撑筒、活塞的顶出端连接球面装置和测量活塞位移量的位移传感器，活塞伸出油缸一端开有螺纹，该螺纹连接结构连接锁紧螺母，在锁紧螺母的侧面与油缸相顶时锁紧活塞。锁紧螺母为带齿结构，该齿与调节齿轮啮合。所述调节齿轮与固定在液压千斤顶上的调节电机连接，由调节电机驱动调节齿轮调节锁紧螺母。其优点是带锁紧机构在液压失效时可有效防止钢支撑失效、可以实现自动锁紧调节。液压泵站与钢支撑连接为一体自动测取支撑力并自动进行控制，控制准确、压力均匀稳定、省时省力、效率高[2]。

2 工程概况

2.1 工程简介

车站总长164.5 m，标准段宽23.1 m，采用三层双跨框架结构。底板埋深约为25.77 m，两端头开挖深度约27.5 m。车站主要采用明挖顺作法，局部采用盖挖顺作法施工。车站北侧为已运营2号线平河路站6号出入口及1 号风亭组、锦堂街桥，距主体基坑边最小水平距离分别为1.14 m、5.88 m；车站南1侧为已运营2号线平河路站5号出入口、国发大厦、平江区人民检察院及一层配电房，车站西侧为已运营2号线平河路站主体结构；车站北侧为石鱼桥浜驳岸。

2.2 地质状况

根据地质勘探报告，该基坑地层分布为：01杂填土，21粉质黏土，3淤泥质粉质黏土，3夹砂质粉土，4淤泥质黏土，61粉质黏土，1-2砂质粉土，02粉砂。车站主体基坑坑底位于61层中，围护墙墙趾底位于第2层中基坑围护形式为厚1.0 m、深46 m的地下连续墙。

3 自锁式轴力自动补偿钢支撑伺服系统方案论证

3.1 支护形式及模型计算

主体基坑采用地下连续墙，标准段及两端头围护结构分别采用1 000 mm、1 200 mm厚地下连续墙，竖向设置7道支撑+1道换撑，其中第一、第五道为钢筋混凝土支撑，第二、第三、第四、第七道为609 mm×16 mm钢支撑，第六道为800 mm×20 mm钢支撑。为达到对周边环境保护和基坑变形控制要求，通过有限元软件Plaxis建立有限元模型，模拟对比在支撑竖向布置上采用自锁式钢支撑轴力伺服系统，对轴力变化、围护结构水平位移和坑外地表沉降的影响。

根据模型计算分析：运用自锁式钢支撑轴力伺服系统可以有效地控制基坑变形和坑外地表沉降，无伺服钢支撑系统地连墙最大水平位移约为0.19H%≤0.2%H，符合住建部《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911

—2013）及《江苏省城市轨道交通工程监测规程》（DGJ 32/J 195—2015）要求，但不符合苏州地铁公司《关于临近既有线基坑监测规程技术要求》地连墙最大水平位移≤0.15%H、土体竖向沉降≤0.1%H的要求。

3.2 计划方案

在紧邻既有地铁运行车站基坑的（北端头）设置自锁式钢支撑轴力伺服系统，远离既有线路车站基坑的（南端头）采用常规的钢支撑支护手段，整个基坑按照监测方案要求实施监测。

4 施工过程的变形监测情况

4.1 实施步骤

因为北端头涉及既有运营地铁线路，为将时空效应对基坑的影响减到最小。计划基坑土方的开挖顺序为由南端头至北端头开挖。一共分为以下几个步骤：地下连续墙施工完成基坑封闭—表层土清理开挖至第一道混凝土支撑下20 cm—第一道混凝土支撑施工—开挖至第二道钢支撑下50 cm—第二道钢支撑安装—开挖至第三道钢支撑下50 cm—第三道钢支撑安装—开挖至第四道钢支撑下50 cm—第四道钢支撑安装—开挖至第五道混凝土支撑下—第五道混凝土支撑施工—开挖至第六道钢支撑下—第六道钢支撑安装—开挖至第七道钢支撑下—第七道钢支撑安装—开挖至垫层。分别在第一、第五道混凝土支撑设置钢筋计，第二、第三、第四、第六、第七道钢支撑设置轴力计[3]。

4.2 监测情况

项目管理团队按照施工设计组织基坑开挖，按照“三图四表工作法”对开挖机支护过程动态监管，减少了土方开挖无支护暴露的时间，将时空效应的影响减到最小。按照基坑监测专项方案对墙顶水平位移、墙顶竖向位移、支护桩（墙）变形（测斜）、混凝土支撑轴力、钢支撑轴力、立柱竖向位移、地下水位、周边地表竖向位移等实施监测。

监测结果显示：增设自锁式钢支撑轴力伺服系统的墙顶水平位移、墙顶竖向位移、支护桩（墙）变形（测斜）、混凝土支撑轴力、钢支撑轴力、立柱竖向位移、周边地表竖向位移，变化速率和累计变形量都明显较小，基坑围护结构及周边环境稳定性明显较高，地下水位无明显影响。因监测点位和监测数据较多，后续选择支撑轴力、土体竖向沉降及支护桩（墙）变形（测斜）情况三个监测项目部分点位进行分析。

4.3 支撑轴力的变化情况

根据方案，监测点布置情况为ZLi-1位于基坑北端头，ZLi-11位于基坑南端头。根据监测结果可知，随着基坑开挖深度的变化基坑轴力值会出现不同程度的变化。自开挖至第五层土方开挖期间，随着开挖深度变化，两端轴力（见表1）变化符合设计轴力控制值要求，未出现预警；自第五层土方开挖至基坑底，随着开挖深度加大，两端轴力呈不同变化趋势，ZLi-1轴力值符合设计要求，ZLi-11轴力值超出设计控制值，达到预警标准，基坑出现预警（见表2）。

该结果表明：增设自锁式钢支撑轴力伺服系统较传统钢支撑基坑轴力控制效果较好，对基坑地连墙受力稳定性较好。

4.4 土体竖向沉降情况

根据方案，监测点布置情况为DB1-2、DB2-2、DB3-2位于基坑北端头，DB12-2、DB13-2、DB14-2位于基坑南端头。根据监测结果得知，随着基坑开挖深度的变化基坑周边地表沉降速率及沉降累积值出现不同程度的变化。自开挖至第五层土方开挖期间，随着开挖深度变化，两端地表沉降缓慢变化，DB1-2、DB2-2、DB3-2（见表3）变化速率较DB12-2、DB13-2、DB14-2（见表4）缓慢；自第五层土方开挖至基坑底，开挖深度较大，两侧土压力呈指数级变化，地表沉降基坑变化速度明显变快，DB1-2、DB2-2、DB3-2（见表3）均匀可控DB12-2、DB13-2、DB14-2成倍变大（见表4）；待顶板完成以后变化速率趋向平衡。

该结果表明：增设自锁式钢支撑轴力伺服系统较传统钢支撑基坑周边土体竖向沉降控制效果较好，对周边构建筑物保护效果明显。

4.5 支护桩（墙）变形（测斜）情况

根据方案，监测点布置情况为CX-1、CX-2、CX-3位于基坑北端头，CX-13、CX-14、CX-15位于基坑南端头。根据监测结果可知，随着基坑开挖深度的变化基坑周边地表沉降速率及沉降累积值出现不同程度的变化。自开挖至第三层土方开挖期间，随着开挖深度变化，两端地表沉降缓慢变化，CX-1、CX-2、CX-3（见表5）变化速率较CX-13、CX-14、CX-15（见表6）缓慢；自第五层土方开挖至基坑底板浇筑完成，随着开挖深度的增大，两侧土压力呈指数级变化，地表沉降基坑变化速度明显变快，CX-1、CX-2、CX-3（见表5）均匀可控CX-13、CX-14、CX-15（见表6）成倍变大，但处于可控状态；待顶板完成以后，因时空效应较长累积变形较大。

经过比对CX-1、CX-2、CX-3（见表5）三个监测点位数值，按照围护墙最大水平位移≤0.14%H、基坑深度27.5 m（预警值38.5 mm）控制，均在可控范围内，能达到甲方监测要求；相反CX-13、CX-14、CX-15（见表6）围护墙最大水平位移虽≤0.2%H，但0.14%H（预警值38.5 mm）支护桩（墙）变形（测斜）CX-14、CX-15，如若北端头未加设自锁式钢支撑轴力伺服系统，基坑变形量会达到预警标准，可能会对既有运行线路产生不可逆的破坏。

为便于对比监测效果，因篇幅有限仅取CX-1、CX-2、CX-3变形最大的监测点以及CX-13、CX-14、CX-15变形最大的点位两组数据进行对比。结果显示：从开挖至第四层土方后增设自锁式钢支撑轴力伺服系统基坑变形控制效果明显，直至基坑封顶动态控制效果较好，达到了对既有线路的保护作用。

5 结语

该文以紧邻既有运行地铁线路为例，通过南北两端监测结构数据变化情况，深刻对比了增设自锁式钢支撑轴力伺服系统两个位置同等条件下（同样地层、同等开挖深度、同样支护模式、同样围护结构形式、同样的温度湿度、同样水位、同等施工水平、同等施工功效）的基坑变形控制情况。并通过监测过程中的三个最具说服力的指标，对设计计算模型进行印证，最终应用结果与数学计算模型一致。由此得出：

（1）深基坑开挖由于邻近既有运行线路，因开挖引起的土体卸荷与坑外土体变形对既有车站结构影响比较明显，竖向位移变化较大。采用自锁式钢支撑轴力伺服系统，可以有效地控制基坑变形和保护周边环境的安全。

（2）自锁式钢支撑轴力伺服系统通过轴力补偿作用，可消除钢支撑架设作业的预应力损失，能切实提高钢支撑的预应力效果，并且减少了钢支撑安装环节时空效应、加力过程产生的安全问题，有效提高了支护结构的安全效能。

（3）自锁式钢支撑轴力伺服系统在重要性工程、周边环境敏感的基坑工程中可发挥轴力监测、预警、消除钢支撑预应力损失、基坑变形控制、提高钢支撑自身安全性的重要作用。在控制围护变形方面效果显著，也为今后类似地铁基坑中支护方案的优化设计提供参考。

（4）自锁式钢支撑轴力伺服系统能够满足高标准的环境保护和变形控制要求的同时，较混凝土支撑相比，可以有效控制成本，此工法在类似工程中值得推广。

参考文献

[1]彭勇志， 黄洋. 深基坑钢支撑轴力伺服系统施工技术[J]. 低碳世界， 2016（3）： 152-153.

[2]贾坚， 谢小林， 罗发扬， 等. 控制深基坑变形的支撑轴力伺服系统[J]. 上海交通大学学报， 2009（10）： 1589-1594.

[3]曹虹， 孙九春. 软土基坑钢支撑伺服系统轴力的确定方法研究[J]. 建筑施工， 2019（5）： 754-758.