軸力伺服型鋼組合支撐在臨近地鐵深大基坑中的應(yīng)用

侯文詩(shī) 楊寶森 柳建國(guó) 吳嘉希 王玉軍

(北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100041)

隨著社會(huì)發(fā)展，地鐵沿線的商業(yè)和居住價(jià)值越來(lái)越顯著，因此緊臨地鐵的深基坑越來(lái)越多?；拥拈_挖對(duì)臨近地鐵的影響需要控制在可控的范圍內(nèi)，因此臨近地鐵的基坑不僅需要滿足基坑自身穩(wěn)定與變形要求，還要嚴(yán)格保證地鐵運(yùn)營(yíng)安全。目前北京地區(qū)普遍采用樁錨支護(hù)系統(tǒng)，但是錨桿進(jìn)入地鐵保護(hù)區(qū)，錨桿注漿導(dǎo)致地鐵運(yùn)營(yíng)安全受到威脅偶有發(fā)生，2019年8月地鐵17號(hào)線下穿工程注漿施工問(wèn)題造成朝陽(yáng)門站—東大橋站上行道床局部拱起變形126 mm，已經(jīng)嚴(yán)重影響6號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全。預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐是將多根型鋼組合在一起，并且全部節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)螺栓連接，與普通鋼支撐相比，在基坑跨度較大或軸力較大，單根鋼管無(wú)法滿足計(jì)算需要多根協(xié)同受力時(shí)，體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)[1,2]。鋼支撐結(jié)構(gòu)作為線性結(jié)構(gòu)，其材料特性會(huì)在溫度(尤其是溫差較大或跨季節(jié)施工時(shí))作用下產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，北方地區(qū)晝夜溫差可達(dá)15 ℃，在不計(jì)外部情況時(shí)，變溫每增加1 ℃，支撐軸力最大增加4.9 t～12 t[3,4]。軸力自伺服系統(tǒng)應(yīng)用在支撐中，利用液壓驅(qū)動(dòng)、壓力閉環(huán)自動(dòng)循環(huán)掃描加載、穩(wěn)壓的控制方式，對(duì)基坑支護(hù)體系鋼支撐的液壓千斤頂進(jìn)行液壓自動(dòng)軸力補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行安全可靠，降低了深基坑工程的施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了運(yùn)營(yíng)地鐵的安全[5,6]。

1 工程概況及周邊環(huán)境

擬建國(guó)家會(huì)議中心二期配套項(xiàng)目基坑開挖深度為20 m，局部開挖深度21 m，基坑平面東西寬約100 m，南北長(zhǎng)約245 m，面積約24 500 m2?；幽蟼?cè)為大屯路地下隧道道路、環(huán)隧匝道及15號(hào)線區(qū)間隧道，東側(cè)為天辰西路地下環(huán)隧。建設(shè)場(chǎng)地總平面圖如圖1所示。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)本次現(xiàn)場(chǎng)鉆探地層揭露、原位測(cè)試及土工試驗(yàn)成果，按照各地基土層的土工程特性劃分土層。具體土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

第一層地下水類型為潛水，穩(wěn)定水位埋深6.30 m～7.50 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為37.51 m～38.95 m；第二層地下水類型為層間潛水，穩(wěn)定水位埋深12.30 m～13.20 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為31.90 m～32.89 m；第三層地下水類型為層間潛水，穩(wěn)定水位埋深17.90 m～20.30 m，水頭標(biāo)高24.81 m～27.29 m。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 工程重點(diǎn)難點(diǎn)

基坑南側(cè)緊臨地鐵15號(hào)線軌道區(qū)間，距離擬建建筑地下室外墻外皮線24.2 m，地鐵軌道區(qū)間底板埋深26.2 m，比基底深7.2 m，基坑在地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。地鐵15號(hào)線區(qū)間上方為大屯路下沉道路，距離擬建建筑地下室外墻外皮線18.5 m，大屯路隧道底板埋深11.7 m；南側(cè)擬建建筑物與大屯路隧道之間，還有環(huán)隧匝道，距離擬建建筑地下室外墻外皮線9.3 m，環(huán)隧匝道底板埋深12.2 m～16.0 m，環(huán)隧基坑施工時(shí)存在舊有支護(hù)樁及錨索。大屯路路面以下還埋設(shè)有雨水管、燃?xì)夤?、電力管、電信管等?/p>

1)地鐵15號(hào)線區(qū)間隧道的工前檢測(cè)評(píng)價(jià)后確定地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道變形控制要求如表2所示，地鐵50 m影響范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求如表3所示。2)根據(jù)原隧道設(shè)計(jì)、檢測(cè)資料、地鐵15號(hào)線穿越大屯路隧道的沉降數(shù)據(jù)，大屯路隧道沉降控制值具體指標(biāo)如下：閉合框架縱向(底板行車方向)不均勻沉降控制值每10 m控制值 3 mm；框架橫向側(cè)墻與中墻之間不均勻沉降控制值為4 mm；單測(cè)點(diǎn)最大沉降值5 mm；閉合框架側(cè)墻傾斜度不大于1/1 500；閉合框架沉降縫兩側(cè)高差控制值2 mm；閉合框架水平變位控制值為5 mm。預(yù)警值：監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化量為控制值的60%；警戒值：監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化量為控制值的80%。3)環(huán)隧匝道的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)要求：水平位移和豎向位移預(yù)警值為8 mm，控制值為10 mm。

表2 既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道變形控制值

表3 臨近地鐵側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制值

3.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，場(chǎng)地南側(cè)周邊環(huán)境復(fù)雜，采用單一的樁錨支護(hù)形式，錨桿施工長(zhǎng)度受限制，不能充分發(fā)揮拉錨作用，只能采用大角度錨索來(lái)增加錨桿長(zhǎng)度，且錨桿位置需要與原護(hù)坡樁位置錯(cuò)開，難以滿足基坑本身穩(wěn)定要求，也難以控制地鐵、大屯路隧道和環(huán)隧匝道的變形。

綜合考慮基坑周邊環(huán)境條件與施工的方便性，經(jīng)過(guò)充分的分析計(jì)算，肥槽預(yù)留1.2 m，采用雙排樁+1道混凝土支撐+2道型鋼組合內(nèi)支撐。雙排樁中間采用旋噴樁加固，旋噴樁為φ1 000@800，鉆孔灌注樁采用φ1 000@1 600 mm。這樣有效地解決了支護(hù)空間的矛盾，基坑南側(cè)剖面設(shè)計(jì)圖見圖2。

采用C30,φ1 000@1 600 mm雙排鉆孔灌注樁擋土，為保護(hù)地鐵隧道區(qū)間，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)29 m，嵌固深度10 m，樁底標(biāo)高設(shè)置于地鐵底面以下2.7 m。因原環(huán)隧支護(hù)結(jié)構(gòu)有錨索進(jìn)入紅線內(nèi)，為保證基坑止水效果，采用φ1 000的雙排旋噴樁止水兼做樁間加固，搭接長(zhǎng)度200 mm，樁長(zhǎng)23 m，打穿透水層進(jìn)入隔水層1 m以上，隔斷坑內(nèi)外地下水。

水平支撐系統(tǒng)采用1道混凝土支撐和2道型鋼組合支撐。第一道混凝土支撐位于現(xiàn)地面以下2 m，混凝土支撐平均間距8 m，冠梁截面1 100 mm×1 000 mm，支撐截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm；第二、三道型鋼組合支撐位于現(xiàn)地面以下8 m，12.6 m，鋼支撐平均間距1.95 m，腰梁采用雙拼H400×400×13×21型鋼，主要支撐采用H400×400×13×21型鋼，輔助支撐采用H300×300×10×15型鋼；型鋼組合支撐預(yù)加力為600 kN，詳見表4，圖3。立柱采用500×500格構(gòu)柱，立柱樁樁徑1 000 mm，樁長(zhǎng)12.5 m。

表4 支撐桿件一覽表

由于支撐長(zhǎng)度較大(最長(zhǎng)65 m)，運(yùn)用伺服自動(dòng)控制裝置，主動(dòng)進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形調(diào)控，以符合臨近深基坑保護(hù)對(duì)象的安全控制要求。支撐均采用3根型鋼組合，每根型鋼施加的預(yù)應(yīng)力大小為750 kN，按20%，50%和30%分3次逐級(jí)施加。

4 預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐設(shè)計(jì)

受周邊地下隧道、地鐵的影響，無(wú)法施工錨桿；傳統(tǒng)的鋼管支撐對(duì)大跨度基坑無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，全部現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，且鋼管焊接節(jié)點(diǎn)難以保證質(zhì)量，隨著基坑的放置，支撐軸力出現(xiàn)明顯的衰減，進(jìn)而造成了明顯的有支撐變形；若設(shè)置三道混凝土支撐，施工和養(yǎng)護(hù)周期較長(zhǎng)，施工和拆除的成本較高；本工程采用預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐，不僅解決了工期緊張同時(shí)減少了造價(jià)，鋼材可回收，綠色環(huán)保。軸力伺服系統(tǒng)控制位移和自動(dòng)補(bǔ)償軸力，降低了臨近地鐵、隧道等復(fù)雜地區(qū)的基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)，有效的控制變形。

對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移進(jìn)行估算，開挖至坑底的工況計(jì)算結(jié)果(如圖4所示)顯示，地鐵側(cè)最大變形位于角點(diǎn)(2號(hào)點(diǎn))22.23 mm，中間點(diǎn)(1號(hào)點(diǎn))的水平位移為14.86 mm。

對(duì)基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行分析，最大水平變形為14.02 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形如圖5所示。分析對(duì)比了基坑開挖對(duì)大屯路隧道、環(huán)隧匝道和地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響，如表5～表7所示，計(jì)算結(jié)果滿足控制要求。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果 mm

表6 環(huán)隧匝道計(jì)算結(jié)果 mm

表7 大屯路隧道計(jì)算結(jié)果

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的效率較低，反饋不及時(shí)，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)及施工，有一定的安全隱患，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可以全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，反饋及時(shí)可實(shí)現(xiàn)[7,8]。本項(xiàng)目配合人工檢測(cè)的同時(shí)采用全自動(dòng)化監(jiān)測(cè),檢測(cè)點(diǎn)布置及檢測(cè)結(jié)果見圖6～圖8。

基坑開挖至基底處，在1號(hào)與2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水平位移曲線呈“鼓肚子”狀態(tài)，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上部水平位移曲線是接近懸臂開挖的拋物線形，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移14.1 mm，而2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移19.1 mm。其中，1號(hào)點(diǎn)設(shè)軸力伺服裝置，2號(hào)、3號(hào)角點(diǎn)處未設(shè)軸力伺服裝置。實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。

軸力伺服系統(tǒng)可手機(jī)查看監(jiān)測(cè)結(jié)果，1號(hào)點(diǎn)支撐軸力平均達(dá)到65 t。2020年3月17日由于東南側(cè)施工荷載較大，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移達(dá)到16.78 mm，超過(guò)設(shè)計(jì)值，原預(yù)加力為650 kN，通過(guò)支撐軸力伺服系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整軸力至750 kN(如圖9所示)，2020年3月18日，南側(cè)1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移降至14.25 mm。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移累計(jì)變形最大值為+0.87 mm(豎向位移變形值為正代表隆起，控制值為2 mm)，隧道結(jié)構(gòu)橫向位移累計(jì)變形最大值為0.8 mm(控制值為3 mm)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處于正常范圍內(nèi)。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移累計(jì)變形最大值為+0.87 mm(豎向位移變形值為正代表隆起，控制值為2 mm)，隧道結(jié)構(gòu)橫向位移累計(jì)變形最大值為0.8 mm(控制值為3 mm)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處于正常范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

1)在北京地區(qū)臨近地鐵、隧道等無(wú)法施工錨桿的情況，本工程運(yùn)用型鋼組合支撐解決了問(wèn)題，不僅滿足基坑本身的穩(wěn)定性要求，且滿足地鐵和隧道結(jié)構(gòu)的變形要求，設(shè)計(jì)施工取得了圓滿成功。為今后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供有益參考。2)基坑主動(dòng)變形控制技術(shù)在本項(xiàng)目得到很好的應(yīng)用，通過(guò)支撐軸力伺服系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整復(fù)加軸力，控制了基坑變形，保證了基坑的安全。