鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在車站深基坑支護的應(yīng)用

周石喜，王新線

（深圳地鐵建設(shè)集團有限公司，廣東深圳 518026）

近年來，深圳市軌道交通工程已進入高速發(fā)展階段，在施工過程中，城市軌道交通工程與城際鐵路出現(xiàn)相互立體交叉在所難免，特別是在已運營城際鐵路線下方進行深基坑開挖施工作業(yè)，很容易對周邊土體產(chǎn)生擾動，使鐵路樁基和橋墩呈現(xiàn)偏向車站的傾斜、彎曲、沉降等，嚴重時可能出現(xiàn)橋墩失穩(wěn)破壞，危及城際鐵路運營安全。

城市軌道交通工程對既有城際鐵路的影響隨著城市發(fā)展會日益頻繁，如何在保證既有城際鐵路正常運營前提下，完成城市軌道交通車站深基坑施工是急需解決的問題，這就需要在施工前各項技術(shù)措施到位，施工中應(yīng)用自動化監(jiān)測技術(shù)實時反饋，形成一套完整的設(shè)計、施工、監(jiān)測體系。目前，已有不少研究人員對城市軌道交通基坑的近接施工技術(shù)進行探究，取得了豐碩的成果，但對于鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)這項新技術(shù)的相關(guān)研究仍然較少。

以深圳市軌道交通工程12號線和平站為例，該車站與穗莞深城際鐵路橋梁下方呈十字交叉，互為換乘站，地鐵車站基坑鄰近橋梁樁基，鐵路橋梁保護要求十分嚴格。為保障城際鐵路的正常運行，地鐵工程采用先加固處理后施工的理念，在隔離柱及橋墩加固完成后，再進行線下的地鐵車站深基坑施工。施工階段，重點采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，以自動化監(jiān)測技術(shù)實時反饋為主要控制手段，控制效果極好，對類似工程具有很好的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 車站位置

和平站位于松福大道與橋和路交叉路口，沿橋和路下方呈東西向敷設(shè)，與穗莞深城際鐵路和平站換乘，兩線成正交。站址處原始地貌為濱海灘涂，現(xiàn)已被人工堆填整平為市政道路，周邊主要建構(gòu)筑物密集。車站長230.5 m，標準段寬度為21.1?m，底板埋深約16.8～18.7 m，頂板覆土約3 m。此處穗莞深城際鐵路上部結(jié)構(gòu)為 2 聯(lián)（40 m?+?60 m?+?35 m）連續(xù)梁，墩號為 29#～32#墩，地鐵和平站在30#和31#橋墩之間明挖下穿通過。

穗莞深城際鐵路和平站橋下部結(jié)構(gòu)均為拱型門架墩，墩高均為 14?m，承臺尺寸為 10.5?m×18.5?m×3 m，加臺尺寸 5?m×15.6?m×1?m，30#墩樁基為φ1.5?m 的摩擦樁，梅花形布置，樁長為60?m，31#墩樁基為φ1.5 m?的嵌巖樁，梅花形布置，樁長為40.5?m。地鐵和平站主體結(jié)構(gòu)距離30#和31#墩承臺最近距離分別為7.8?m、19.6?m（圖1），A、B出入口距離30#墩承臺最近距離分別為?20.1?m、24.9?m，?C、D 出入口距離 31#墩承臺最近距離分別為 19.5?m、25.5?m。

1.2 工程水文地質(zhì)

場地揭露到的地層主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沖積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、第四系殘積層、加里東期混合花崗巖。主要地層包括填塊石、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥、全風(fēng)化混合花崗巖等。

根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型，場地地下水主要有3種類型：第1種是賦存于第四系人工填土層中的上層滯水，主要賦存于填砂、填塊石層中；第2種是孔隙潛水，賦存于第四系海陸交互相沉積含有機質(zhì)砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉砂、細砂、中砂、礫砂中，殘積砂質(zhì)黏性土及黏性土層中含少量孔隙潛水，具微承壓性；第?3?種為基巖裂隙水，主要賦存于基巖強-中等風(fēng)化帶中，為基巖裂隙承壓水，富水性因基巖裂隙發(fā)育程度、貫通程度及膠結(jié)程度而變化。

和平站地層屬于軟弱地層，含水量高，孔隙比大，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，容易引起地基變形和失穩(wěn)。

1.3 車站深基坑設(shè)計

按基坑施工對橋梁的影響程度將和平站基坑縱向分為下穿段和標準段。下穿段地下連續(xù)墻厚1 200 mm，標準段地下連續(xù)墻厚800?mm。下穿段共設(shè)置5道支撐（1?道混凝土、4道鋼）+?1道換撐，并設(shè)置了鋼圍檁和中立柱，標準段為3道支撐（1道混凝土、2道鋼），無鋼圍檁和中立柱。城鐵30#、31#承臺四周設(shè)置φ800 mm、間距 1 000?mm 隔離樁 +φ600?mm 旋噴樁止水，30#、31#墩隔離樁與地連墻之間采用φ600?mm、間距450 mm旋噴樁加固，加固深度為坑底以下1?m處。

另外，為避免地下連續(xù)墻出現(xiàn)過大坑內(nèi)位移導(dǎo)致周圍地層變形太大，在下穿段選用了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，通過實時補加支撐推力使地下連續(xù)墻變形維持在安全范圍內(nèi)。

標準段和下穿段基坑支護見圖2、圖3。

2 車站深基坑施工

2.1 鐵路橋梁樁基的加固

為避免橋墩位置出現(xiàn)較大變形，基坑圍護結(jié)構(gòu)與橋墩間采用了隔離樁+旋噴樁的加固形式。其中30#橋墩基礎(chǔ)的加固方案見圖4。為驗明該方案的效果，將隔離樁測斜結(jié)果與最近位置處的地下連續(xù)墻測斜孔進行了對比（圖5），圖5中ZQT表示地下連續(xù)墻測斜孔，GLZCX表示橋墩與地下連續(xù)墻之間布置的隔離樁測斜孔。

圖1 和平站與穗莞深城際平面示意圖（單位：m）

圖2 標準段基坑支護（單位：m）

圖3 下穿段基坑支護（單位：m）

圖4 30#橋墩基礎(chǔ)加固方案

圖5 下穿段底板完成時同側(cè)隔離樁、地下連續(xù)墻測斜對比

由北側(cè)隔離樁測斜結(jié)果可看到，該側(cè)隔離樁的水平變形趨勢與地下連續(xù)墻一致，位移整體上小于地下連續(xù)墻。對各測孔的位置觀察可發(fā)現(xiàn)，該側(cè)隔離樁最大坑外變形隨著旋噴樁加固區(qū)域?qū)挾鹊脑黾佣饾u減少，說明旋噴樁加固對地層變形具有良好控制效果。而南側(cè)隔離樁的變形整體極小，兩個方向的最大變形都在1 mm左右，相對于同側(cè)地下連續(xù)墻，坑外變形降幅高達94.3%，這與大面積的旋噴加固范圍有明顯關(guān)系。

2.2 車站深基坑開挖

2.2.1 分區(qū)開挖

由于下穿段位于基坑中部，在考慮開挖順序時，一般有2種方案：先開挖中間后開挖兩端和先開挖兩端后開挖中間。由于基坑開挖會使坑外一定范圍內(nèi)地層出現(xiàn)卸荷變形，若采用先開挖兩端后開挖中間的開挖順序，將使下穿段范圍內(nèi)的地層出現(xiàn)坑內(nèi)水平位移以及地表沉降，從而對鄰近橋墩產(chǎn)生明顯影響。但若先開挖中部及時支撐，只要支撐推力充足，標準段的土體開挖對鄰近橋墩的影響將大幅減少，從而保證了基坑開挖過程的安全。

因此，為降低對鄰近橋墩的影響，在和平站基坑施工中，選擇了先開挖下穿段后開挖標準段的開挖順序，并輔以能提供充足頂推力的鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，橋墩變形控制效果顯著。

2.2.2 先撐后挖

大量施工經(jīng)驗表明，基坑開挖過程中，支撐施作不及時，繼續(xù)開挖將使未加撐段處的地下連續(xù)墻坑內(nèi)變形迅速增大，若地層軟弱，將極易引起基坑失穩(wěn)，導(dǎo)致坍塌事故的發(fā)生。這是因為在土體挖去后，坑內(nèi)由土體提供的水平支撐力消失，在坑外土壓力的作用下，圍護結(jié)構(gòu)將迅速向坑內(nèi)方向變形，這時，若存在橫向支撐結(jié)構(gòu)，其頂推力將替代挖去土體的水平支撐力，達到抑制圍護結(jié)構(gòu)變形的目的，但若在開挖到支撐設(shè)計標高后不及時加撐，圍護結(jié)構(gòu)的坑內(nèi)位移趨勢將難以得到控制，將極大地增加施工風(fēng)險，同時也不利于地層變形的控制。在基坑開挖中尤其是變形控制要求嚴格的工程，需嚴格按照先支撐再開挖的原則開展基坑施工。

2.2.3 及時封閉

大多數(shù)情況下，在開挖至坑底后，由于卸荷回彈作用，基坑底部將出現(xiàn)明顯隆起，這種隆起由于卸荷后土顆粒間的調(diào)整會在較長一段時間內(nèi)持續(xù)增加，若不及時對這種趨勢加以控制，將引起坑底地下連續(xù)墻變形增大，進而影響到鄰近橋梁樁基。因此，在和平站基坑中，開挖至坑底標高后，及時澆筑墊層，并開展主體結(jié)構(gòu)底板施作，盡早完成底板施工，使基坑封閉，避免圍護結(jié)構(gòu)及地層的變形繼續(xù)發(fā)展。

2.3 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)

2.3.1 工作原理

鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)是由硬件設(shè)備和軟件程序共同組成的一套智能基坑水平位移控制系統(tǒng)，它適用于基坑開挖過程中對基坑側(cè)壁的變形有嚴格控制要求的工程項目，可以24?h實時監(jiān)控，低壓自動伺服，高壓自動報警，對基坑提供全方位多重安全保障。工作原理是通過對支撐軸力、圍護結(jié)構(gòu)變形及溫度的實時監(jiān)測，從而及時對鋼支撐軸力進行補償、調(diào)整，是一種新型自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

（1）圍護結(jié)構(gòu)收斂變形控制效果顯著，安全性高。通過預(yù)設(shè)軸力值和預(yù)警值，當軸力不足自動補償，軸力過大及時預(yù)警，根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)位移情況隨時調(diào)整鋼支撐軸力，達到嚴格控制圍護結(jié)構(gòu)變形，保證基坑施工安全的目的。

（2）在基坑開挖階段可適當減少監(jiān)控量測人力的投入。軸力伺服系統(tǒng)安裝完成投入使用后，可以對鋼支撐的軸力、支撐端處圍護結(jié)構(gòu)位移進行實時量測，可以避免人工量測不能及時反映軸力數(shù)據(jù)的弊端。

（3）圍護結(jié)構(gòu)水平位移測量精度高。千斤頂端頭加裝超聲波位移傳感器，用以監(jiān)測鋼支撐內(nèi)部千斤頂?shù)奈灰疲⒃谥味祟^下方的兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)處安裝激光位移收斂計，獲取基坑的位移收斂值，從而反饋地下連續(xù)墻墻體測斜，提高測量精度。

（4）施加軸力后具有充足的安全保障。采用液控單向閥、電磁截止閥、分離雙機械鎖作為保壓措施，預(yù)防千斤頂?shù)炔考收虾髮?dǎo)致鋼支撐失壓失穩(wěn)。

（5）減小了深基坑支護墻體垂直測斜。在軟弱地層深基坑開挖區(qū)域效果顯著，對比普通鋼支撐內(nèi)支撐系統(tǒng)，地下連續(xù)墻墻體測斜可以相對減小20?mm左右。

（6）監(jiān)測結(jié)果獲取方便。實時量測結(jié)果可直接在遠程控制室查看，無需人工專門讀數(shù)，節(jié)省了后續(xù)量測所需的人力。

和平站在橋下區(qū)域采用4道鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼支撐，可隨時解決鋼支撐軸力損失的補償問題，并實現(xiàn)鋼支撐軸力、圍護結(jié)構(gòu)變形的實時監(jiān)控，在實施內(nèi)支撐系統(tǒng)隨基坑變形同步調(diào)整的同時，極大地減小了基坑開挖對周圍環(huán)境的影響。

軸力伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖如圖6所示。

2.3.2 實際控制效果

圖6 軸力伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖

和平站基坑施工中，鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在地表沉降和圍護結(jié)構(gòu)水平變形的控制上效果非常顯著。根據(jù)和平站現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，提取了標準段4個斷面的坑外地表沉降結(jié)果（圖7）。

從圖7中可看到，在標準段地下連續(xù)墻墻頂外，隨著開挖、加撐工序的繼續(xù)進行，地表沉降基本呈增大趨勢，在開挖至坑底時地表沉降陡然增加，從第3道支撐完成時最大10?mm，增大到最大接近80?mm的沉降。從基坑邊緣開始向外，大部分工序的地表豎向位移曲線都滿足“凹槽形”特點，即地表沉降隨著距基坑邊緣距離的增加先增加后減少。

圖7 標準段地表沉降

圖8 下穿段地表沉降

圖8為下穿段4個斷面的坑外地表沉降情況。由圖8可知，在下穿段地下連續(xù)墻墻頂外，隨著開挖、加撐工序的繼續(xù)進行，地表沉降也基本呈增大趨勢。從基坑邊緣開始向外，大部分工序的地表豎向位移曲線也都滿足“凹槽形”特點。與非下穿段不同的是，雖然在架設(shè)第1道混凝土支撐時造成了較大的地表沉降，但是之后每個工序造成的地表沉降量增量較小。在架設(shè)第1道混凝土支撐時，地表最大沉降大多超過了10?mm，約高出非下穿段相同工況下最大地表沉降1倍以上，這可能是高架橋自重作用下產(chǎn)生的高地應(yīng)力場造成的。而在之后每個工序造成的地表沉降量增量較小，說明鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)發(fā)揮了作用，有效地抑制了地表沉降量的增長。

圖9給出了標準段的6個地下連續(xù)墻測斜孔的變形結(jié)果。圖9中可看到，在非下穿段，隨著深度的增加，地下連續(xù)墻先向坑內(nèi)方向移動，在某一深度處達到最大坑內(nèi)位移后，又開始向坑外移動，多數(shù)形似拋物線。底板完成以后，地下連續(xù)墻的最大坑內(nèi)位移基本位于20～40?mm的區(qū)間內(nèi)。

在下穿段，隨著基坑的繼續(xù)開挖，下穿段地下連續(xù)墻上部墻身將出現(xiàn)2種變化情況：①先向坑內(nèi)方向移動再向坑外方向移動；②該范圍內(nèi)墻體始終處于向坑外移動的趨勢。無論是上述哪種情況，在基坑開挖完成后，地表附近的地下連續(xù)墻均處于坑外變形的狀態(tài)。當挖至坑底時，墻身的最大坑外位移基本處于10～20?mm的區(qū)間中。與非下穿段的情況相比，下穿段墻身的最大水平位移明顯較小，說明鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)發(fā)揮了作用，有效地抑制了地下連續(xù)墻水平位移的發(fā)展（圖10）。

3 信息化監(jiān)測結(jié)果

基于地下連續(xù)墻位移、橫撐軸力、基坑與橋墩間地面沉降、深層土體位移、地下水位、橋墩水平位移和沉降等現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，展開不同類型地下連續(xù)墻變形結(jié)果的統(tǒng)計分析，并對和平站基坑開挖過程中地下連續(xù)墻、鋼支撐、地層和橋墩的位移變化規(guī)律進行探究，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在基坑施工中，地下連續(xù)墻的位移情況分析如下。

圖9 標準段地下連續(xù)墻測斜曲線

（1）非下穿段最大坑內(nèi)變形主要集中于墻頂下方1/5～3/5的地下連續(xù)墻高度的范圍內(nèi)，設(shè)計時可對該高度范圍的支撐軸力進行加強以降低坑內(nèi)位移。

（2）非下穿段最大坑外變形僅在3個區(qū)間中出現(xiàn)，且基本發(fā)生于地下5?m區(qū)間以內(nèi)。

（3）下穿段地下連續(xù)墻最大坑內(nèi)變形主要發(fā)生于墻頂下方2/5～4/5的地下連續(xù)墻高度范圍內(nèi)，表明在變形控制措施作用下，最大坑內(nèi)變形發(fā)生下移。

（4）下穿段絕大多數(shù)最大坑外變形發(fā)生于墻頂以下2/5高度以內(nèi)。

地下連續(xù)墻最大位移對應(yīng)深度分布區(qū)間統(tǒng)計如圖?11、圖12所示。

圖10 下穿段地下連續(xù)墻測斜與標準段地下連續(xù)墻測斜曲線對比圖

4 結(jié)論

（1）和平站所處地質(zhì)為填海區(qū)深厚淤泥地層，含水量高，流動性較大，地質(zhì)情況極差。從地下連續(xù)墻及隔離樁施工及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，成樁及成墻過程中，雖然淤泥受擾動面較小，變形空間有限，但地表沉降及地下水變化加大，施工前應(yīng)對隔離樁及地下連續(xù)墻淤泥層采取槽壁加固及穩(wěn)固措施。

（2）應(yīng)嚴格按照“分區(qū)開挖、先撐后挖、及時封閉”等原則，開展基坑開挖工作，及時避免圍護結(jié)構(gòu)及地層出現(xiàn)過大的變形，保障基坑及鄰近區(qū)域的安全。

（3）鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可隨時監(jiān)測基坑變化，并隨時預(yù)加軸力，較人為監(jiān)測及加力情況在時間上做到了主動，是控制基坑變形及周邊橋墩變形的有效控制措施，建議在地層敏感或周邊建筑物復(fù)雜區(qū)域優(yōu)先選用。

（4）鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在和平站基坑施工中對地表沉降及圍護結(jié)構(gòu)的變形控制起到了顯著作用，與標準段對比發(fā)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)極大減少了基坑開挖引起的地層、結(jié)構(gòu)變形，并使地下連續(xù)墻出現(xiàn)獨特的變形特點。

（5）在軟弱敏感地層中進行基坑施工作業(yè)時，建議加密監(jiān)測，以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，嚴防出現(xiàn)被動控制情況，并做好施工應(yīng)急預(yù)案，與鐵路部門密切配合,?發(fā)現(xiàn)異常及時采取處理措施,?確保鐵路運營安全。

圖12 下穿段地下連續(xù)墻最大位移對應(yīng)深度分布

（6）隨著隔離樁間距增大，橋墩的沉降整體呈增大趨勢。而隔離樁傾斜在隔離樁凈距與直徑之比從1.25增至1.5時，發(fā)生了突增，在該范圍外傾斜僅小幅波動。隨著隔離樁直徑的增加，橋墩沉降整體減小，在0.6～1.1?m的范圍內(nèi)變化較緩。橋墩傾斜隨直徑增加先減小，在0.6?m后又出現(xiàn)小幅增長，但直徑超過0.9?m后傾斜繼續(xù)減小。