目前我国城市轨道交通处于蓬勃建设时期，随着线网的不断加密，车站基坑周边的各类建筑物、管线等愈加密集、复杂，对基坑变形控制和支撑有效性的要求也越来越高^[1,2]。钢支撑作为基坑围护体系中的一种构件，利用自身较高的横向抗变形能力控制围护结构侧向变形，具有自重小、安装和拆除方便、施工速度快及可重复使用等优点^[3,4]，而且钢支撑可通过施加预应力确保在安装后立即发挥支撑作用，对基坑变形控制十分有利^[5,6]。因此，目前主要的地铁基坑支护形式为1道混凝土支撑+N道钢支撑^[7,8]，其中钢支撑预应力一般取设计标准值的50%～70%。目前，施加预应力后的钢支撑端头^[9,10]基本采用不同规格承插式楔形块进行锁定，以期维持支撑效果。然而，由于钢楔块在点接触位置易发生应力集中，并且在局部压曲、受拉作用下易脱落，偏心作用下易扭曲及现场施工不规范等，钢楔块难以有效锁定钢支撑预应力^[11,12,13]，预加轴力损失较多 (15%～45%) ，很难达到钢支撑有效轴力的设计要求。

　　 近年来，钢支撑轴力伺服系统在理论和工程上取得一定的发展和应用，已能进行基坑围护结构的主动变形调控^[14,15,16]。但钢支撑轴力伺服系统整套设备成本高昂，后期维护管理费用也较高，难以在基坑工程中进行大面积推广应用。此外，若其液压系统出现诸如油路爆管等类似故障，会导致支撑轴力崩减，进而诱发基坑自身及周边环境发生灾害。

　　 为克服传统钢支撑承插式楔形块和轴力伺服系统的不足^{[17,18,19,20]}，研制一种新型钢支撑活络端头结构，将其安装在钢支撑上，形成活络端头钢支撑结构。通过此新型钢支撑与传统承插式楔形块钢支撑的现场对比试验，验证其良好的保载性及基坑变形控制效果，是一种安全可靠、经济实用、具有大范围推广前景的新型基坑支护钢支撑技术。

　　 新型活络端头采用螺栓紧固原理进行钢支撑轴力锁定，活络端头两侧各设置1个锁紧螺栓，如图1所示。双螺栓的形式既可减小偏转力矩又可适当调节基座偏转角度以与围护结构紧贴，从而避免单螺栓在施工过程中受到偏转力矩而产生弯曲。609钢支撑活络端头的2根锁紧螺栓设在外侧，预加轴力时2台液压千斤顶放在内侧。考虑800钢支撑预加轴力值更高，所用液压千斤顶尺寸更大，故将2个锁紧螺栓调整至内侧，便于外侧空间放置液压千斤顶。

　　 鉴于锁紧螺栓承受轴向抗压荷载较大，为防止螺纹破坏造成螺帽滑脱，参照GB/T 12359—2008《梯形螺纹极限尺寸》中相关数据选择螺距16mm的梯形螺纹，其具有较小的螺旋角度使螺母自锁。螺栓采用45号钢进行加工并做调质加强处理，材料屈服强度可达640MPa。针对609，800钢支撑，分别按4 000, 5 000kN最大可承受轴力进行设计。经过计算，609钢支撑采用M90×650且螺距16mm螺栓，160×200螺母;800钢支撑采用M120×650且螺距16mm螺栓，190×240螺母。按锁紧螺栓承受全部轴力荷载进行设计、校核，确保钢支撑整体安全储备。

　　 基坑施工过程中，在既有准备工作完成后，采用以下主要工序进行活络端头的安装及调试。

　　 1) 预加轴力计算根据设计要求对不同部位钢支撑构件预加轴力进行计算。

　　 2) 轴力预加根据预加轴力选择对应规格油顶及泵站，分3次加压至规定值。加压过程中注意观察钢支撑全部构件，待加压至规定数值时稳压后仔细观察构件状态是否稳定。

　　 3) 螺栓锁紧压力稳定后使用加力杆对活络端锁紧螺母进行紧固，紧固时两侧同时进行，加力杆应完全插入锁紧孔后方可施加扭力，锁紧时应控制两侧螺母锁紧长度，控制活络端与地下连续墙贴合姿态，使活络端端板与地下连续墙密贴并使两侧丝杆受力均匀。

　　 考虑工程边界效应，试验段选取苏州市轨道交通5号线V-TS-03标花苑路站基坑长边中间位置 (27) ～ (34) 轴的主体结构基坑标准段，选取 (27) ～ (29) 轴相应的3幅地下连续墙采用传统钢支撑 (即采用承插式楔形块) ; (31) ～ (33) 轴相应的3幅地下连续墙采用新型钢支撑 (新型活络端头) 。该段结构宽度为19.9m，开挖深度约20.1m，采用800mm厚地下连续墙，墙长35.5m。竖向设置5道支撑+1道换撑，其中第1道支撑为钢筋混凝土支撑，第4道为800钢支撑，其余为609钢支撑，如图2所示。

　　 图2中所示试验段的地层情况由上往下分别为: (1) ₁杂填土、 (3) ₁黏土、 (3) ₂粉质黏土、 (3) ₃粉土、 (4) ₁粉质黏土、 (5) ₁粉质黏土。第4, 5层为约9.5m厚 (4) ₁软塑状粉质黏土层，主体结构底板持力层为 (5) ₁软塑、局部可塑状粉质黏土层。根据勘察报告显示， (4) ₁层力学性能较 (5) ₁层更差。试验段地下连续墙插入比为1∶0.775，墙底坐落于 (5) ₁层。试验段地层没有出现主要地层缺失、起伏较大等情况，保证了传统钢支撑与新型钢支撑的场地条件一致，这为新型钢支撑活络端头的应用性能测试提供较好条件。

　　 在试验基坑 (27) ～ (34) 轴的标准段，选取 (27) ～ (29) 轴相应的3幅地下连续墙编号自左向右分别为 (1) , (2) , (3) ; (31) ～ (33) 轴相应的3幅地下连续墙编号自左向右分别为 (4) , (5) , (6) ;中间 (29) ～ (31) 轴相应的3幅地下连续墙可以减少2个试验段之间的相互影响。分别在2个工艺测试段设置1个监测断面，测试内容包括墙体深层水平位移、支撑轴力、地表沉降。具体点位及编号如图3所示 (CX表示测斜孔，DB表示地表沉降监测点，ZL表示支撑轴力监测点) ，其中钢支撑轴力编号采用“ZL墙号-道号”的格式，如“ZL5-3”表示第5幅地下连续墙上第3道钢支撑监测点。

　　 该基坑项目自2017年11月29日开始测试，测试初期频率为1次/2h，稳定后逐步放缓至1次/d频率进行;在开始第4, 5层土方开挖时，按2次/d测试频率进行，直至稳定后根据现场情况增减频次。在测试过程中，准确记录测试的工况节点，如表1所示。

　　 钢支撑架设完成后，根据设计要求对不同部位钢支撑端头构件预加轴力，传统端头与新型端头分别在预加轴力完成后安装楔形块及螺母紧固。同时，在下一步开挖前进行>24h的轴力测试，以分析新型钢支撑端头的保载性能。

　　 通过对监测数据的整理，分析R/R₀ (R为动态轴力，R₀为预加轴力) 随时间的衰减规律，如图4所示。

　　 由图4可知，传统工艺段的钢支撑轴力存在一定衰减，与预加轴力的比值为65%～95%;新工艺段钢支撑轴力衰减基本可忽略，与预加轴力的比值基本在95%以上，在预加应力完成后轴力随坑壁的变形能快速增长。这表明新工艺段在控制预应力损失上较传统工艺好，即新型活络端头的保载效果较稳定。

　　 选取传统工艺段 (2) 号墙、新工艺段的 (5) 号墙，进行多道钢支撑轴力在全工况条件下的演化过程分析，如图5所示。

　　 随着土层的逐渐开挖，传统工艺段、新工艺段的第2, 3, 4道钢支撑的也随之架设。从图5中可以看出，钢支撑轴力均伴随着不同土层的开挖而演化，在基坑第5层土方开挖后，第4道钢支撑轴力出现最大值。此外，各层钢支撑受力状态随基坑开挖深度的增加存在波动变化，新架设的钢支撑轴力因开挖而急剧增加的同时，相邻的上部钢支撑轴力则会出现一个减小的过程，如图5中阴影部分所示。

　　 表2所示为新、旧工艺段各层位开挖完成后各道钢支撑两端头测点得到的轴力数据，将各道钢支撑的2个测点平均后进行比较分析。

　　 1) 钢支撑服役期间的最大轴力出现在第4道，这与轴力历时曲线一致。

　　 2) 新工艺段各道钢支撑轴力值较传统工艺段高，其中第2～5道新、传统工艺段的支撑轴力比值分别达1.46, 1.53, 1.22, 1.68，这也反映出新工艺段的钢支撑端头方案的保载性能明显优于传统钢支撑端头方案。

　　 通过对试验段基坑地下连续墙进行测斜，整理不同工况下的传统钢支撑端头与新型钢支撑端头2种条件下的坑壁变形情况。北侧、南侧基坑侧壁变形分别如图6, 7所示。

　　 为更好地分析比较两种钢支撑端头技术在基坑工程中的支护效果，将基坑开挖引起的坑壁最大累积变形进行全工况条件下的分析。图8a, 8b分别对应传统钢支撑端头、新型钢支撑端头情况下的基坑壁最大累积变形随时间 (工况) 的全过程演化趋势。可以看出，累积变形量在每种工况下都有一定增大，在工况间隙出现一定程度的蠕变效应。此外，最大累积变形趋势也能反映出基坑南侧公寓楼对坑壁变形演化的影响，两种工艺条件下均呈现南侧最大累积变形大于北侧最大累积变形。通过对比两种工艺条件下的最大累积变形量值可发现，新工艺条件下的最大累积变形量明显小于传统工艺条件下的最大累积变形量。

　　 针对两种工艺条件，比较基坑施工各工况情况下的最大累积变形量差异，监测数据如表3所示。可以发现，在第3层土体开挖之前，两种工艺条件下的累积最大位移量值不大，而且差异不明显，表明此时的基坑壁较稳定。

　　 在第4层开挖至底板施工前，基坑壁的累积最大位移增加显著，最大达100mm。随着基坑壁累积最大位移增加，两种工艺间的差异也变得显著。在底板施工前，基坑南、北两侧在两种支撑工艺条件下的坑壁最大累计积变形差分别达18.73%，27.38%。这表明采用新型钢支撑端头技术能有效控制基坑开挖过程中的坑壁变形，进而能控制周围环境安全。

　　 通过对试验段基坑两侧的地表沉降变形进行观测，整理不同工况下的传统钢支撑端头与新型钢支撑端头两种条件下的地表沉降情况，如图9所示。

　　 图9a, 9b分别对应传统钢支撑端头、新型钢支撑端头情况下的基坑外侧地表变形随时间 (工况) 的全过程演化趋势。可以看出，沉降变形量在第3层开挖前，新、旧支撑工艺条件下的地表沉降量差异不大，表明此时的基坑壁较稳定，这与基坑侧壁的变形趋势一致。第3层开挖后，两种支撑工艺下的每个工况均产生显著的地表变形增量，在工况间隙期间也会有一定程度的蠕变效应。统计两种工艺条件下的最大累积沉降变形量值，如表4所示。可以发现，新工艺条件下的累积沉降量明显小于传统工艺条件下的累积沉降量。在第4层开挖直至底板施工前，周围地表沉降变形量增加显著，最终达到52mm，两种工艺间的差异在底板施工前达到近50%。这表明，采用新型钢支撑端头技术能有效控制基坑开挖过程中的周围地表沉降，确保周围环境安全。

　　 1) 新型活络端头钢支撑适应性好，灵活性优于传统钢支撑;可通过微调螺栓实现支撑与围护结构紧贴，确保支撑轴心受力。

　　 2) 新型活络端头钢支撑的保载性能较好，在基坑施工过程中能有效降低轴力损失，提高深基坑施工安全性。

　　 3) 采用新型活络端头钢支撑，由于其良好的保载性能，能减小基坑深层累积变形，并且能减小基坑周围地表沉降，最大限度地降低施工对周围环境的影响。

　　 4) 通过该项研究，论证新型活络端头方案的可行性与优越性，能为基坑支护工程提供一种安全可靠、经济实用并且能大范围推广应用的新型钢支撑技术。