城市密集区进行地铁车站开挖, 一方面需保证基坑本身的安全, 另一方面需保证周围环境的安全。城市密集区地铁车站深基坑工程带来的环境问题贯穿于整个施工过程^[1], 基坑开挖过程中带来的影响往往达到80%以上^[2], 研究如何减小基坑开挖过程中对周围环境造成的影响成为具有实用价值的问题。

在车站深基坑开挖过程中, 钢支撑由于具有拆装迅速和可循环利用等优点被广泛应用。而钢支撑轴力伺服系统是基于普通钢支撑针对深基坑工程由硬件设备和软件程序共同组成的1套智能基坑水平位移控制系统, 可24h实时监控, 低压自动补偿、高压自动报警^[3]。向艳等^[4]研究了温度应力对内支撑杆件轴力和支护结构变形的影响规律, 当温度变化时, 内支撑的轴力变化幅度可达41%, 坑壁外侧土体的水平位移滞后于地下连续墙的位移。在施工进度、环保、安全等方面均有较大优势^[5]。然而伺服系统较常规钢支撑成本要高, 施工过程中的优化设计对工程建设具有重要意义^[6]。

本文基于深圳地铁莲塘站深基坑工程, 通过实时监测数据, 分析伺服系统在温度变化与周围环境变化时的作用, 以及通过数值计算对伺服钢支撑进行优化布置, 为实际工程提供参考。

深圳地铁莲塘站位于畔山路与国威路交叉口处, 车站周边建筑物密集, 与房屋最近距离仅2m, 且周边建筑多修建于20世纪90年代初, 基础多为浅基础;同时管线密布, 大部分雨水、污水管年久失修, 老化现象较严重。车站为地下2层岛式站台车站, 局部3层, 全长278.6m, 有效站台宽度11m。车站结构形式为地下2层单柱双跨闭合框架结构 (局部双柱3跨) , 结构净宽为18.7m。车站覆土约3.4~4.4m。沿线范围内上覆第四系全新统人工堆积填层 (Q₄^ml) 、全新统冲洪积层 (Q₄^al+pl) 、残积层 (Q^el) , 下覆主要为侏罗系凝灰岩 (J) 。

为减少围护结构变形, 保护周边建筑物安全, 基坑标准段 (3) ~ (28) 轴钢支撑采用自动伺服系统。 (3) ~ (28) 轴之间均设置2道伺服钢支撑, 共用136根伺服支撑, 每8根伺服钢支撑共用1台数控泵站, 泵站共计17台。

为确保施工中围护体系的安全变形, 钢支撑架中需要预加设计轴力, 一般深基坑施工的延续时间较长, 轴力损失不可避免^[7,8]。钢支撑在支撑架设完成后, 周围环境的变化对支撑轴力有明显影响, 开挖面扰动、邻近钢支撑架设、温度变化等都会影响钢支撑轴力的变化。随着深基坑施工的不断进行、各种基坑变形因素的发生, 基坑围护体系的支撑轴力也随之相应变化。

伺服系统钢支撑安装加载完成后, 在之后的24h轴力补载频率最高, 后期支撑轴力趋于稳定, 研究表明, 钢支撑安装后的12h支撑轴力损失达10%~50%^[9]。

支撑架设可造成地下连续墙向外发生微小强制位移, 从而损失临近支撑轴力, 如图1所示。支撑轴力伺服系统通过传感器对支撑轴力进行实时监测并实时补充压力, 使支撑轴力稳定于需要的范围内, 从而达到控制基坑变形量及变形速率的目的。

温度的变化是引起钢支撑轴力变化的主要原因之一。假设固定支撑两端由温度引起的支撑轴力变化不会使围护结构产生变形。

式中:ΔL为钢支撑热膨胀伸缩量 (mm) ;α为钢材的线膨胀系数 (1/℃) ;t₁为昼间温度 (℃) ;t₂为夜间温度 (℃) ;L为钢支撑总长度 (m) 。

而实际支撑两端并非固定, 由温度引起的支撑轴力必然会使围护结构产生变形, 通过统计分析现场监测数据, 普通钢支撑轴力变化约32kN/℃。

统计支撑轴力伺服系统的轴力、温度及每道支撑每天的轴力变化与温度变化, 并进行相关性分析, 支撑轴力约为14~20kN/℃。说明伺服系统钢支撑活塞杆的位移能更好地调节轴力与温度的变化, 减小温度应力变化对支撑轴力造成的影响。

由于伺服支撑的价格相对较高, 为节约施工成本, 大多采用部分伺服, 在重要位置布置伺服系统钢支撑。为使伺服系统钢支撑取得最优效果, 利用ABAQUS有限元软件对伺服系统钢支撑进行优化分析, 计算模型如图2所示。

通过约束钢支撑加载点处腰梁的转动, 加载恒定的支撑轴力来模拟伺服系统钢支撑的加载。计算采用莫尔库仑模型, 基坑分4层进行开挖, 计算参数如表1所示。

深基坑开挖导致的地下连续墙水平位移会引起地层和应力损失, 从而导致邻近建筑物的沉降开裂。对地下连续墙变形曲线进行分析, 由图3a普通钢支撑的变形可知, 随着基坑的开挖, 地下连续墙产生基坑内侧位移, 墙顶混凝土支撑刚度较大, 产生位移较小。开挖第1层土时, 开挖面附近地下连续墙的位移较大, 随着基坑的开挖, 地下连续墙的最大位移位置也逐渐下移。安装第3道支撑时, 有类似于“踢脚”的变形模式发生, 随着开挖的进行, 这种变形模式越发明显。开挖完成后地下连续墙最大水平位移49.4mm。

布置第2道伺服钢支撑时, 加载造成地下连续墙向外侧的位移, 随着基坑开挖深度的增加, 第2道支撑处的位移变化不大。开挖完成后地下连续墙最大水平位移36mm, 如图3b所示。

第3道加载完成后地下连续墙没有产生明显向外侧的位移, 随着开挖的继续进行, 第3道支撑位置处水平位移变化不大, 开挖完成后地下连续墙的水平位移37mm, 如图3c所示。

布置第4道伺服钢支撑时, 第4道支撑的架设可以使地下连续墙底部产生向基坑外侧的变形, 可以有效防止地下连续墙的“踢脚”破坏。开挖完成后地下连续墙的水平位移49.3mm, 如图3d所示。

布置第2, 3道伺服钢支撑时, 地下连续墙的最大水平位移30mm;布置第3, 4道伺服钢支撑时, 地下连续墙的最大水平位移31mm;全伺服钢支撑时, 地下连续墙的最大水平位移28mm, 如图3e~3g所示。

基坑开挖导致地下连续墙向基坑内产生位移和周边房屋发生沉降往往不可逆。图4所示的伺服系统支撑布置与地下连续墙位移和房屋沉降关系, 表明地下连续墙最大位移与房屋沉降正相关, 对地下连续墙位移和房屋沉降的控制效果为:全伺服>第2, 3道伺服>第3, 4道伺服>第2道伺服>第3道伺服>第4道伺服>普通钢支撑。

为最大限度保证基坑安全, 本基坑主要对围护结构采用位移控制, 在安全控制上卸载基坑轴力采用人为控制, 地下连续墙没有出现向外的位移或超过设计轴力极限值, 不对支撑轴力采用自动卸载, 对基坑设计轴力和监测轴力进行统计发现, 随着基坑开挖, 支撑轴力也在相应变化, 所以控制支撑轴力时需要考虑时空效应影响 (见图4) 。

对基坑开挖侧斜数据进行实时分析。车站围护结构设置基坑变形监测点, 进行地铁车站周边地下连续墙变形数据监测采集。通过整理和归纳累计变形数据进行分析。

本车站采用部分伺服钢支撑开挖, 由图6可知, 第3道伺服段最大侧向位移平均值为44.9mm;2, 3道伺服段最大侧向位移为23.2mm;2, 4道伺服段最大侧向位移平均值为31.4mm;3, 4道伺服段最大侧向位移平均值为36.7mm。2, 3道伺服对地下连续墙变形控制效果最好, 随着基坑开挖, 地下连续墙变形往往不可逆, 伺服系统钢支撑对地下连续墙的变形起到积极作用, 越早控制, 对地下连续墙的变形控制效果越好。

1) 对周边有临近地铁、保护建筑等对基坑变形有较大限制的深基坑工程, 采用伺服系统能起到明显作用。尤其是施工过程的信息化管理模式为工程安全管控提供了可靠保障。

2) 与普通地下连续墙钢支撑围护体系相比, 采用伺服系统钢支撑千斤顶活塞杆位移可以减小温度应力对钢支撑的影响, 避免环境变化对支撑应力造成损失, 确保支撑轴力稳定。

3) 伺服系统钢支撑数量越多, 对基坑的安全和周边房屋沉降的控制越好, 伺服系统钢支撑数量越多, 需要投入的成本越高, 但在保证基坑及周边房屋安全的情况下, 其产生的隐性效益巨大。

4) 在支撑轴力方面, 设计与实际监测值有偏差, 需要考虑时空因素对轴力系统的影响。