上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

0 引言

我國(guó)軟土地區(qū)如上海、蘇州等地，在軌道交通、保護(hù)建筑等復(fù)雜環(huán)境周邊興建的建（構(gòu)）筑物越來越多，在城市施工中對(duì)周邊環(huán)境影響的控制日趨嚴(yán)格，基坑施工尤其是開挖過程中對(duì)變形（水平側(cè)移和豎向沉降）控制的要求也越來越高。

目前已有多個(gè)項(xiàng)目采用鋼支撐自動(dòng)軸力伺服系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SBASS），也取得了一定的成效，本文在理論上假設(shè)同基坑鋼支撐的多種不同情況，通過有限元分析模擬得出水平側(cè)移和豎向沉降理論數(shù)據(jù)，并與多個(gè)工程實(shí)例中運(yùn)用后得出的周邊環(huán)境影響的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析。

1 自動(dòng)伺服系統(tǒng)介紹

鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)是一套運(yùn)用于深基坑鋼支撐上，通過DCS系統(tǒng)對(duì)鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)力值自動(dòng)增加或減少軸力的系統(tǒng)。

根據(jù)其功能特點(diǎn)的不同分為液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)、鋼支撐軸力伺服執(zhí)行系統(tǒng)（由鋼箱體、鋼支架平臺(tái)、千斤頂組成）、電氣與監(jiān)控系統(tǒng)（由總監(jiān)控操作站、就地控制站組成）共3個(gè)部分（圖1）。其具有如下特點(diǎn)[1-4]：

圖1 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意

1）可實(shí)現(xiàn)支撐軸力實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)補(bǔ)償；

2）系統(tǒng)采用了機(jī)械與液壓雙自鎖設(shè)計(jì)，安全可靠；

3）伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工安裝、拆卸便捷；

4）正常工作時(shí)，液壓站與油管無壓力，安全高效；

5）可實(shí)現(xiàn)24 h全天候遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及報(bào)警。

SBASS應(yīng)用的范圍通常為周邊存在對(duì)安全性要求較苛刻的工程或項(xiàng)目（如周邊存在軌交、高密度老舊居民區(qū)、保護(hù)性建筑等），適用于深基坑或一般基坑中的鋼支撐施工（圖2）。

圖2 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的運(yùn)用

2 理論分析

鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)是一個(gè)新事物，國(guó)內(nèi)運(yùn)用較少，且無相應(yīng)規(guī)范可循，使用經(jīng)驗(yàn)也較少，過去施工的個(gè)別工程無法準(zhǔn)確凸顯其效果。

為了模擬鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)運(yùn)用后可能對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和坑外地表沉降產(chǎn)生的影響，選擇同基坑鋼支撐的不同情況分別建立有限元模型：

1）情況1：鋼支撐全部采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)；

2）情況2： 一半鋼支撐采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)；

3）情況3：鋼支撐間隔采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)；

4）情況4：?jiǎn)我荒车冷撝尾捎米詣?dòng)伺服系統(tǒng)。

經(jīng)過有限元的模擬分析，得出分析結(jié)果如表1所示。

表1 有限元分析值

從有限元分析可以看出，運(yùn)用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)可以有效地控制鋼支撐的軸力，將鋼支撐本身應(yīng)力消散變形或溫差應(yīng)變變形的影響明顯降低，鋼支撐全部采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)的效果最好，一半使用的次之，間隔使用的再次之，單一某道使用的效果最差，但仍符合規(guī)范規(guī)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移及坑外地表沉降數(shù)值（一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移0.18%H，坑外地表最大沉降0.15%H，H為開挖深度）。擬選取幾個(gè)實(shí)際施工案例與有限元理論分析值進(jìn)行比較。

3 工程實(shí)際測(cè)試

分別選擇蘇州新光三越百貨項(xiàng)目、上海軌交13號(hào)線淮海中路站等4個(gè)周邊環(huán)境復(fù)雜的一級(jí)基坑工程實(shí)例作為樣本進(jìn)行監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)收集。

3.1 蘇州新光三越百貨項(xiàng)目

該項(xiàng)目（實(shí)例1）位于蘇州工業(yè)園區(qū)，南側(cè)近軌交區(qū)間處劃分為4個(gè)寬20 m、深19 m的基坑，距離軌交區(qū)間最近處9.15 m，軌交區(qū)間埋深位于第4道鋼支撐所處位置。該項(xiàng)目共有5道支撐（第1道為混凝土支撐，第2～5道為鋼支撐），164根鋼支撐全部采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)（圖3、圖4）。

圖3 墻體測(cè)斜示意

圖4 土體位移沉降示意

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，軌交區(qū)間側(cè)墻體測(cè)斜在14.40 mm范圍內(nèi)，軌交區(qū)間側(cè)土體測(cè)斜控制在14.90 mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 上海軌交13號(hào)線淮海中路站

該項(xiàng)目（實(shí)例2）位于上海黃浦區(qū)瑞金一路以東，淮海中路以北的地塊內(nèi)，周邊有多層普通結(jié)構(gòu)民房，地理位置特殊。端頭井開挖深度32.80 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度30.90 m，地下6層結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段共有9道支撐（第1道為混凝土支撐，第4、6、8道為框架逆作板，第2、3、5、7、9道為鋼支撐），其中第5、7、9道鋼支撐（第9道為雙拼）采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，地下連續(xù)墻墻體測(cè)斜在32.80 mm范圍內(nèi)，土體測(cè)斜在31.50 mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 上海軌交12號(hào)線大木橋路站

本項(xiàng)目（實(shí)例3）位于上海大木橋路、零陵路交叉口，與已建成運(yùn)營(yíng)的軌道交通4號(hào)線呈“十”字形換乘，地下3層結(jié)構(gòu)，車站主體標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為23.80 m，端頭井開挖深度為25.40 m。主體標(biāo)準(zhǔn)段共7道支撐（第1、5道為混凝土支撐，其余為鋼支撐），本工程僅第4、6道采用自動(dòng)伺服系統(tǒng)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地下連續(xù)墻墻體測(cè)斜41.30 mm，土體測(cè)斜在35.90 mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 上海世博會(huì)地區(qū)A片區(qū)“綠谷”地下空間工程

該項(xiàng)目（實(shí)例4）位于上海浦東世博園區(qū)A10地塊，開挖深度在11.40～18.60 m之間，地下3層結(jié)構(gòu)。Ⅱ區(qū)基坑靠近西藏南路隧道約9.50 m，開挖深度為15.30 m，基坑共4道支撐（第1道為混凝土支撐，第2～4道為鋼支撐），僅第3道支撐部位采用鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)，且支撐體系有鋼圍檁存在。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地下連續(xù)墻墻體測(cè)斜在27.30 mm范圍內(nèi)，地下連續(xù)墻土體測(cè)斜在22.50 mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求[5-7]。

4 對(duì)比結(jié)果分析

根據(jù)規(guī)范，一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移0.18%H，坑外地表最大沉降0.15%H（H為開挖深度）。

對(duì)上述4個(gè)一級(jí)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、坑外地表沉降的規(guī)范值、有限元值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析，得出規(guī)范實(shí)測(cè)偏差如表2所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、坑外地表沉降對(duì)比分析

通過對(duì)規(guī)范數(shù)值、有限元值及實(shí)際測(cè)量數(shù)值的比較，我們發(fā)現(xiàn)雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移及坑外地表沉降皆滿足規(guī)范要求，然而有限元值相對(duì)實(shí)測(cè)值偏小，實(shí)測(cè)時(shí)由于多種情況的發(fā)生（如支撐不及時(shí)、降水、重車行走等）造成其比有限元值偏大，但仍滿足規(guī)范的要求。

另外，伺服系統(tǒng)在不同使用情況下達(dá)到的效果也不一樣，鋼支撐全部使用伺服系統(tǒng)的效果最好，其次為一半使用伺服系統(tǒng)的情況，再次為跳用伺服系統(tǒng)的情況，最后為只有單道鋼支撐使用伺服系統(tǒng)的情況。

鋼支撐自動(dòng)伺服系統(tǒng)目前由于市場(chǎng)需求不大、缺少競(jìng)爭(zhēng)的原因，價(jià)格相對(duì)于傳統(tǒng)鋼支撐較高，本文提到的蘇州新光三越百貨項(xiàng)目相對(duì)成本增加51%，上海軌交13號(hào)線淮海中路站工程增加33%，上海軌交12號(hào)線大木橋路站工程增加15%，上海世博會(huì)地區(qū)A片區(qū)“綠谷”地下空間工程增加14%。因此，雖然自動(dòng)伺服系統(tǒng)套數(shù)使用越多，效果越好，但同時(shí)也意味著成本相對(duì)越高（圖5）。

圖5 相對(duì)成本增加與沉降、偏移效果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

目前很多基坑位置位于市中心城區(qū)，周邊有多層普通結(jié)構(gòu)民房、軌道交通、保護(hù)建筑或地理位置特殊的基坑，傳統(tǒng)鋼支撐安裝后，基坑可能因鋼支撐本身應(yīng)力消散變形或溫差應(yīng)變而變形。為了確保工程施工不影響到周邊建（構(gòu)）筑物安全，控制地面沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，采用鋼支撐軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)可以彌補(bǔ)鋼支撐本身應(yīng)力消散、溫差應(yīng)變等引起的變形，從而更好地控制基坑變形。除此之外，還可以通過軸力數(shù)據(jù)及墻體側(cè)斜數(shù)據(jù)復(fù)核設(shè)計(jì)理論軸力的計(jì)算。

自動(dòng)伺服系統(tǒng)成本較高，鋼支撐全部使用該系統(tǒng)對(duì)于工程造價(jià)有一定的影響，根據(jù)基坑周邊環(huán)境進(jìn)行綜合性分析后選用合適數(shù)量的自動(dòng)伺服系統(tǒng)較為可取。