吉茂杰

上海申通地鐵集團有限公司 上海 201101

1 工程概況

上海軌道交通14號線浦東大道站與已運營的4號線浦東大道站“十”字換乘。車站被4號線大連路隧道、4號線浦東大道站車站分為3個基坑。西區(qū)基坑的標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24.65 m，圍護采用厚1 m、深50 m地下連續(xù)墻，沿基坑深度共設(shè)置6道支撐，第1道和第4道為混凝土支撐，第5道為φ800 mm鋼支撐，其余為φ609 mm鋼支撐。車站周邊環(huán)境復(fù)雜，車站西南側(cè)的嶗山一村距離車站僅約6 m?；英佟葺S之間所有鋼支撐均采用軸力伺服系統(tǒng)，⑤～ 軸之間部分鋼支撐采用軸力伺服系統(tǒng)（圖1、圖2）。

第3道鋼支撐（普通或伺服）標(biāo)高為－9.10 m，第4道混凝土支撐標(biāo)高為－12.30 m，第5道伺服鋼支撐標(biāo)高為－16.50 m。

2 伺服鋼支撐工作原理

普通鋼支撐預(yù)加軸力后在其活絡(luò)端打入鋼楔塊以鎖定軸力，鎖定過程中由于鋼楔塊的變形會帶來瞬間的軸力損失，并且鋼支撐在受地下連續(xù)墻擠壓后會產(chǎn)生彈性壓縮，不能自動調(diào)整鋼支撐的軸力和長度，只能被動受壓。

圖1 基坑支撐布置平面

圖2 基坑支撐布置剖面

伺服鋼支撐是將普通鋼支撐的活絡(luò)端替換為專用支撐頭，支撐頭內(nèi)部設(shè)千斤頂，可以智能地根據(jù)設(shè)定的程序進行鋼支撐軸力和位移的調(diào)控[1]。在地下連續(xù)墻變形向內(nèi)擠壓鋼支撐使其縮短的同時，支撐頭會主動調(diào)整千斤頂?shù)挠透祝褂透桩a(chǎn)生向外的行程，彌補鋼支撐的壓縮量，從而控制了地下連續(xù)墻的變形。位于支撐頭上部的超聲波測距傳感器可以測量內(nèi)置千斤頂油缸的行程，該行程將用于支撐軸力的控制與基坑變形數(shù)據(jù)分析（圖3）。

圖3 伺服鋼支撐的工作示意

3 鋼支撐變形的實測數(shù)據(jù)分析

本節(jié)將對全伺服區(qū)域的P2和P35測斜孔，部分伺服區(qū)域的P3和P34測斜孔進行分析，全伺服區(qū)域的鋼支撐均為伺服鋼支撐，部分伺服區(qū)域的第2道和第3道鋼支撐為普通鋼支撐，第5道和第6道鋼支撐為伺服鋼支撐。各測斜孔對應(yīng)的支撐編號及安裝日期如表1所示。

表1 各測斜孔對應(yīng)的鋼支撐編號及安裝日期

下面分析第3道鋼支撐分別采用伺服和非伺服方式的位移控制效果。第3道鋼支撐的軸力隨著基坑的下挖不斷增大，按第3、4、5道支撐安裝的時刻分為3個開挖節(jié)點進行分析，第3道鋼支撐在各開挖節(jié)點的軸力分別列入表2。

表2 第3道鋼支撐在各開挖節(jié)點的軸力

根據(jù)現(xiàn)場測斜數(shù)據(jù)，可得到測斜孔的位移曲線（圖4、圖5）。

從圖4可以看出，全伺服區(qū)域的第3、5道伺服鋼支撐安裝好以后，各標(biāo)高位移曲線會有減小趨勢，隨后很長一段時間都緩慢發(fā)展，而第4道混凝土支撐并不能帶來位移的穩(wěn)定。測斜孔P2及P35所對應(yīng)的第3道支撐標(biāo)高（－9.10 m）處的地下連續(xù)墻變形值記為sp2和sp35。

圖4 P2/P35測斜孔對應(yīng)各開挖節(jié)點的地下連續(xù)墻位移曲線

圖5 P3/P34測斜孔對應(yīng)各開挖節(jié)點的地下連續(xù)墻位移曲線

從圖5可以看出，在第3道普通鋼支撐3-P3安裝好以后，－9.10 m標(biāo)高處的位移仍在緩慢增大，在第4道混凝土支撐4-P3澆筑好以后該標(biāo)高處位移繼續(xù)增大，直到第5道伺服鋼支撐5-P3安裝好以后，該標(biāo)高的位移發(fā)展趨于平緩。從－16.50 m處地下連續(xù)墻的位移曲線可以看出，在5-P3伺服鋼支撐安裝好以后，該標(biāo)高的位移有向基坑外側(cè)變形的趨勢，之后位移發(fā)展趨于平緩。將測斜孔P3及P34對應(yīng)的第3道支撐標(biāo)高（－9.10 m）處的地下連續(xù)墻變形值記為sp3和sp34。

我們從以上測斜曲線中的數(shù)據(jù)分析第3道鋼支撐標(biāo)高位置（－9.10 m）的雙側(cè)地下連續(xù)墻收斂值。由于測斜孔P2對應(yīng)的基坑另一側(cè)測斜孔位為P35，測斜孔P3對應(yīng)的基坑另一側(cè)測斜孔位為P34，因此將相對應(yīng)的2個測斜孔位的變形值疊加，就是第3道鋼支撐標(biāo)高位置的雙側(cè)地下連續(xù)墻收斂值，即鋼支撐的實際壓縮值lac，5-P2（5-P3）安裝時刻與3-P2（3-P3）安裝時刻的鋼支撐壓縮值之差為Δlac（表3）。

表3 第3道鋼支撐在各開挖節(jié)點的實際壓縮值

第3道伺服鋼支撐實際壓縮值：lac=sp2＋sp35。

第3道非伺服鋼支撐實際壓縮值：lac=sp3＋sp34。

第3道支撐分別采用伺服和非伺服鋼支撐，當(dāng)軸力大小相等時，基坑水平位移卻相差很大，即鋼支撐的總壓縮量相差很大。且從3-P2（3-P3）安裝時刻到5-P2（5-P3）安裝時刻這段時間，伺服鋼支撐產(chǎn)生的位移增量只有2.02 mm，而非伺服鋼支撐卻達(dá)到了17.31 mm。

4 鋼支撐變形的理論計算分析

本節(jié)將通過理論分析，探究基坑變形的組成，從而解釋伺服鋼支撐變形較小的原因。

4.1 鋼支撐在軸壓力作用下的變形

第3道鋼支撐均為φ609 mm鋼支撐，外徑D=609 mm，壁厚t=16 mm，鋼支撐長度L=24 m，鋼材彈性模量為E=210×103MPa。經(jīng)計算，φ609 mm鋼支撐的受力面積A=29 792 mm2，則鋼支撐在軸壓力作用下的壓縮值lF=F·L/（A·E）。根據(jù)此式，可得到第3道鋼支撐在各開挖節(jié)點軸壓力作用下的壓縮值。

4.2 鋼支撐在溫度作用下的變形

鋼支撐長24 m，線膨脹系數(shù)為12×10-6K-1，該工程施工期間最大溫差為15 K，因此該鋼支撐熱脹冷縮的最大變形值[2]為：lt=4.32 mm。

4.3 鋼支撐在工作狀態(tài)下的理論最大壓縮值

鋼支撐在預(yù)加軸力作用下會產(chǎn)生初始壓縮變形，之后開始工作，在土壓力作用下，鋼支撐軸壓力增大時變形也相應(yīng)增加，各軸壓力增量ΔlF和溫度作用下的變形lt之和即為它的理論變形值lth。因此：lth=ΔlF＋lt。

軸壓力為1 400 kN時，發(fā)生初始壓縮變形lF=5.37 mm，ΔlF=0 mm；軸壓力為1 700 kN時，鋼支撐壓縮值lF=6.52 mm，ΔlF=6.52－5.37=1.15 mm；軸壓力為2 000 kN時，鋼支撐壓縮值lF=7.67 mm，ΔlF=7.67－5.37=2.30 mm。

綜上所述，不同軸力作用下鋼支撐的理論最大壓縮值如表4所示。

對比表3中的鋼支撐實際壓縮值和表4中的鋼支撐理論壓縮值發(fā)現(xiàn)，伺服鋼支撐的實際與理論壓縮值相差不大，而非伺服鋼支撐的實際壓縮值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其理論壓縮值。

軸力伺服系統(tǒng)的特點在于它可以通過自動調(diào)節(jié)油缸長度來彌補鋼支撐的壓縮量，主動控制地下連續(xù)墻的位移；而普通鋼支撐由于無法自動調(diào)節(jié)自身長度，因此在地下連續(xù)墻的壓力作用下，節(jié)點之間的壓縮及撓曲變形使鋼支撐產(chǎn)生了很大的壓縮，從而帶來了更大的地下連續(xù)墻位移。表3中伺服鋼支撐與非伺服鋼支撐的位移控制效果相差懸殊，在于伺服鋼支撐主動調(diào)整自身長度彌補了鋼支撐在撓曲變形及節(jié)點壓縮過程中所產(chǎn)生的變形。因此，使用伺服段的變形遠(yuǎn)小于非伺服段的變形，該變形差將在下節(jié)中得到數(shù)據(jù)證明。

表4 不同軸力作用下鋼支撐的理論最大壓縮值

5 伺服鋼支撐的變形分析

支撐軸力伺服系統(tǒng)的位移測量功能是通過測量支撐頭內(nèi)千斤頂?shù)男谐虂韺崿F(xiàn)的[3]，超聲波測距儀是目前比較先進的一種位移測量方式，此次工程采用的支撐軸力伺服系統(tǒng)即使用超聲波測距儀進行位移測量。P2測斜管對應(yīng)的第3道伺服鋼支撐為3-P2，在3-P2安裝當(dāng)日（11月14日）和5-P2安裝當(dāng)日（12月16日）的平均軸力及平均油缸行程見表5。從支撐軸力伺服系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺上可得到軸力-油缸行程/時間曲線（圖6）。

表5 伺服鋼支撐3-P2軸力與油缸行程

圖6 伺服鋼支撐3-P2軸力-油缸行程/時間曲線

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，軸力由1 400 kN增加到2 000 kN時，鋼支撐的實際壓縮值、理論壓縮值和油缸行程的情況如表6所示。表中的Δl表示3-P2安裝時刻至5-P2安裝時刻間所產(chǎn)生的位移增量。

由表6可知，從3-P2安裝時刻至5-P2安裝時刻，伺服鋼支撐的實際壓縮值與油缸行程之和為2.02＋14.16=16.18 mm，接近于非伺服鋼支撐的實際壓縮值17.31 mm。再次表明了伺服系統(tǒng)可以通過主動調(diào)整鋼支撐的長度，很大程度地補償其在壓力、溫度及節(jié)點拼接間隙等各種因素下的壓縮量。即：

表6 3道鋼支撐標(biāo)高處地下連續(xù)墻的位移增量

正是由于該恒等式的存在，軸力伺服鋼支撐大大限制了地下連續(xù)墻位移的產(chǎn)生。

6 結(jié)語

本文結(jié)合上海軌交14號線浦東大道站的工程案例，對比了普通支撐與伺服支撐的變形控制數(shù)據(jù)。通過理論計算與實測數(shù)據(jù)分析，證明了伺服鋼支撐實際上是一種可以智能伸縮的鋼支撐，千斤頂?shù)纳斐隽坑行У匮a償了支撐撓曲變形及節(jié)點拼接處的變形，并且在一定程度上補償了溫度及土壓力變化帶來的支撐本體壓縮，進一步證明了軸力伺服鋼支撐在變形控制方面的有效性，可為進一步優(yōu)化支撐軸力伺服系統(tǒng)的控制算法提供理論依據(jù)[4-5]。