王 瑜（上海市交通建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站， 上海 200030）

上海地區(qū)地表下 30 m 范圍內(nèi)分布著大量的軟土，其具有含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低及流變特性強(qiáng)等特點(diǎn)。在這種地質(zhì)條件下實(shí)施軌道交通車站深基坑的開挖施工需要有效控制支護(hù)體系變形及受力狀態(tài)，從而確保周邊地表、建構(gòu)筑物及市政管線的變形穩(wěn)定。控制環(huán)境變形的根本是減小支護(hù)體系的變形。近年來部分軌道交通車站建設(shè)項(xiàng)目采用了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，在控制環(huán)境變形方面取得了良好的效果，特別是周邊 1 倍挖深范圍內(nèi)存在既有軌道交通、共同溝、大直徑燃?xì)夤艿?、輸油管線、大型壓力總水管、高壓鐵塔、歷史文物、近代優(yōu)秀建筑物、城市重要道路的基坑等，采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可大大減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，進(jìn)而減小環(huán)境變形達(dá)到基坑安全穩(wěn)定的目的。本文以上海某軌道交通車站深基坑實(shí)測(cè)變形成果為例，對(duì)比分析了采用伺服系統(tǒng)的端頭井與未采用伺服系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)段變形特征，為軟土地基深基坑施工過程中的環(huán)境保護(hù)措施提供參考依據(jù)。

1 伺服系統(tǒng)工作原理

鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件程序共同組成，主要適用于基坑施工過程中對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn) 24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)應(yīng)力變化實(shí)行低壓自動(dòng)伺服、高壓自動(dòng)報(bào)警，對(duì)基坑本體及周邊環(huán)境提供全方位自動(dòng)安全保護(hù)。

鋼支撐頭內(nèi)置壓力傳感器及超聲波位移傳感器，用以控制并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支撐軸力及位移。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的軸力值及動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)監(jiān)測(cè)到鋼支撐實(shí)際承擔(dān)的軸力低于設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)進(jìn)行軸力自動(dòng)補(bǔ)償；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到鋼支撐的軸力值大于設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低軸力，使之保持在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，確保基坑本體及周邊環(huán)境變形在安全區(qū)間。系統(tǒng)還可在監(jiān)控端手動(dòng)調(diào)整軸力值，以適應(yīng)不同工況下的軸力值大小。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)警范圍，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，可設(shè)置基坑具體情況軸力或支撐位移預(yù)警值。

2 工程概況

2.1 基坑概況

某軌道交通車站采用明挖順作法施工；車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置 2 堵封堵墻，將基坑分為左（1～13 軸）、中（13～30 軸)、右（31～43 軸）3 段，長(zhǎng)度依次為左 92.1 m、中 144.9 m、右 100.2 m，分兩期施工。其中左、右兩段為一期基坑，中間段為二期基坑。一期基坑南端頭井基坑開挖深度為 16.815 m，平面外包尺寸 26.84 m×15.70 m，沿基坑深度方向設(shè)置 5 道支撐，第 1 道為 800 mm×900 mm 鋼筋混凝土支撐，其余 4 道均為Φ609 （t=16 mm）鋼管支撐。一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度 15.084 m，平面外包寬度 22.04～23.04 m，沿基坑深度方向設(shè)置 4 道支撐，其中第一道為 800 mm×900 mm 鋼筋混凝土支撐，其余均為Φ609（t=16 mm）鋼管支撐。

南端頭井南側(cè)為市政道路，道路下方為既有運(yùn)營軌道交通線區(qū)間，軌面標(biāo)高為 -17.366 m，與車站基坑平面距離最近約 27 m；道路下方同時(shí)分布有上水、燃?xì)?、污水等重要的硬性管線。為確保既有軌道交通線路區(qū)間及重要市政管線的運(yùn)營安全，在南端頭井基坑第 2、3、4 道支撐采用了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形進(jìn)行控制。

2.2 地質(zhì)條件

（1）場(chǎng)地地層分布。本項(xiàng)目場(chǎng)地地層分布見表 1。

表 1 地層特性表

（2）承壓水。承壓水對(duì)基坑的影響主要表現(xiàn)為基坑開挖過程中是否會(huì)產(chǎn)生承壓水突涌問題。本擬建場(chǎng)地存在賦存于 ⑤1j層中的微承壓水、⑦1-1層和 ⑧2-2層（與 ⑧2-3層連通）中的承壓水?；娱_挖后，抗承壓水頭的穩(wěn)定性應(yīng)滿足式（1）要求。

式中：Pcz—坑底開挖面以下至承壓含水層頂板間覆蓋土的自重壓力，地下水位以下按飽和重度計(jì)算，kPa；

Pwy—承壓水壓力，kPa。

經(jīng)計(jì)算，一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段、南端頭井Pcz/Pwy均為0.39，因此土方開挖過程中均應(yīng)按需降壓，防止突涌。

3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)進(jìn)行選擇與設(shè)置。基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)由基坑安全等級(jí)及周邊環(huán)境保護(hù)等級(jí)綜合判別。一期基坑安全等級(jí)為二級(jí)，環(huán)境保護(hù)為二級(jí)，因此監(jiān)測(cè)等級(jí)為二級(jí)，基坑本體設(shè)置了圍護(hù)頂部沉降及水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、支撐軸力、立柱隆沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)、坑外地下水位等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，周邊環(huán)境設(shè)置了坑外地表剖面沉降、市政管線變形、周邊建筑物沉降等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

圍護(hù)頂部沉降及水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)間距一般為10～12 m；地下連續(xù)墻深層水平位移按每 4 幅墻布設(shè) 1 孔，布設(shè)間距為 20～24 m，南端頭井每側(cè)邊布設(shè) 1 孔；坑外地下水位按 40～48 m 布設(shè) 1 孔，南端頭井每側(cè)邊布設(shè) 1 孔；支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)按 40～48 m 布設(shè) 1 個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，南端頭井在西側(cè)斜撐設(shè)置 1 個(gè)軸力監(jiān)測(cè)剖面，混凝土支撐在上、下、左、右各安裝1支鋼筋計(jì)，鋼管撐在左、右側(cè)各安裝 1 支鋼板應(yīng)變計(jì)；因基坑開挖過程中存在承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)鋼格構(gòu)柱頂部均布設(shè)了立柱隆沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)；坑外地表沉降監(jiān)測(cè)剖面布設(shè)間距一般為 40～48 m，南端頭井每側(cè)邊布設(shè) 1 條監(jiān)測(cè)剖面，受施工場(chǎng)地條件限制，坑外地表沉降剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅可布設(shè)至坑外 1 倍挖深范圍，每條地表豎向位移監(jiān)測(cè)剖面上布設(shè) 5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由密至疏布置，至基坑邊線的距離分別為2 m、4 m、7 m、11 m、15 m；南端頭井南側(cè)軌道交通 7號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間變形監(jiān)測(cè)由專業(yè)監(jiān)護(hù)單位實(shí)施，基坑監(jiān)測(cè)單位不另布點(diǎn)監(jiān)測(cè)；市政管線變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)間距為 20 m。

4 主要施工工況

一期基坑主要施工工況見表 2。

表 2 一期基坑主要施工工況

5 監(jiān)測(cè)成果分析

5.1 標(biāo)準(zhǔn)段深層水平位移監(jiān)測(cè)

（1）車站一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段未安裝鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，鋼支撐預(yù)應(yīng)力采用傳統(tǒng)油泵＋液壓千斤頂施加，預(yù)應(yīng)力施加值為設(shè)計(jì)軸力值的 70%。圖 1、圖 2 為與端頭井相鄰標(biāo)準(zhǔn)段 CX2、CX34 兩個(gè)測(cè)孔在不同工況的深層水平位移曲線，其中 CX2 位于標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè)，CX34 位于標(biāo)準(zhǔn)段東側(cè)。第1 道混凝土支撐達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行了第 2 層土方的開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)形成壓力差后開始向坑內(nèi)位移，深層水平位移位移曲線表現(xiàn)出典型支撐約束后的形態(tài)，即開挖面附近位移最大，向頂部和底部逐漸遞減，由于混凝土支撐具有較大的剛度，第 2 層土方開挖過程中地下連續(xù)墻位移總體不大。

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)段 CX2 孔各工況深層水平位移曲線

圖 2 標(biāo)準(zhǔn)段 CX34 孔各工況深層水平位移曲線

（2）第 2、3、4 道支撐為Φ609 鋼管撐，其安裝時(shí)間短，基坑暴露時(shí)間短，時(shí)間效應(yīng)小，但支撐剛度小，控制地下連續(xù)墻位移效果較混凝土支撐要弱，第 3、4、5 層土方開挖過程中地下連續(xù)墻深層水平位移增長(zhǎng)速率明顯大于第 2 層土方時(shí)的速率。第 2 層土方開挖高度為 4.2 m，產(chǎn)生的最大深層水平位移為 13.55 mm，每米厚度土方開挖產(chǎn)生的平均位移量為 3.2 mm；鋼支撐架設(shè)后的土方開挖總高度為 9.7 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大深層水平位移為 32.59 mm，每米厚度土方開挖產(chǎn)生的平均位移量為 3.4 mm，可見鋼管支撐開挖過程中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的控制效果弱于混凝土支撐。

（3）監(jiān)測(cè)末期標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè) CX2 測(cè)孔最大位移發(fā)生在坑底上方約 0.5 m 處，累計(jì)量為 44.22 mm，約占基坑挖深的0.29%；西側(cè) CX34 測(cè)孔最大位移發(fā)生在坑底下方約 2.0 m處，累計(jì)量為 43.46 mm，約占基坑挖深的 0.29%。測(cè)孔最大位移統(tǒng)計(jì)見表 2。

表 2 監(jiān)測(cè)末期標(biāo)準(zhǔn)段最大深層水平位移統(tǒng)計(jì)

5.2 端頭井深層水平位移監(jiān)測(cè)

（1）端頭井基坑第 2、3、4 道鋼管撐安裝鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，采用數(shù)控泵站＋液壓千斤頂施加軸力，軸力施加值為設(shè)計(jì)軸力值，監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支撐實(shí)際軸力值及位移量。圖 3～5 為與端頭井 CX1、CX35、CX36 3 個(gè)測(cè)孔在不同工況的深層水平位移曲線，其中CX1 位于端頭井西側(cè)中部區(qū)域，CX35 位于端頭井東側(cè)中部區(qū)域，CX36 位于端頭井南側(cè)中部區(qū)域。第 1 道混凝土支撐達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行了第 2 層土方的開挖，從 3 個(gè)測(cè)孔的深層水平位移曲線可以看出，鋼支撐未架設(shè)前端頭井圍護(hù)變形曲線與標(biāo)準(zhǔn)段變形曲線形態(tài)相似，由于端頭井基坑開挖先于標(biāo)準(zhǔn)段，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻內(nèi)土體形成了擾動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)段土方未開挖時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生少量位移，因此在第 2 層土方開挖過程中標(biāo)準(zhǔn)段總體位移量大于端頭井6～7 mm。端頭井基坑平面尺寸呈南寬東西窄分布，第 2 層土方開挖過程中南側(cè)圍護(hù)表現(xiàn)處明顯大于東西側(cè)圍護(hù)的變形量，6～7 mm。

圖 3 端頭井 CX1 孔各工況深層水平位移曲線

圖 4 端頭井 CX35 孔各工況深層水平位移曲線

圖 5 端頭井 CX36 孔各工況深層水平位移曲線

（2）第 3 層土方開挖前完成了第 2 道鋼管支撐伺服系統(tǒng)安裝，實(shí)時(shí)對(duì)鋼支撐的軸力進(jìn)行了補(bǔ)償，可以看出端頭井三側(cè)圍護(hù)在支撐底部以上的側(cè)向位移得到了明顯控制：南側(cè)及西側(cè)圍護(hù)在該層土方開挖過程中位移增量?jī)H 2 mm，東側(cè)圍護(hù)基本未變形，支撐底部以下圍護(hù)位移有少量增加。第 4層土方開挖后坑外水土圍壓進(jìn)一步增大，采用伺服系統(tǒng)增加了軸力值，東側(cè)圍護(hù)在支撐底部以上仍未變形，但南側(cè)、西側(cè)圍護(hù)出現(xiàn)了向坑外方向的位移，尤以南側(cè)寬邊最為明顯，累計(jì)位移量為負(fù)值，即支撐上部墻體在空間上向坑外壓縮土體；受坑外水土圍壓及承壓水降壓施工共同影響，該層土方開挖過程中支撐底部墻體表現(xiàn)出向坑內(nèi)的明顯位移。第 5 層土方開挖后坑外水土圍壓持續(xù)增大，第 4 道鋼支撐亦增加了軸力值，基坑三側(cè)圍護(hù)在支撐底部上方及下方均未產(chǎn)生明顯位移。

（3）從圖 3～5 可以看出，端頭井三側(cè)圍護(hù)深層水平位移拐點(diǎn)均出現(xiàn)在 10～11 m 深度，該深度對(duì)應(yīng)于第 4 道鋼支撐的安裝標(biāo)高，說明鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對(duì)上部圍護(hù)體的側(cè)向位移有較強(qiáng)的約束作用，對(duì)下部圍護(hù)體亦有明顯的變形約束作用。伺服系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)鋼支撐支護(hù)引起的圍護(hù)墻變形特性及變形量，將圍護(hù)墻的最大位移量大大減小，同時(shí)將最大變形位移量下移。端頭井的深度較標(biāo)準(zhǔn)段深1.73 m，但監(jiān)測(cè)末期的最大累計(jì)位移量要小得多，三側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移最大量均在 21 mm左右，約占基坑挖深的0.12%。測(cè)孔最大位移統(tǒng)計(jì)見表 3。

表 3 監(jiān)測(cè)末期端頭井最大深層水平位移統(tǒng)計(jì)

5.3 坑外地表剖面沉降監(jiān)測(cè)

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移量是決定坑外剖面地表沉降量的主要影響因素，圍護(hù)滲漏引起的坑外土體固結(jié)后亦會(huì)增加地表剖面沉降量，坑外車輛、挖機(jī)、施工材料等超載同時(shí)是地表沉降不可忽視的因素。楊敏等[1]對(duì)上海軟土地基共32 個(gè)深基坑變形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為坑外地表剖面最大沉降與最大深層水平位移接近；劉濤[2]對(duì)上海軌道交通一般深基坑的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為坑外地表剖面最大沉降與最大深層水平位移比值大部分落在 0.9～1.0 區(qū)間。

（2）本項(xiàng)目在端頭井及標(biāo)準(zhǔn)段坑外各選擇 1 個(gè)地表沉降剖面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制其歷時(shí)過程曲線，見圖 6、圖 7。其中：DB21 為端頭井坑外地表沉降剖面，DB2 為標(biāo)準(zhǔn)段坑外地表沉降剖面。

朇 6 DB21 妵面帟測(cè)點(diǎn)沉降崁雝過程線

朇 7 DB2 妵面帟測(cè)點(diǎn)沉降崁雝過程線

（3）DB21 斷面位于基坑最南側(cè)，緊鄰工地大門，土方運(yùn)輸車輛往來頻繁，且混凝土支撐施工用鋼筋及鋼管撐堆放于地表，形成了較大的坑外超載，導(dǎo)致基坑開挖前地表已有明顯沉降，至第 3 層土方開挖完成后最大地表沉降已達(dá)25.41 mm，較對(duì)應(yīng)圍護(hù)最大深層水平位移大約 10 mm；后續(xù)土方開挖過程中，坑周材料超載移除，地表沉降速率得到了有效控制，至土方開挖完成階段最大沉降量增加僅 12 mm，對(duì)應(yīng)圍護(hù)最大深層水平位移增加 13 mm，可見控制圍護(hù)深層水平位移對(duì)控制地表沉降的重要性。

（4）DB2 斷面位于標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè)，地表僅有少量鋼筋及鋼管撐等施工材料超載，土方運(yùn)輸車輛少，地表剖面沉降主要由圍護(hù)深層變形引起，基坑開挖前最大沉降僅 10 mm 左右，地表沉降主要發(fā)生基坑土方開挖階段，且在深部土方開挖過程中的地表沉降速率要大于淺部土方開挖速率，與圍護(hù)深層水平位移變形速率關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。基坑底板澆筑完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移逐漸收斂，坑外土體進(jìn)入次固結(jié)階段，地表剖面沉降逐漸收斂。至監(jiān)測(cè)末期，剖面最大沉降量為 40.87 mm，對(duì)應(yīng)圍護(hù)最大深層水平位移為 44.22 mm，前者與后者比值為 0.92，與楊敏、劉濤的統(tǒng)計(jì)基本一致。

6 結(jié) 語

（1）支撐體系作為控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的重要桿件，其軸力值決定了圍護(hù)變形值的大小。軸力值過大支撐存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，軸力值過小將引起圍護(hù)變形過大。傳統(tǒng)支撐預(yù)應(yīng)力施加后損失明顯，復(fù)加效果一般難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)自動(dòng)控制支撐軸力值可較好地解決這一問題，軸力衰減后可實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。建筑物密布的中心城區(qū)實(shí)施軌道交通車站建設(shè)時(shí)應(yīng)采用該系統(tǒng)控制周邊環(huán)境的安全。

（2）鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)軸力值控制應(yīng)以圍護(hù)變形值為依據(jù)，同時(shí)兼顧支撐自身抗彎能力?；油练介_挖過程中應(yīng)結(jié)合工況及時(shí)關(guān)注圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移及周邊地表、建構(gòu)筑物及市政管線的變形，驗(yàn)證實(shí)時(shí)軸力值的準(zhǔn)確性與可靠性，有效控制基坑本體與環(huán)境變形。