本文作者：技術研發中心 丁康俊
引言
隨著我國城市建設的迅速發展，在密集區域進行深大基坑施工項目越來越多，對周邊環境的變形控制也日趨嚴格。尤其在臨近地鐵、超高層建築的深基坑工程，對圍護結構變形控制要求更高，這都給地下工程施工帶來極大困難。基於此，作為一項先進的基坑支護施工技術，鋼支撐軸力自動伺服系統應運而生，其具有自動控制、實時監控和自動補償的功能，能避免傳統鋼支撐因溫度變化、應力鬆弛和塑性變形等引發的軸力損失問題，在密集複雜區域的深基坑工程中逐步得到應用，並取得良好效果。
本文主要介紹鋼支撐軸力伺服系統在深基坑變形控制上的應用，從技術原理出發，簡述該項技術在具體項目上的應用案例，並系統總結監理人員對該項技術的控制要點，為我公司在重點、重大項目上應用鋼支撐軸力應力伺服技術提供有效參考，全面提升深大基坑施工及周邊環境的安全性。
一、鋼支撐軸力伺服系統原理概述
鋼支撐軸力自動伺服系統是以機械、軸力測試傳感器、千斤頂液壓傳動為基礎，融合計算機信息化及自動化監控系統、無線通訊傳輸等高新技術手段，對支撐軸力不間斷測試、調整的綜合性系統。圖1為軸力伺服系統示意圖，圖2為軸力伺服系統工作原理圖。
圖1：軸力伺服系統示意圖
圖2：軸力伺服系統工作原理圖
二、鋼支撐軸力伺服技術的應用
在2006年“大上海會德豐廣場” 項目中首次採用鋼支撐軸力伺服技術。該項目北區基坑邊緣距上海地鐵2號線運行線路僅5.4米，基坑開挖深度已超過地鐵隧道底部 2 .8 m。面對深基坑開挖的穩定性、變形量控制要求,所採用的鋼支撐軸力伺服系統成功將北坑開挖圍護結構變形及隧道變形控制在設定目標內,使隧道的水平位移在4mm內,隧道附加沉降在2mm以內,鄰地鐵側圍護地連牆變形在13.5mm以內。圖3為大上海會德豐廣場項目總圖。
圖3：大上海會德豐廣場項目總圖
上海周家嘴路越江隧道基坑工程浦東段第2、3道支撐採用鋼支撐自動伺服系統（單側超載），浦西段採用傳統鋼支撐。根據測斜點監測分析：該系統對單側超載基坑變形控制效果顯著，在開挖階段，採用自動伺服系統的單側超載基坑，位於自適應鋼支撐處的變形速率比採用傳統支撐的圍護變形速率小。內部結構施工完之後，應用伺服系統的單側超載基坑，位於第2道支撐處的圍護結構水平位移，比採用傳統支撐未超載基坑在同樣位置位移小18%左右。圖4為第2、3到支撐處圍護結構變形情況。
圖4.1：第2支撐處維護結構變形情況
圖4.2：第3支撐處維護結構變形情況
在深圳地鐵“蓮塘站深基坑工程”工程中，通過實時監測及有限元計算，分析伺服系統在溫度變化與周圍環境變化時的作用，並對伺服端鋼支撐分佈進行優化佈置，有效提高伺服端鋼支撐利用效率，其變形控制效益顯著。圖5為伺服系統佈置與地下連續牆位移和房屋沉降關係圖。
圖5：伺服系統佈置與地下連續牆位移和房屋沉降關係
鋼支撐軸力伺服技術的環境變形控制效應明顯，能極大提升深大基坑施工及緊鄰保護對象的安全性，具備良好的社會效益。該技術在上海等地應用較多，但在浙江應用很少，而由我司參與的浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院工程項目將重點採用該項技術。該項目基坑分為Ⅰ期和Ⅱ期兩大區塊，其中Ⅰ期圍護設計採用地連牆+3道鋼筋混凝土內支撐的支護體系，Ⅱ期（臨近地鐵側）圍護設計採用地連牆+1道鋼筋混凝土內支撐+3道帶自動伺服系統的鋼管支撐。基坑北側距離地鐵外牆外側距離僅2.9m，對現場基坑開挖過程中變形控制提出極高要求，而鋼支撐軸力伺服系統的應用將會助力項目更好運行。
三、監控要點分析
針對深基坑開挖過程中監管人員可能會遇到的一些難點，本文進行總結分析並提出控制策略以供參考。
1）鋼支撐質量驗收
伺服系統與鋼支撐通常由兩家公司提供，部分老舊鋼支撐變形、壁厚等已不能滿足伺服高軸力要求，成為薄弱環節，以至於伺服支撐使用時的軸力補償使存在初始缺陷的鋼支撐會在高軸力下變形失穩，影響到基坑安全。因此，必須嚴格做好鋼支撐進場的質量驗收。在鋼支撐進場後，監理人員需對每批支撐數量、規格、外觀質量、截面尺寸、扭曲、法蘭端面平整度、螺栓等全數檢查驗收，確保支撐構件質量滿足要求。
圖6：鋼支撐質量驗收
2）控制活絡頭長度
鋼支撐活絡頭有調節鋼支撐長度的作用，但其是鋼支撐最薄弱部位，受力後易彎曲，進而使支撐失穩。故活絡頭長度不宜過長，伺服系統施加後，高軸力下支撐壓縮變形大，增大活絡頭偏心失穩風險，也減弱了伺服系統控制變形效果。應控制其最大伸縮長度。
圖7：控制活絡頭長度
3）鋼支撐安裝前平整度檢查
檢查鋼支撐與圍護結構的接觸面的平整度。鋼支撐架設前應檢查接觸面，如不符要求可讓施工方鋪設快硬水泥砂漿進行找平；同時保證支撐架設時不損壞碰落找平層；與活絡頭接觸的地牆連接部位平整度尤為重要，特別是有軸力計的活絡頭，因其接觸面小且直接連接地牆，對接觸面平整要求更高。不平整易引起安裝偏差，導致千斤頂和軸心不在一條直線，易造成活絡頭彎曲破壞，進而導致失穩。
4）鋼支撐安裝控制
鋼支撐安裝後兩端板應與地牆面或斜撐鋼牛腿密貼，督促施工單位採取相應技術措施確保支撐安裝質量，防止支撐產生偏心受力。支撐安裝完成後設防墜落裝置，同時檢查支撐端面是否與牆面或圍檁側面平行，各節點是否連接好，符合要求後方可進行預應力施加。支撐安裝和預應力的施加、復加現場監理人員均為全過程旁站監督。鋼支撐端頭額外增加伺服系統箱座，須在坑外安裝成整體，組合吊裝不易找到重心，且支撐設置密集，極易產生碰撞。
圖8：鋼支撐安裝控制
5）做好緊密配合和監督落實
設計應基於基坑變形控制進行鋼支撐伺服設計計算，調整各開挖工況下每道伺服鋼支撐軸力。施工圖中明確伺服鋼支撐使用範圍，提出各開挖工況下每道伺服鋼支撐的軸力設計值；伺服專業單位應經設計許可，根據軸力、位移變化動態調整軸力；施工單位應根據設計圖紙編制鋼支撐伺服系統施工專項方案，統籌管理鋼支撐施工單位、伺服專業單位，做到權責明確，由監理單位做好監督落實工作。
6）基坑周邊變形控制
巡視基坑周邊的地表變化情況，結合監測報告分析基坑的變化情況(詳見監控量測監理細則）以及周邊環境、建築物以及地下管線的變化及位移，確保基坑開挖時對周邊環境的影響儘可能降到最小。
7）應力位移監測數據檢查
每層土方開挖及支撐施工時，及時掌握相關監測數據，包括軸力變化、牆頂隆起、沉降、牆體變形、地連牆兩側縱橫向地面沉降、建築物沉降、每個開挖段及每層開挖中的地連牆變形等監測數據；對支撐軸力低於預加應力值的支撐應復加預應力，圍護結構位移超過警戒值時，調整支撐軸力以控制變形，鋼支撐預加軸力以監測數據反饋為主，人工檢查為輔。通過實時監測，隨時調整支撐軸力。
圖9：應力位移監測數據檢查
8）鋼支撐拆除
監理要進行全過程旁站，在起吊時，必須穩定鋼支撐，避免碰撞相鄰鋼支撐或其他物體。加強對鄰邊鋼支撐和測斜監測，發現監測數據增大，應增加鋼支撐加固。注意對伺服支撐系統的拆除順序：停止相應支撐油路工作，線路拆除，泵站拆除，支撐拆除，泵站和控制中心拆除況突變，應及時會同總包和其他相關單位採取措施，確保基坑安全。
圖10：剛支撐拆除
四、結語
對周邊有臨近地鐵、保護建築等對變形有較大限制的深基坑工程，採用伺服系統作用明顯，可減少溫度應力對鋼支撐影響，避免環境變化對支撐應力造成損失；伺服系統鋼支撐越多，對基坑安全和周邊房屋沉降控制越好，雖初期需投入較高成本，但有利於工程安全管控，其隱性效益巨大。
參考文獻
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