轴力伺服型钢组合支撑在临近地铁深大基坑中的应用

侯文诗 杨宝森 柳建国 吴嘉希 王玉军

(北京中岩大地科技股份有限公司，北京 100041)

随着社会发展，地铁沿线的商业和居住价值越来越显著，因此紧临地铁的深基坑越来越多。基坑的开挖对临近地铁的影响需要控制在可控的范围内，因此临近地铁的基坑不仅需要满足基坑自身稳定与变形要求，还要严格保证地铁运营安全。目前北京地区普遍采用桩锚支护系统，但是锚杆进入地铁保护区，锚杆注浆导致地铁运营安全受到威胁偶有发生，2019年8月地铁17号线下穿工程注浆施工问题造成朝阳门站—东大桥站上行道床局部拱起变形126 mm，已经严重影响6号线运营安全。预应力型钢组合支撑是将多根型钢组合在一起，并且全部节点采用高强螺栓连接，与普通钢支撑相比，在基坑跨度较大或轴力较大，单根钢管无法满足计算需要多根协同受力时，体现了其优势[1,2]。钢支撑结构作为线性结构，其材料特性会在温度(尤其是温差较大或跨季节施工时)作用下产生热胀冷缩现象，北方地区昼夜温差可达15 ℃，在不计外部情况时，变温每增加1 ℃，支撑轴力最大增加4.9 t～12 t[3,4]。轴力自伺服系统应用在支撑中，利用液压驱动、压力闭环自动循环扫描加载、稳压的控制方式，对基坑支护体系钢支撑的液压千斤顶进行液压自动轴力补偿，可实现系统长时间运行安全可靠，降低了深基坑工程的施工风险，确保了运营地铁的安全[5,6]。

1 工程概况及周边环境

拟建国家会议中心二期配套项目基坑开挖深度为20 m，局部开挖深度21 m，基坑平面东西宽约100 m，南北长约245 m，面积约24 500 m2。基坑南侧为大屯路地下隧道道路、环隧匝道及15号线区间隧道，东侧为天辰西路地下环隧。建设场地总平面图如图1所示。

2 工程地质及水文地质条件

根据本次现场钻探地层揭露、原位测试及土工试验成果，按照各地基土层的土工程特性划分土层。具体土层物理力学性质指标如表1所示。

表1 各土层物理力学性质指标

第一层地下水类型为潜水，稳定水位埋深6.30 m～7.50 m，稳定水位标高为37.51 m～38.95 m；第二层地下水类型为层间潜水，稳定水位埋深12.30 m～13.20 m，稳定水位标高为31.90 m～32.89 m；第三层地下水类型为层间潜水，稳定水位埋深17.90 m～20.30 m，水头标高24.81 m～27.29 m。

3 基坑支护设计方案

3.1 工程重点难点

基坑南侧紧临地铁15号线轨道区间，距离拟建建筑地下室外墙外皮线24.2 m，地铁轨道区间底板埋深26.2 m，比基底深7.2 m，基坑在地铁保护区范围内。地铁15号线区间上方为大屯路下沉道路，距离拟建建筑地下室外墙外皮线18.5 m，大屯路隧道底板埋深11.7 m；南侧拟建建筑物与大屯路隧道之间，还有环隧匝道，距离拟建建筑地下室外墙外皮线9.3 m，环隧匝道底板埋深12.2 m～16.0 m，环隧基坑施工时存在旧有支护桩及锚索。大屯路路面以下还埋设有雨水管、燃气管、电力管、电信管等。

1)地铁15号线区间隧道的工前检测评价后确定地铁区间结构及轨道变形控制要求如表2所示，地铁50 m影响范围内支护结构变形控制要求如表3所示。2)根据原隧道设计、检测资料、地铁15号线穿越大屯路隧道的沉降数据，大屯路隧道沉降控制值具体指标如下：闭合框架纵向(底板行车方向)不均匀沉降控制值每10 m控制值 3 mm；框架横向侧墙与中墙之间不均匀沉降控制值为4 mm；单测点最大沉降值5 mm；闭合框架侧墙倾斜度不大于1/1 500；闭合框架沉降缝两侧高差控制值2 mm；闭合框架水平变位控制值为5 mm。预警值：监测指标变化量为控制值的60%；警戒值：监测指标变化量为控制值的80%。3)环隧匝道的结构安全控制指标要求：水平位移和竖向位移预警值为8 mm，控制值为10 mm。

表2 既有地铁区间结构及轨道变形控制值

表3 临近地铁侧支护结构变形控制值

3.2 设计方案

根据现场情况，场地南侧周边环境复杂，采用单一的桩锚支护形式，锚杆施工长度受限制，不能充分发挥拉锚作用，只能采用大角度锚索来增加锚杆长度，且锚杆位置需要与原护坡桩位置错开，难以满足基坑本身稳定要求，也难以控制地铁、大屯路隧道和环隧匝道的变形。

综合考虑基坑周边环境条件与施工的方便性，经过充分的分析计算，肥槽预留1.2 m，采用双排桩+1道混凝土支撑+2道型钢组合内支撑。双排桩中间采用旋喷桩加固，旋喷桩为φ1 000@800，钻孔灌注桩采用φ1 000@1 600 mm。这样有效地解决了支护空间的矛盾，基坑南侧剖面设计图见图2。

采用C30,φ1 000@1 600 mm双排钻孔灌注桩挡土，为保护地铁隧道区间，设计桩长29 m，嵌固深度10 m，桩底标高设置于地铁底面以下2.7 m。因原环隧支护结构有锚索进入红线内，为保证基坑止水效果，采用φ1 000的双排旋喷桩止水兼做桩间加固，搭接长度200 mm，桩长23 m，打穿透水层进入隔水层1 m以上，隔断坑内外地下水。

水平支撑系统采用1道混凝土支撑和2道型钢组合支撑。第一道混凝土支撑位于现地面以下2 m，混凝土支撑平均间距8 m，冠梁截面1 100 mm×1 000 mm，支撑截面尺寸为1 000 mm×1 000 mm；第二、三道型钢组合支撑位于现地面以下8 m，12.6 m，钢支撑平均间距1.95 m，腰梁采用双拼H400×400×13×21型钢，主要支撑采用H400×400×13×21型钢，辅助支撑采用H300×300×10×15型钢；型钢组合支撑预加力为600 kN，详见表4，图3。立柱采用500×500格构柱，立柱桩桩径1 000 mm，桩长12.5 m。

表4 支撑杆件一览表

由于支撑长度较大(最长65 m)，运用伺服自动控制装置，主动进行基坑围护结构的变形调控，以符合临近深基坑保护对象的安全控制要求。支撑均采用3根型钢组合，每根型钢施加的预应力大小为750 kN，按20%，50%和30%分3次逐级施加。

4 预应力型钢组合支撑设计

受周边地下隧道、地铁的影响，无法施工锚杆；传统的钢管支撑对大跨度基坑无法满足设计要求，全部现场焊接工作量大，且钢管焊接节点难以保证质量，随着基坑的放置，支撑轴力出现明显的衰减，进而造成了明显的有支撑变形；若设置三道混凝土支撑，施工和养护周期较长，施工和拆除的成本较高；本工程采用预应力型钢组合支撑，不仅解决了工期紧张同时减少了造价，钢材可回收，绿色环保。轴力伺服系统控制位移和自动补偿轴力，降低了临近地铁、隧道等复杂地区的基坑工程施工风险，有效的控制变形。

对支护结构的水平位移进行估算，开挖至坑底的工况计算结果(如图4所示)显示，地铁侧最大变形位于角点(2号点)22.23 mm，中间点(1号点)的水平位移为14.86 mm。

对基坑开挖对周边环境的影响进行分析，最大水平变形为14.02 mm，支护结构的变形如图5所示。分析对比了基坑开挖对大屯路隧道、环隧匝道和地铁结构的变形影响，如表5～表7所示，计算结果满足控制要求。

5 监测数据分析

表5 支护结构计算结果 mm

表6 环隧匝道计算结果 mm

表7 大屯路隧道计算结果

传统人工监测的效率较低，反馈不及时，导致无法及时调整设计及施工，有一定的安全隐患，自动化监测技术可以全天候自动监测，反馈及时可实现[7,8]。本项目配合人工检测的同时采用全自动化监测,检测点布置及检测结果见图6～图8。

基坑开挖至基底处，在1号与2号监测点处水平位移曲线呈“鼓肚子”状态，1号监测点上部水平位移曲线是接近悬臂开挖的抛物线形，1号监测点支护结构水平位移14.1 mm，而2号监测点支护结构水平位移19.1 mm。其中，1号点设轴力伺服装置，2号、3号角点处未设轴力伺服装置。实测结果与计算结果基本一致。

轴力伺服系统可手机查看监测结果，1号点支撑轴力平均达到65 t。2020年3月17日由于东南侧施工荷载较大，1号监测点最大位移达到16.78 mm，超过设计值，原预加力为650 kN，通过支撑轴力伺服系统及时调整轴力至750 kN(如图9所示)，2020年3月18日，南侧1号监测点最大位移降至14.25 mm。

地铁隧道结构竖向位移累计变形最大值为+0.87 mm(竖向位移变形值为正代表隆起，控制值为2 mm)，隧道结构横向位移累计变形最大值为0.8 mm(控制值为3 mm)。监测数据处于正常范围内。

地铁隧道结构竖向位移累计变形最大值为+0.87 mm(竖向位移变形值为正代表隆起，控制值为2 mm)，隧道结构横向位移累计变形最大值为0.8 mm(控制值为3 mm)。监测数据处于正常范围内。

6 结论

1)在北京地区临近地铁、隧道等无法施工锚杆的情况，本工程运用型钢组合支撑解决了问题，不仅满足基坑本身的稳定性要求，且满足地铁和隧道结构的变形要求，设计施工取得了圆满成功。为今后类似工程的设计与施工提供有益参考。2)基坑主动变形控制技术在本项目得到很好的应用，通过支撑轴力伺服系统及时调整复加轴力，控制了基坑变形，保证了基坑的安全。