伺服鋼支撐系統(tǒng)“雙控法”在鄰近地鐵隧道深基坑中的變形控制效果分析

高永偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

目前對城市軌道交通或民用建筑基坑中伺服鋼支撐系統(tǒng)的研究大多集中在其作用效果、布置方式及鋼支撐失穩(wěn)破壞等方面[1]。文獻(xiàn)[2]通過對比不同伺服段的基坑開挖監(jiān)測數(shù)據(jù),證明了伺服鋼支撐系統(tǒng)優(yōu)越的控制效果。文獻(xiàn)[3]通過有限元數(shù)值模型,探究了伺服鋼支撐系統(tǒng)的最優(yōu)布置方式。

然而,大多數(shù)針對伺服鋼支撐系統(tǒng)的模型均通過施加1個恒定軸力來模擬伺服過程,忽略了伺服鋼支撐系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)軸力的情況,也忽略了伺服鋼支撐系統(tǒng)中位移和軸力的雙重控制作用。本文依托杭州某新建基坑工程(該工程與杭州地鐵19號線某隧道段平行且鄰近),采用軸力控制、位移控制雙重控制的方法(以下簡稱“雙控法”),分析基于雙控法的軸力伺服鋼支撐系統(tǒng)的作用機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化軸力伺服鋼支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以期為類似的鄰近既有地鐵隧道基坑工程的變形控制提供參考。

1 工程概況

杭州文一西路改造工程DK5+600—DK5+820段為文一西路明挖基坑項(xiàng)目,該項(xiàng)目與杭州地鐵19號線某隧道段平行,二者最小間距僅為4.05 m。該基坑的地層條件以軟黏土、淤泥質(zhì)黏土為主,夾雜粉質(zhì)黏土和粉砂,地下水分布廣泛。該基坑深度為16.1 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為31.0 m,采用C35地下連續(xù)墻(以下簡稱“地連墻”)加第一道混凝土支撐和三道鋼支撐的方式進(jìn)行支護(hù)。相鄰支撐的水平間距為3.0 m,豎向間距由上至下分別為5.1 m、4.0 m、3.5 m及3.5m。坑底以下3.0 m范圍內(nèi)采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁進(jìn)行加固,基坑和機(jī)場軌道快線隧道之間采用φ850 mm@600 mm高壓旋噴樁加固。基坑與地鐵隧道空間位置的平面及剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵隧道空間位置關(guān)系平面圖及剖面圖

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立及參數(shù)確定

利用FLAC3D軟件建立模型?；娱_挖影響范圍一般為2～3倍的基坑開挖深度,為了減小邊界效應(yīng),取模型的大小為127 m(長)×33 m(寬)×48 m(高),如圖2所示。模型的四周和底面均固定,以限制各固定面的法向位移。模型共生成20 661個網(wǎng)格單元。

圖2 采用FLAC3D構(gòu)建的基坑與鄰近地鐵線數(shù)值模型

研究表明,對軟黏土采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,會因?yàn)槭褂孟嗤募虞d及卸載模量導(dǎo)致水平變形和沉降的計(jì)算結(jié)果不匹配。因此,本文采用考慮了應(yīng)力水平和應(yīng)力路徑的修正劍橋模型[4],得到基坑開挖模型各土層的厚度及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑開挖模型各土層的厚度及物理力學(xué)參數(shù)

高壓旋噴樁加固部分(即旋噴加固區(qū))和坑底加固區(qū)采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,地連墻采用C35水下混凝土?？紤]到施工擾動和正常工作狀態(tài)下微小裂隙的影響,仿真模擬時對計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了0.8倍的折減[5],所取參數(shù)如下:①地連墻、坑底加固區(qū)、旋噴加固區(qū)的體積模量分別為26 900 MPa、600 MPa、2 280 MPa;②地連墻、坑底加固區(qū)、旋噴加固區(qū)的剪切模量分別為10 600 MPa、200 MPa、1 280 MPa;③坑底加固區(qū)、旋噴加固區(qū)的內(nèi)摩擦角分別為15°、25°;④坑底加固區(qū)、旋噴加固區(qū)的黏聚力分別為50 kPa、24 kPa;⑤地連墻、坑底加固區(qū)的密度分別為2 200 kg/m3、2 200 kg/m3。

對于基坑的支護(hù)體系,混凝土支撐和鋼支撐均采用FLAC3D軟件內(nèi)置的beam單元進(jìn)行模擬,立柱樁和格構(gòu)柱采用FLAC3D軟件內(nèi)置的pile單元進(jìn)行模擬。

為了確定接觸面的參數(shù),本文采用了附近土體參數(shù)的0.8倍作為接觸面的摩擦角和黏聚力,最終的接觸面參數(shù)如下:法向剛度為387 000 MPa;剪切剛度為387 000 MPa;黏聚力為6 kPa;內(nèi)摩擦角為15°。

2.2 雙控法伺服鋼支撐系統(tǒng)模擬方案

2.2.1 軸力控制

目前伺服鋼支撐常采用施加1個恒定軸力的方法來進(jìn)行模擬[6]。雙控法中控制伺服系統(tǒng)軸力的方法一般通過試算法來確定軸力的極限值[7]。然而,試算得到的軸力極值與實(shí)際工程情況并不相符。為此,本文的雙控法通過在計(jì)算步中實(shí)時監(jiān)測鋼支撐軸力及支撐接頭處地連墻位移,根據(jù)軸力值和位移值實(shí)時補(bǔ)充支撐軸力,以達(dá)到控制軸力和控制變形的雙重目標(biāo)。

當(dāng)支撐軸力值小于設(shè)定的軸力值時,須對鋼支撐軸力進(jìn)行補(bǔ)充。為了實(shí)現(xiàn)伺服鋼支撐軸力的施加,本文采用了虛擬位移法[8]。該方法通過在beam單元中固定1個節(jié)點(diǎn),并通過命令流對beam單元結(jié)構(gòu)的另1個節(jié)點(diǎn)施加一定的速度v。運(yùn)行預(yù)設(shè)時間步后,支撐將產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮量,進(jìn)而完成支撐預(yù)加軸力的施加。v的計(jì)算式為:

v=FL/EA

(1)

式中:

F——所需補(bǔ)充的軸力;

L——支撐的長度;

E——支撐的彈性模量;

A——支撐的橫截面面積。

2.2.2 位移控制

雙控法中的位移控制需要建立施加軸力值與地連墻位移值之間的關(guān)系。根據(jù)平面彈性地基梁法,鋼支撐的支反力T的計(jì)算式為:

(2)

式中:

y——支撐構(gòu)件的間距;

Lz——支撐構(gòu)件的計(jì)算長度,通常取開挖寬度的1/2;

l——地連墻位移的變化量。

在進(jìn)行位移控制時,將±2 mm作為單次位移變化量控制值。當(dāng)單次位移變化量超過±2 mm時,須施加與位移相協(xié)調(diào)的力,以控制單次位移變化量。伺服系統(tǒng)是一個動態(tài)調(diào)節(jié)的過程,因此,每經(jīng)過一定步數(shù)的循環(huán),都要對軸力和位移進(jìn)行檢測。雙控法伺服鋼支撐系統(tǒng)軸力模擬流程如圖3所示。

圖3 雙控法伺服鋼支撐系統(tǒng)軸力模擬流程

2.3 工況設(shè)置與計(jì)算步設(shè)置

如表2所示,該基坑開挖過程中,設(shè)置了9個具體的計(jì)算步,將其中的5個計(jì)算步設(shè)為不同的工況(工況1—工況5),用以對不同施工階段的模擬計(jì)算。

表2 基坑開挖的計(jì)算步及工況設(shè)置

3 伺服鋼支撐布置方案優(yōu)化

3.1 不同伺服鋼支撐布置方案對比

由上文可知,伺服鋼支撐系統(tǒng)可以有效控制基坑變形。但在實(shí)際工程中,增加伺服鋼支撐系統(tǒng)會增加工程的支護(hù)成本,因此,有必要研究最優(yōu)的伺服系統(tǒng)布置方式,在滿足支護(hù)變形要求的同時盡量節(jié)約支護(hù)成本。

進(jìn)一步選取了6種不同的伺服方案,計(jì)算得到不同方案下的基坑沉降量及深層水平位移量如圖4所示,將基坑北側(cè)邊緣處作為坐標(biāo)橫軸的起點(diǎn)。圖4 b)中,土體向北側(cè)基坑方向發(fā)生水平位移時取正值。

由圖4可知:①與僅采用1層伺服支撐相比,采用2層伺服支撐的作用效果更好;②第二層、第四層均采用支撐伺服的支護(hù)效果最好;③僅采用第三層支撐伺服的支護(hù)效果最差,以設(shè)計(jì)最大側(cè)移值為最大開挖深度的0.2%為標(biāo)準(zhǔn)時,該支撐方案無法滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 伺服控制的控制指標(biāo)分析

雙控法涉及的控制指標(biāo)包括軸力控制值和單次位移變化量控制值。當(dāng)支撐軸力小于設(shè)定的軸力控制值時,伺服鋼支撐系統(tǒng)會及時補(bǔ)充支撐軸力;當(dāng)單次位移變化量達(dá)到所設(shè)定的單次位移變化量控制值時,伺服系統(tǒng)會根據(jù)軸力-位移協(xié)調(diào)關(guān)系對軸力進(jìn)行補(bǔ)充。

取軸力控制值為設(shè)計(jì)軸力的60%、70%、80%,單次位移變化量控制值為0、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm及2.0 mm進(jìn)行模擬分析。計(jì)算結(jié)果本文不逐一羅列。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,得出以下規(guī)律:

1)不同的軸力控制值對基坑變形具有相對明顯的影響。隨著軸力控制值的增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值和最大地面沉降值均有所減小。改變軸力控制值,可以更有效地控制基坑的變形。

2)不同的單次位移變化量控制值對基坑變形的影響不明顯。采用的單次位移變化量控制值越小,補(bǔ)充軸力越頻繁,因此最終軸力基本一致,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形差異較小。

3.3 伺服鋼支撐體系設(shè)置方案

根據(jù)模擬計(jì)算和現(xiàn)場條件,豎向設(shè)置四道水平支撐系統(tǒng),第一道采用鋼筋混凝土支撐,其余采用三道鋼管支撐,其中第二、第四道為伺服鋼支撐系統(tǒng)。三道鋼支撐的預(yù)加軸力設(shè)計(jì)值由上至下分別為1 300 kN、1 700 kN、1 200 kN。

在進(jìn)行軸力控制時,采用設(shè)計(jì)值的±200 kN為軸力控制值;在進(jìn)行位移控制時,采用±2 mm作為單次位移變化量控制值。當(dāng)支撐軸力達(dá)到設(shè)計(jì)值后,應(yīng)停止補(bǔ)償節(jié)的加載,液壓鎖自鎖,確認(rèn)鋼支撐軸力處于設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)并開啟自動監(jiān)測及補(bǔ)償模式。自動監(jiān)測及補(bǔ)償系統(tǒng)具備對支撐軸力與位移的實(shí)時監(jiān)控功能,以及對軸力的補(bǔ)償功能。當(dāng)支撐實(shí)測軸力低于設(shè)計(jì)軸力的下限時,自動監(jiān)測及補(bǔ)償系統(tǒng)會自動啟動,將目標(biāo)支撐的軸力加載到設(shè)定值,反之亦然。當(dāng)監(jiān)測到單次位移變化量過大時,該系統(tǒng)也會加載支撐軸力,使位移恢復(fù)到允許范圍內(nèi)。

4 伺服鋼支撐變形控制效果分析

4.1 深層水平位移對比驗(yàn)證

在基坑兩側(cè)布置監(jiān)測點(diǎn)cx3和cx4(分布位置見圖1)。選擇表2中工況3和工況5兩種工況,對基坑兩側(cè)的深層水平位移模擬值與相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值進(jìn)行比較,其結(jié)果如圖5所示。圖5 a)和圖5 b)將基坑北側(cè)邊緣處作為坐標(biāo)橫軸的起點(diǎn),圖5 c)和圖5 d)將基坑南側(cè)邊緣處作為坐標(biāo)橫軸的起點(diǎn),水平位移均取向基坑內(nèi)側(cè)方向?yàn)檎?。由圖5可知:模擬值與監(jiān)測值反映的深層水平位移變化規(guī)律基本一致。

圖5 工況3、工況5下基坑北側(cè)及南側(cè)的深層水平位移模擬值與實(shí)際監(jiān)測值對比

由圖5可知:①工況5下,cx3和cx4監(jiān)測得到的最大深層水平位移量分別為17.36 mm和17.54 mm,模擬計(jì)算得到的最大深層水平位移量為14.43 mm,模擬值與這2個監(jiān)測點(diǎn)最大深層水平位移的平均值相差約20%;②工況5下,cx1和cx2監(jiān)測得到的最大深層水平位移量分別為27.02 mm和26.99 mm,模擬計(jì)算得到的最大深層水平位移量為27.13 mm,模擬值與這2個監(jiān)測點(diǎn)最大深層水平位移的平均值相差約5%。這表明了模擬值與監(jiān)測值基本一致,模型參數(shù)選擇合理,模擬計(jì)算結(jié)果能夠在一定程度上反映土體深層水平位移的變化規(guī)律。

4.2 地面沉降對比驗(yàn)證

對基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時地面沉降的模擬值與監(jiān)測值進(jìn)行對比,其結(jié)果如圖6所示,圖6 a)將監(jiān)測點(diǎn)cx3的基坑北側(cè)邊緣處作為坐標(biāo)橫軸的起點(diǎn),圖6 b)將監(jiān)測點(diǎn)cx3的基坑南側(cè)邊緣處作為坐標(biāo)橫軸的起點(diǎn)。由圖6可知:在基坑北側(cè),地面最大沉降量模擬值為7.35 mm,監(jiān)測點(diǎn)cx3的最大沉降量監(jiān)測值為7.98 mm,二者相差約7.8%,二者的最大沉降發(fā)生位置接近;在基坑南側(cè),地面最大沉降量模擬值為18.57 mm,監(jiān)測點(diǎn)cx2的最大沉降量監(jiān)測值為19.03 mm,二者僅相差約2.4%,且二者最大沉降發(fā)生位置大致相同。由此可認(rèn)為,模擬計(jì)算結(jié)果可以在一定程度上反映當(dāng)?shù)厣罨邮┕み^程中地面沉降的變化規(guī)律。

圖6 基坑北側(cè)及南側(cè)的地面沉降模擬值與監(jiān)測值對比

4.3 鄰近地鐵隧道右線沉降對比驗(yàn)證

對鄰近地鐵隧道右線拱頂及拱底的沉降監(jiān)測值和模擬值進(jìn)行對比,其結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:隧道右線拱頂和拱底的沉降量模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值的發(fā)展趨勢相一致。拱頂監(jiān)測點(diǎn)處的最大沉降量監(jiān)測值為0.94 mm,拱底監(jiān)測點(diǎn)處的最大沉降量監(jiān)測值為6.27 mm。由此可認(rèn)為使用雙控法的軸力伺服鋼支撐系統(tǒng)能有效控制基坑變形,保護(hù)鄰近隧道結(jié)構(gòu)安全。

圖7 地鐵隧道右線沉降模擬值與監(jiān)測值對比

5 結(jié)語

本文建立了案例工程深基坑支護(hù)的數(shù)值模型,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),探究了伺服鋼支撐系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、軸力控制指標(biāo)、位移控制指標(biāo)等因素對基坑變形控制效果的影響,得到結(jié)論如下:

1) 軸力伺服鋼支撐系統(tǒng)的設(shè)置數(shù)量會影響其對基坑變形的控制效果。雙層伺服鋼支撐系統(tǒng)與單層伺服鋼支撐系統(tǒng)相比控制效果更好。

2) 雙控法的2個控制指標(biāo)中,加大軸力控制值可使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移量和地面沉降量明顯減小;改變單次位移變化量控制值,對基坑最終變形結(jié)果影響不大。

3) 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大深層水平位移量為27.02 mm,滿足基坑變形控制要求;鄰近地鐵隧道右線拱頂?shù)某两盗孔畲笾禐?.94 mm,拱底的沉降量最大值為6.27 mm,均小于預(yù)警值。

4) 使用雙控法伺服鋼支撐軸力系統(tǒng)能夠有效控制基坑變形,保護(hù)鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全。