上海起铭建设工程有限公司
摘要：本项目研究针对的是城市中心区域与地铁相邻的深基坑超高层施工技术，以复杂环境下的深基坑施工为主要背景，通过对基坑分区施工技术，信息化施工技术等的实际应用，将钢支撑自动伺服系统技术做了归纳整理和分析说明。
关键词：深基坑；紧邻地铁；自动伺服系统
1、工程概况
1.1 建筑结构概况
香港新世界花园项目位于上海市黄浦区中山南一路，周边为闹市区。该项目占地面积约123189㎡，总建筑面积约70多万㎡，分多个标段施工，本文工程主要指最西侧11#楼，紧邻蒙自路的相应基坑。
本工程11#楼地上建筑面积80576m2，地下建筑面积28063m2，共计108639m2。工程为超高层商业办公综合楼，地下3层，地上32层，裙房4层。
本工程为钢框架-钢筋混凝土核心筒，多种结构形式结合：核心筒为型钢混凝土结构，主楼外围采用钢管混凝土柱、钢梁结构，裙房为钢结构框架结构，其余结构为钢筋混凝土结构。主楼屋面高度为134m，核心筒屋面高度为142m，裙房屋面高度为22m。
上部结构对应的地下室自西向东依次分为三个基坑，分别为III区、II-b区、III-1区，本文主要针对紧邻地铁侧的III区基坑做研究。
1.2 周边环境
本工程地下结构西侧与地铁13号线站台共用围护墙，基坑距离围墙约1.2m；11#楼北侧为18#楼，已由之前施工单位完成了地下三层和地上二层的结构施工；东北侧为一座35KV变电站，变电站距离基坑最近处约10m。场地南侧为已投入使用的1#楼（35层商办楼），距离基坑最近处约10m，1#楼地下车库与本工程基坑共用围护墙。东侧为本项目后期开发场区，本工程位于黄浦区较繁华地段，原世博园区北侧，四周以道路为主。基坑总面积9394㎡，大面积开挖深度15.6m。
蒙自路一侧距离本工程基坑边界十分接近，几乎紧贴，已建成的地铁站与本工程III区基坑共用一堵围护墙，蒙自路宽约18.0m，下埋多条市政管线，此处为本基坑监测重点所在。
1.3 基坑分区情况
本标段项目基坑占地面积约9394平方米，基坑大面积开挖深度15.6m，基坑安全等级为一级，基坑环境保护等级为一级（与13#线世博会博物馆站零距离）。桩基采用Ф850、Ф600钻孔灌注桩。基坑分坑开挖，采取分坑施工的原则，整个基坑自西向东依次划分为III区（1128m2）、II-b区（5630m2）、III-1区（2591m2）三个区域。
I-b区、III区基坑围护由同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司负责设计，III-1区基坑围护由中船第九设计研究院工程有限公司负责设计，本标段围护工程已由前期施工单位施工完毕。地块内各区域地下室均互相连接，基坑施工结束后，需逐层凿除。另外本工程历史遗留的地下障碍物（包括废桩、废墙）较多，凿除工作量较大。本工程周围单体多，基坑面积大，为保证基坑安全和施工的顺利进行分坑施工必须严格按照流程组织进行。
2、结合工程特点和监测数据而采用的钢支撑自动伺服系统
2.1 自动伺服系统工作原理
支撑的主要目的是抵抗围护墙体受到的侧向压力，当围护墙对支撑产生侧压力时，支撑受压产生轴向形变并产生支撑轴力抵抗侧压力达到基坑受力平衡。围护墙体势必跟随支撑的轴向形变而产生变形。钢筋混凝土支撑的优势在刚度大，因为钢材的弹性模量远大于钢筋混凝土，一般认为钢支撑不如钢筋混凝土支撑稳定。钢支撑的优势在于施工速度快，由于不需要养护、不需要支模板、绑钢筋等一系列施工工艺，同等规模的钢支撑施工速度远快于钢筋混凝土支撑，根据时空效益，越快形成支撑对基坑的安全稳定越有利。钢支撑和钢筋混凝土支撑在基坑施工方便各有优劣。而自动伺服系统可以克服钢支撑在刚度上的缺点，加之自动伺服系统本身施工速度快，可以充分利用钢支撑的优势。
自动伺服系统的工作原理是，支撑受轴压以后，自动伺服系统通过感应芯片精确测量微小轴力变化，在轴力变化的同时提高相应的预应力。虽然支撑产生了轴向形变，但是通过自动伺服系统的液压体系，略微提高液压千斤顶的长度，保证轴力随着基坑受力的大小动态变化的同时，保持支撑的总体长度不变，从而减少支撑的轴向形变。
2.2 支撑概况
本工程的钢支撑自动伺服系统主要应用于III区基坑，其长边为与地铁共墙的地墙，围护形式采用地下连续墙，内支撑采用一道钢筋混凝土支撑+三道钢支撑的形式，第二、三、四道支撑每道由22根钢管组成，除4根角撑外其余均为对撑，对撑平均间距4m。钢材均采用Q235b钢，混凝土强度为C35，支撑截面见下表：
表1 III区支撑情况表
其中，本工程第二、三、四道支撑采用轴压自动伺服系统以控制地铁侧围护变形。初始预应力：第二道施加1000KN轴力，第三、四道施加1300KN轴力。第一道支撑轴力报警值为3200kN，第二、三、四道支撑轴力报警值为2500kN。
2.3 钢管支撑自动伺服系统安装
（1）设备检验
基坑开挖前，现场应准备足够数量的钢管支撑自动伺服系统设备。钢管支撑自动伺服系统设备进场后严格按照设计要求及有关规范标准对钢管支撑自动伺服系统设备质量认真检查，严防不合格钢管支撑自动伺服系统设备投入使用。
（2）自动伺服节拼装
与支撑钢管连接：与支撑钢管连接采用高强螺栓连接，在用螺栓连接时，要求对称用力，防止出现钢管支撑偏心受力。
系统控制柜安装，确保现场电压满足设备运行，检查每个接口的完整性并选择不妨碍现场施工交通的有利地点摆放系统控制柜。
（3）高压油管安装
因每层开挖深度不一，配置高压油管时熟悉基坑开挖深度及每根钢支撑假设位置配置高压油管长度，安装高压油管时因检查每个快速接头的密封性。
（4）发电机运作原理
由于工地用电复杂，时常发生短时间断电情况，如现场断电发电机会在1秒内自动启动，为钢支撑自动伺服系统输送电源。
（5）自动施加轴力
在钢支撑活络头安装结束必须按设计要求及时对支撑施加预应力，以形成一个整体稳定的围护支撑系统后，人工为每单元自动伺服节施加设计轴力，后调至自动伺服模式。
（6）自动伺服节检查验收
钢管支撑安装完成后，班组自检合格后报项目部验收，项目部质检员验收合格后及时报请专业监理工程师检查验收。钢管支撑安装质量控制标准如下：
◆自动伺服节水平位置允许偏差：+30mm
◆自动伺服节两端标高允许偏差：≤20mm
◆自动伺服节的挠曲度允许偏差：≤1/1000
◆自动伺服节连接质量：连接螺栓必须全部拧紧
◆自动伺服节轴力：严格按照设计要求施加预应力，并根据监测反馈信息，复加支撑轴力。
2.4 自动伺服节拆除
（1）自动伺服节拆除原则及条件
在征得监理工程师同意情况下，由项目技术负责人下达支撑拆除令后拆除。
（2）自动伺服节拆除步骤及方法
①施加支撑轴力，卸掉活络头内的钢楔，然后将自动伺服节与钢支撑固定端M24高强度螺栓卸下分离。
②利用吊机将其吊至基坑外平整场地上，并按规格、型号堆码整齐。
3、支撑施工阶段数据分析研究
本工程挖深14.2m，根据自动伺服系统显示，其第四道支撑受力相对较小、应力波动较小，在第四到支撑安装到拆除的过程中，第二、三、四道支撑轴力变化不大，各道支撑平均应力如下：
第四道支撑平均最大应力1223kN，第四道支撑平均最小应力1038kN，平均最大应力仅仅比最小应力多17.8%。
第三道支撑平均最大应力1084kN，第三道支撑平均最小应力912kN，平均最大应力仅比最小应力多18.8%。
第二道支撑平均最大应力1019kN，第二道支撑平均最小应力822kN，平均最大应力仅比最小应力多19.3%。
对应的第四道支撑施工时，第一道最大应力高达2552kN，第四道支撑拆除时，第一道支撑应力下降至1878kN，应力下降高达26.4%。
由于第四道支撑的形成，基坑侧压力被第四到支撑分担。随着最后一皮土方开挖的进行，整个基坑主要侧向受力的平面标高下降。这两个因素的综合作用，导致了第一道支撑轴力发生明显的下滑，远离了第一道支撑基坑轴力的报警值。
在2014年3月19日第四道支撑预应力施加完毕后，随即进行最后一皮土方开挖，挖土施工阶段是对基坑扰动最大的时间段，预应力在钢支撑施工完成后的10天内变化相对较大，但是也仅仅变化了16.2%。2014年3月28日土方开挖完成并形成垫层，在此期间第四道支撑应力均无较大变化。直到2014年4月24日第四道支撑拆除，最终的支撑应力为1038kN，与施加的初始预应力相仿，从始至终都没有发生很大的变化。
4、小结
类似于背景工程这般，对于基坑变形控制要求高的深基坑，钢支撑自动伺服系统较钢筋混凝土支撑可以更高效、迅速地形成对撑，且通过该系统可以实时掌控基坑应力变化情况，并于第一时间进行应力调整，确保基坑变形始终处于安全可控范围内。
本工程采用的根据自动伺服系统的工作原理为：预应力未发生变化，则自动伺服系统不起作用，故第四道支撑采用自动伺服系统比较浪费。在以后的工程施工过程可考虑最后一道支撑采用一般钢支撑即可，降低成本。
参考文献:
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