钢支撑自动伺服系统对周边环境的影响实测与分析

钢支撑自动伺服系统对周边环境的影响实测与分析　黄亮亮　上海市基础工程集团有限公司　上海　２００００２　摘要：在软土地区进行基坑开挖时，对变形控制的要求往往比较高，钢支撑自动轴力伺服系统的应用。解决了上述问　题。通过有限元分析。分别对多种假设情况的钢支撑自动伺服系统建立模型，得出围护结构侧移值和坑外地表沉降　值，在与工程监测数据进行对比分析研究后证实：钢支撑自动伺服系统可以显著减少基坑围护结构侧移及地面位移　量，可在工程中合理使用。　关键词：基坑施工　钢支撑自动伺服系统　土体位移　有限元分析　应力消散　温差应变　中图分类号：ＴＵ７５３．８　文献标志码：Ｂ　ＤＯＩ：１０．１４１４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｚｓｇ．２０１５．０８．０４１　Ｆｉｅｌｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｓｅｒｖｏ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ＨＵＡＮＧ　Ｌｉａｎｇｌｉａｎｇ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００００２　Ａｂｓｔｒａ眈Ｊｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｊｎ　ｓｏｆｔ　ｓｏｌＩ　ａｒｅａ．ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏＪ　ｔｅｎｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｈｉｇｈｅｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｉｄ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ。ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．Ａｆｔｅｒ　ｏｃｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｉｄ　ｖａｌｕｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ，ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｐｒｏｐｅｒｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｏｃｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｒｎ　ｓｏｉｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｌｉｅｖｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｔｒａｉｎ　０　引言　通过ＤＣＳ系统对钢支撑轴力进行监测，并根据设计应力值　我国软土地区如上海、苏州等地，在轨道交通、保护　自动增加或减少轴力的系统。　建筑等复杂环境周边兴建的建（构）筑物越来越多，在城　根据其功能特点的不同分为液压动力控制系统、钢支　市施工中对周边环境影响的控制日趋严格，基坑施工尤其　撑轴力伺服执行系统（由钢箱体、钢支架平台、千斤顶组　是开挖过程中对变形（水平侧移和竖向沉降）控制的要求　成）、电气与监控系统（由总监控操作站、就地控制站组　也越来越高。　成）共３个部分（图１）。其具有如下特点　：　目前已有多个项目采用钢支撑自动轴力伺服系统（简　称ＳＢＡＳＳ），也取得了一定的成效，本文在理论上假设同　暖嘲ａ２　操作站　同总监拄　广　隆囊　基坑钢支撑的多种不同情况，通过有限元分析模拟得出水　平侧移和竖向沉降理论数据，并与多个工程实例中运用后　得出的周边环境影响的实际监测数据进行比较和分析。　挫…　ｌｌｌｌｌｔｌｌｉｔｔｉｉｔｔｉｔｌｉｌｉｔｌｉ　１１ｉｌｉｌｔｌｔｉ１１１１ｌ　ｌ１１１１ｉｉｔ１ｉｉｉｉｉｌｌ　ｌｉｉ１ｆｉｉｌ　ｆｉ１１１１ｔ１　１１ｉｉｉｌｌｌ　１　自动伺服系统介绍　钢支撑　钢支撑自动伺服系统是一套运用于深基坑钢支撑上，　图１钢支撑轴力伺服系统结构原理示意　作者简介：黄亮亮（１９８３一），男，本科，工程师。　１）可实现支撑轴力实时自动监测及自动补偿；　通信地址：上海市江西中路４Ｏ６号（２００００２）。　２）系统采用了机械与液压双自锁设计，安全可靠；　收稿日期：２０１５—０５－２５　３）伺服系统结构简单，施工安装、拆卸便捷；　皿建筑袍工・：￣３７Ｊｇ－￣：８Ｚ／Ｉ　壅塞　塑　皇　竺翌　警　影响实测与分析　４）正常工作时，液压站与油管无压力，安全高效；　５）可实现２４　ｈ全天候远程网络监控及报警。　ＳＢＡＳＳ应用的范围通常为周边存在对安全性要求较苛　刻的工程或项目（如周边存在轨交、高密度老旧居民区、　保护性建筑等），适用于深基坑或一般基坑中的钢支撑施　工（图２）。　图２钢支撑轴力伺服系统的运用　２　理论分析　钢支撑自动伺服系统是一个新事物，国内运用较少，　且无相应规范可循，使用经验也较少，过去施工的个别工　程无法准确凸显其效果。　为了模拟钢支撑自动伺服系统运用后可能对围护结构　侧移和坑外地表沉降产生的影响，选择同基坑钢支撑的不　同情况分别建立有限元模型：　１）情况１：钢支撑全部采用自动伺服系统；　ｇ蠢秘　２）情况２：一半钢支撑采用自动伺服系统；　３）情况３：钢支撑间隔采用自动伺服系统；　４）情况４：单一某道钢支撑采用自动伺服系统。　经过有限元的模拟分析，得出分析结果如表１Ｏ　５　所示。ｍ　　∞　眦／髓蟥　表１有限元分析值　类别　围护结构侧移　坑外地表沉降　情况１　ｏ．０６５％Ｈ　０．０５０％Ｈ　情况２　Ｏ．１Ｏ０％Ｈ　０．０８７％　情况３　Ｏ１５３％Ｈ　Ｏ．１２８％Ｈ　情况４　０．１６７％Ｈ　０．１３８％　从有限元分析可以看出，运用钢支撑自动伺服系统　可以有效地控制钢支撑的轴力，将钢支撑本身应力消散变　形或温差应变变形的影响明显降低，钢支撑全部采用自动　伺服系统的效果最好，一半使用的次之，间隔使用的再次　之，单一某道使用的效果最差，但仍符合规范规定的围护　结构侧移及坑外地表沉降数值（一级基坑围护结构最大侧　移０．１８％Ｈ，坑外地表最大沉降０．１５％Ｈ，Ｈ为开挖深度）。　拟选取几个实际施工案例与有限元理论分析值进行比较。　３　工程实际测试　分别选择苏州新光三越百货项目、上海轨交１３号线淮　海中路站等４个周边环境复杂的一级基坑工程实例作为样本　进行监测及数据收集。　３．１苏州新光三越百货项目　该项目（实例１）位于苏州工业园区，南侧近轨交区　间处划分为４个宽２０　ｍ、深１９　１ＴＩ的基坑，距离轨交区间最　近处９．１５　ＩＴＩ，轨交区间埋深位于第４道钢支撑所处位置。该　项目共有５道支撑（第１道为混凝土支撑，第２　５道为钢支　撑），１６４根钢支撑全部采用自动伺服系统（图３、图４）。　位移，ｍｍ　位移，ｍ　０　５　１０　１５　０　５　１０　１５　、ｌ　ｊ　｝　｛　．＿　：　＼　Ｘ　）÷　／　”　ｆ｝ｋ—００￡０～一　—　ｆ　一　～　－一　／　ｌｊ：　ｌ一－－ＣＴＸｘ？￣９　ｌ—一Ｃ）（６９　ｇ啊，嫩瓣　§毒世器　图３墙体测斜示意　——　●——　●　———●——●、——．　Ｊ　Ｊ　’～　一　舯　：穹　图４土体位移沉降示意　根据监测数据，轨交区间侧墙体测斜在１４．４０　ｍｍ范围　内，轨交区间侧土体测斜控制在１４．９０　ｍｍ范围内，满足设　计要求。　３．２上海轨交１　３号线淮海中路站　该项目（实例２）位于上海黄浦区瑞金一路以东，淮海　中路以北的地块内，周边有多层普通结构民房，地理位置　特殊。端头井开挖深度３２．８０　ｍ，标准段开挖深度３０．９０　ｍ，　地下６层结构，标准段共有９道支撑（第１道为混凝土支撑，　第４、６、８道为框架逆作板，第２、３、５、７、９道为钢支　撑），其中第５、７、９道钢支撑（第９道为双拼）采用自动　伺服系统。　根据监测数据采集，地下连续墙墙体测斜在３２．８０　ｍｍ　范围内，土体测斜在３１．５０　ｍｍ范围内，满足设计要求。　２０１５－一．８　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ。ｎ衄　堕塞塞　塑圭　皇　里至　翌　望箜墅　窒　坌　３．３上海轨交１　２号线大木桥路站　本项目（实例３）位于上海大木桥路、零陵路交叉口，　与已建成运营的轨道交通４号线呈“十”字形换乘，地下３　层结构，车站主体标准段开挖深度为２３．８０　ｍ，端头井开挖　深度为２５．４０　ｍ。主体标准段共７道支撑（第１、５道为｝昆凝　土支撑，其余为钢支撑），本工程仅第４、６道采用自动伺　服系统。　根据监测数据，地下连续墙墙体测斜４１．３０　ｍｍ，土体　测斜在３５．９０　ｍｍ范围内，满足设计要求。　３．４上海世博会地区Ａ片区“绿谷”地下空间工程　该项目（实例４）位于上海浦东世博园区Ａ１０地块，开　挖深度在ｌ１．４０～１８．６０　ｍ之间，地下３层结构。Ⅱ区基坑靠　近西藏南路隧道约９．５０　ｍ，开挖深度为１５．３０　ｍ，基坑共４道　支撑（第１道为混凝土支撑，第２～４道为钢支撑），仅第３　道支撑部位采用钢支撑自动伺服系统，且支撑体系有钢围　檩存在。　根据监测数据，地下连续墙墙体测斜在２７．３０　ｍｍ范围　内，地下连续墙土体测斜在２２．５０　ｌＴｌｍ范围内，满足设计要　求　１。　４　对比结果分析　根据规范，一级基坑围护结构最大侧移０．１８％Ｈ，坑外　地表最大沉降０．１５％Ｈ（Ｈ为开挖深度）。　对上述４个一级基坑的围护结构侧移、坑外地表沉降的　规范值、有限元值与实际值进行对比分析，得出规范实测　偏差如表２所示。　表２围护结构侧移、坑外地表沉降对比分析　项目　围护结构侧移　名称　规范值／ｍｍ　有限元值／ｍｍ　实测值／ｍｍ　规范实测偏差　实例１　３４＿２Ｏ　１２　４０　１４．４０　０　４２　实例２　５５　６０　３０．９０　３２　８Ｏ　Ｏ５９　实例３　４５．７０　３８　８Ｏ　４１　３０　０９０　实例４　２７　５０　２５　５０　２７　３Ｏ　Ｏ．９９　项目　坑外地表沉降　名称　规范值／ｍｍ　有限元值／ｍｍ　实测值／ｍｍ　规范实测偏差　实例１　２８　５０　９　５０　１４９０　Ｏ　５２　实例２　４６　４０　２６．９０　２８．３Ｏ　Ｏ　６１　实例３　３８　１Ｏ　３２　５０　３５　９０　０　９４　实例４　２３　ＯＯ　２１　２Ｏ　２２　５０　Ｏ９８　通过对规范数值、有限元值及实际测量数值的比较，　我们发现虽然围护结构侧移及坑外地表沉降皆满足规范要　求，然而有限元值相对实测值偏小，实测时由于多种情况　的发生（如支撑不及时、降水、重车行走等）造成其比有　限元值偏大，但仍满足规范的要求。　另外，伺服系统在不同使用情况下达到的效果也不一　样，钢支撑全部使用伺服系统的效果最好，其次为一半使　衄建筑袍工・第３７卷・第８明　用伺服系统的情况，再次为跳用伺服系统的情况，最后为　只有单道钢支撑使用伺服系统的情况。　钢支撑自动伺服系统目前由于市场需求不大、缺少竞　争的原因，价格相对于传统钢支撑较高，本文提到的苏州　新光三越百货项目相对成本增加５１％，上海轨交ｌ３号线淮　海中路站工程增加３３％，上海轨交１２号线大木桥路站工程　增加１５％，上海世博会地区Ａ片区“绿谷”地下空间工程增　加１４％。因此，虽然自动伺服系统套数使用越多，效果越　好，但同时也意味着成本相对越高（图５）。　＝：＝撂　慧蒜器偏籀　＾一境外地寝况降偏差　、、＼　实删Ｊ　实　！［２　宴斜，　宴错４　图５相对成本增加与沉降、偏移效果对比　５　结语　目前很多基坑位置位于市中心城区，周边有多层普通　结构民房、轨道交通、保护建筑或地理位置特殊的基坑，　传统钢支撑安装后，基坑可能因钢支撑本身应力消散变　形或温差应变而变形。为了确保工程施工不影响到周边建　（构）筑物安全，控制地面沉降及围护结构变形，采用钢　支撑轴力自动补偿系统可以弥补钢支撑本身应力消散、温　差应变等引起的变形，从而更好地控制基坑变形。除此之　外，还可以通过轴力数据及墙体侧斜数据复核设计理论轴　力的计算。　自动伺服系统成本较高，钢支撑全部使用该系统对于　工程造价有一定的影响，根据基坑周边环境进行综合性分　析后选用合适数量的自动伺服系统较为可取。　◇◇参考文献◇◇　［１】张德标，费巍，王成焱，等应力伺服系统在紧邻地铁深基坑钢支撑轴　力监测中的应用【Ｊ］．施工技术：下半月，２０１　１（５）：６７—７０　［２】顾国明．液压伺服系统在深基坑施工中的应用［Ｊ】建筑机械化，　２０１ｏ（１２）：４９－５１．　［３】胡立海钢支撑轴力自动补偿系统在基坑围护工程中的应用［Ｊ】ｌ建筑　施工，２０１　３（８）：６９３—６９４　［４】胡兴锴轴力自动补偿支撑系统的应用与安装［Ｊ】ｌ建筑施工，２０１２（９）：　８７８－８７９．　【５】张家明中心城区深基坑施工中钢支撑轴力自动补偿技术的应用和　监控【Ｊ］建筑施工，２０１　２（６）：５２５—５２７．　［６】崔荣方，朱威，王培达．深基坑钢管支撑轴力监测分析［Ｊ］．山西建筑，　２０１　３（３１）：８３－８４　【７］郭利娜．胡斌．李方成，等．武汉地铁深基坑围护结构钢支撑轴力研究　【Ｊ］ｌ地下空间与工程学报，２０１３（６）：１３８６—１３９３．