专利名称：采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及深基坑施工技术领域，尤其涉及采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统。
背景技术：
随着上海城市建设的快速发展，市中心土地资源的紧张、交通的拥挤、人口密度的过高等因素制约了城市的可持续发展。而大力开发利用地下空间则是建设节约型城市，走可持续发展道路的一个重要方面。在大力开发城市地下空间的同时又遇到了大量的深基坑工程。这些位于城市中心的深基坑四周密布各类地下管线，邻近各类建筑及地铁隧道等设施。由于城市中心深大基坑施工场地狭小、施工工期紧、基坑开挖深度深，施工条件复杂；力口 之工程所处的地层基本为饱和含水流塑或软塑粘土层，孔隙比及压缩性大、抗剪强度低、灵敏度高等特点。因此，深基坑的变形将对其位移场、应力场产生较大的变化并对周边环境设施带来影响。请参阅图1，图I所示是基坑开挖卸载后的变形特征示意图。由图I可见，深基坑的开挖卸载导致基坑及周围土体的应力场、位移场发生变化，基坑及基坑周围土体地层移动的结果，直观地表现为基坑内的土体隆起bl、围护结构的侧向变形b2以及坑周的地表沉降b3。而在软土地区的城市中开挖深基坑，除了满足深基坑本身的强度和安全稳定外，更主要的是控制深基坑开挖所带来的变形以及产生的坑外地层沉降，以满足周边环境的保护要求。在基坑不发生大面积的渗漏水、漏泥、流砂的情况下，坑周的地表沉降的主要影响因素是围护结构的侧向位移。《基坑工程手册》(刘建航，侯学渊，中国建筑工业出版社，1997.4:10-16)及实测数据表明窄条基坑的坑周地表沉降与围护结构侧向变形的相关性较强。窄条基坑外地表沉降范围一般为I. 5 2. O倍开挖深度，在基坑围护结构不渗漏的情况下，地表沉降最大值δ vs为围护结构最大侧向变形3hs的O. 7倍左右，即δvs=0. 7 δ hs。目前，在窄条基坑工程中，上海地区通常采用Φ609Χ16钢管支撑作为主要支撑形式，其安装拆除方便。钢支撑端部设置可人工复加轴力的活络接头，从而既能支撑围护结构又可满足基坑快速开挖施工的要求。但基坑的钢支撑在支撑受力过程中不可避免地会出现一定程度应力松弛带来的轴力损失，需要对其复加轴力。通常，预加轴力和复加轴力的方法，用液压千斤顶加载至预定轴力，然后插入敲紧锲块锁定钢支撑长度再撤除液压千斤顶；当需要再复加时，重新安装液压千斤顶并进行加载，如此循环。因此，人工复加轴力的工效低，费时多。对于有着几十根钢支撑的基坑而言，在施工实施时难以做到及时复加轴力，因此，目前上海采用常规钢支撑的窄条深基坑，其围护结构侧向变形一般都难以满足规范要求的O. 18H(—级基坑)的变形控制标准。对于紧邻重要被保护设施如运营地铁隧道，其深基坑的变形难以满足被保护设施的变形控制要求。[0007]综上所述，如何提供一种控制效率更高的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统是本领域技术人员亟待解决的一项技术问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，将深基坑钢支撑的轴力设计由被动受压设计变为主动加压调控设计，从而可根据紧邻深基坑被保护设施的变形控制要求，主动进行基坑围护结构的变形调控，从而有效保护紧邻深基坑的被保护设施。为了达到上述的目的，本实用新型采用如下技术方案一种采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，包括若干钢支撑和钢支撑轴力伺服系统，其中，所述钢支撑轴力伺服系统包括自动控制系统、液压系统和若干检测元件，所述钢支撑间隔设置在基坑的围护结构的侧面，所述液压系统通过所述钢支撑支撑所述围 护结构，所述液压系统和所述自动控制系统连接，所述检测元件分别和所述自动控制系统连接，所述自动控制系统对预先设定的轴力控制阀值以及来自各检测元件的监测结果进行比较分析，并通过控制所述液压系统调整所述钢支撑对围护结构的支撑力。本实用新型的有益效果如下本实用新型提供的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，采用钢支撑轴力伺服系统的液压系统、自动控制系统和检测元件，可以将深基坑钢支撑的轴力设计由被动受压设计变为主动加压调控设计，从而可根据紧邻深基坑被保护设施的变形控制要求，主动进行基坑围护结构的变形调控，从而满足紧邻深基坑被保护设施的安全正常使用。
本实用新型的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统由以下的实施例及附图给出。图I是基坑开挖卸载后的变形特征示意图；图2是本实用新型实施例的深大基坑工程总平面图；图3是本实用新型实施例的深大基坑工程剖面图；图4是本实用新型实施例的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统的结构示意图；图5是本实用新型实施例的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统的设计原理图；图6是地铁隧道实测沉降曲线图；图7是基坑围护结构侧向变形实测值与计算预估值对比图。
具体实施方式
以下将对本实用新型的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统作进一步的详细描述。下面将参照附图对本实用新型进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本实用新型由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。请参阅图2和图3,其中，图2所不是本实用新型实施例的深大基坑工程总平面图，图3所示是本实用新型实施例的基坑工程剖面图。该基坑的北侧平行于一地铁隧道，该地 铁隧道包括地铁隧道上行线I和地铁隧道下行线2。本工程基坑开挖深度17. 5m 25. 4m。本工程基坑由围护结构3围成，其围护结构3与地铁隧道上行线I的净距为5. 4m。地铁隧道顶部埋深为8. 5m，该地铁隧道采用盾构法建造，地铁隧道管片采用通缝拼装。管片间的接缝防水采用弹性密封条。环缝、纵缝的张开变形量只允许为3 5mm ;地铁隧道结构设施绝对沉降量及水平变形控制要求< 20_(包括各种加载和卸载的最终位移量)，基坑施工期间运营隧道的允许变形按IOmm控制；地铁隧道变形曲线的曲率半径R彡15000m ;地铁隧道变形的相对弯曲< 1/2500，运营地铁隧道两轨道横向高差〈4_。由于本工程紧邻地铁隧道侧的基坑开挖深度达17. 5m,开挖深度已超过地铁隧道底部2. Sm,因此邻地铁隧道侧深基坑开挖的稳定及产生的变形对地铁隧道安全造成威胁。为保证运营中的地铁隧道的安全，需要严格控制地铁隧道侧的深基坑围护结构侧向变形，以将地铁隧道变形控制在允许的范围内。请结合参见图2和图3，根据拟建工程的塔楼和裙房布置，在邻地铁侧的裙房区基坑内增设一道临时分隔墙，将深大基坑一分为二，分为临地铁的窄条基坑(即北坑)5和远离地铁的大基坑(即南坑)4，先开挖远离地铁的大基坑4，大基坑4地下室完成后再开挖临地铁侧的窄条基坑5。本实施例中，在开挖临地铁隧道侧的窄条基坑5(即北坑)时采用本实用新型的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统。请参阅图2 图4，其中，图4所示是本实用新型实施例的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统的结构示意图。该采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，包括若干钢支撑8和钢支撑轴力伺服系统。其中，所述钢支撑轴力伺服系统包括自动控制系统、液压系统和若干检测元件。所述钢支撑8间隔设置在基坑的围护结构3的侧面，所述液压系统通过所述钢支撑8支撑所述围护结构3，所述液压系统和所述自动控制系统连接，所述检测元件分别和所述自动控制系统连接，所述自动控制系统对预先设定的轴力控制阀值以及来自各检测元件的监测结果进行比较分析，并通过控制所述液压系统调整所述钢支撑8对围护结构3的支撑力。本实施例中，所述液压系统包括液压泵站11、液压千斤顶12、比例减压压阀及比例放大器，所述液压泵站11分别与所述液压千斤顶12、比例减压阀及比例放大器连接，所述液压千斤顶12的输出端和对应的钢支撑8连接。所述自动控制系统包括工控计算机14 (PC系统)和PLC控制柜13，所述工控计算机14和所述PLC控制柜13连接，所述PLC控制柜13分别与检测元件、比例减压阀及比例放大器连接。请参阅图2 图5，其中，图5所示是本实用新型实施例的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统的设计原理图。该采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统的设计方法，采用如上所述的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，包括如下步骤(I)根据被保护设施的变形控制值，通过连续介质有限元分析，获得被保护设施变形与围护结构侧向变形的关系，由此得到围护结构侧向变形的总控制指标以及分级控制指标，根据围护结构侧向变形指标可以进一步得到钢支撑需要提供的轴力值，将该轴力值作为自动轴压支撑系统的轴力控制阀值；具体地，本实施例中，窄条基坑5开挖施工前，由于大基坑4的开挖已对地铁隧道产生了一定的附加变形影响。因此，按地铁隧道的保护要求，本工程窄条基坑5开挖对地铁隧道产生的附加变形必须控制在5mm以内。根据此要求，经二维和三维有限元计算预估分 析，窄条基坑5开挖时，窄条基坑5邻地铁侧围护结构3的水平位移必须控制在13mm以内，才能保证地铁隧道的变形控制在5_以内，满足地铁隧道运营安全要求。本实施例中，窄条基坑头道支撑结合施工栈桥设置为混凝土支撑7，下设四道钢支撑8，根据上述计算确定各道钢支撑8轴力控制阀值。第二道、第三道钢支撑8采用传统预加轴力工艺，轴力控制阀值分别为1400kN、1700kN;第四道、第五道钢支撑8采用钢支撑轴力压伺服系统，轴力控制阀值分别为2200kN、2000kN。在此支撑轴力下，围护结构3的侧向变形控制值即最大侧向位移计算值为12. 2mm。 (2)开始开挖窄条基坑5，在窄条基坑5开挖过程中，检测元件对窄条基坑5靠近被保护设施的围护结构的实际侧向变形值、钢支撑8的实际轴力输出值进行动态监测并将监测结果发送给自动控制系统。本实施例中，在窄条基坑5施工过程中，检测元件对邻地铁隧道侧的围护结构3侧向变形、支撑轴力、地铁隧道变形(竖向、水平向、隧道纵向及横向直径收敛)、坑外水位、地铁与围护间的土体位移进行了动态全过程的监测、监控。窄条基坑5开挖施工实施信息化施工，以每层土方及支撑施工阶段的围护结构3和地铁隧道变形控制值为依据，以当天和前期各阶段的监测数据作参考，调整制定本层及下一层土方开挖与支撑施工的时间和措施。确保基坑、地铁隧道及周边环境变形量控制在预估的范围内。(3)自动控制系统分别对围护结构的侧向变形控制值和围护结构的实际侧向变形值进行比较分析以及预先设定的轴力控制阀值和钢支撑的实际轴力输出值进行分析处理，并根据分析结果向液压系统发出控制指令。(4)液压系统根据控制指令对各钢支撑分别适时加载，使得围护结构的变形在可控的范围内，从而满足被保护设施的变形控制要求。本实施例中，对第四、第五道共54根钢支撑8，通过自动控制系统的计算机软件控制液压系统(其包括54台液压千斤顶12和液压泵站11)的工作。在基坑土方开挖过程中，自动控制系统根据设计计算值和监测变形值即(对围护结构的侧向变形控制值和围护结构的实际侧向变形值进行比较分析以及预先设定的轴力控制阀值和钢支撑的实际轴力输出值)，通过自动控制系统对液压系统的液压千斤顶12分别适时加载，让钢支撑8保持或调整其轴力控制阀值，使围护结构3尽量保持“零变形”状态。进而确保地铁隧道的安全。为降低钢支撑轴力伺服系统的成本和便于控制，结合工程情况将54台液压千斤顶划分为32组，其中18组为单项、10组为双顶、4组为四顶来分别控制钢支撑8的轴力。本实施例，从窄条基坑5开挖起至底板施工完成，地铁隧道水平位移最大变化量为3. 5mm ;地铁隧道沉降最大变化量为I. 7mm ;地铁隧道收敛最大变化量为4. Omm0邻地铁隧道侧围护结构3实测侧向变形最大值为13. 5mm，实测数据与计算分析预测数据基本吻合。请结合参阅图6和图7，其中，图6为地铁隧道实测沉降曲线图，图7为基坑围护结构侧向变形实测值与计算预估值对比图。图7中基坑Ilm深范围内的侧向变形超过计算预估值，原因在于第二、第三道钢支撑8采用了传统的活络接头工艺，钢支撑8应力松弛导致轴力损失较大，实际轴力仅为预加轴力的50%。而第四、第五道钢支撑8采用了支撑轴力伺服系统，轴力始终保护在计算设定轴力值上下偏差10%的范围内。基坑深Ilm以下围护结构3变形实测值与计算预估值基本吻合，从而成功地控制了邻地铁隧道位置处的基坑围护侧向变形和地铁隧道变形。综上所述，本实用新型的采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，通过钢支撑轴力伺服系统的液压系统、自动控制系统和检测元件，可以将深基坑钢支撑的轴力设计 由被动受压设计变为主动加压调控设计，从而可根据紧邻深基坑被保护设施的变形控制要求，主动进行基坑围护结构的变形调控，从而满足紧邻深基坑被保护设施的安全正常使用。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1. 一种采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，其特征在于，包括若干钢支撑和钢支撑轴力伺服系统，其中，所述钢支撑轴力伺服系统包括自动控制系统、液压系统和若干检测元件，所述钢支撑间隔设置在基坑的围护结构的侧面，所述液压系统通过所述钢支撑支撑所述围护结构，所述液压系统和所述自动控制系统连接，所述检测元件分别和所述自动控制系统连接。
专利摘要本实用新型公开了一种采用主动调控变形设计方法的基坑支撑系统，包括若干钢支撑和钢支撑轴力伺服系统，钢支撑轴力伺服系统包括自动控制系统、液压系统和若干检测元件，钢支撑间隔设置在基坑的围护结构的侧面，液压系统通过所述钢支撑支撑所述围护结构，液压系统和自动控制系统连接，检测元件分别和自动控制系统连接，自动控制系统对预先设定的轴力控制阀值以及来自各检测元件的监测结果进行比较分析，并通过控制所述液压系统调整所述钢支撑对围护结构的支撑力，实现将深基坑钢支撑的轴力设计由被动受压设计变为主动加压调控设计，从而可根据紧邻深基坑被保护设施的变形控制要求，主动进行基坑围护结构的变形调控，从而保护紧邻深基坑的被保护设施。
文档编号E02D17/04GK202626999SQ20122008859
公开日2012年12月26日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者贾坚, 王如路, 谢小林, 罗发扬, 翟杰群 申请人:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司轨道交通与地下工程设计分院, 上海申通地铁集团有限公司