樁基托換監控量測技術的應用

劉 浩,郭 平

(中鐵一局集團有限公司,西安 710054)

隨著城市地鐵的大規模發展,樁基托換技術越來越得到廣泛的應用,本文以深圳地鐵3101標太陽廣場樁基托換為例,重點介紹了托換中如何通過監控量測做到信息化施工,確保施工過程中既有建筑的安全。

1 工程概況

深圳地鐵3號線3101標老街站—曬布站盾構區間下穿太陽廣場大廈西南角,太陽廣場為地面七層,地下二層的框架結構,基礎為獨立樁基、人工挖孔樁,樁徑共有 4 種,分別為:1.2、1.3、1.4、2.4 m。ZB11′、ZB12′、ZB13′和 ZB14′沿地下室側墻布置 ,樁上無柱,主要承受地下室兩層荷載;ZC14′、ZC13樁上有柱,柱截面為0.8 m×0.8 m,承受地面七層及地下室兩層荷載。

根據基礎樁和隧道的位置關系,需對隧道頂部的ZB12′、ZB13′、ZC14′進行托換 ,隧道兩側的 ZB11′、ZC13、ZB14′樁基進行加固。

其中ZC14′采用主動托換方式,托換梁外包被托換樁承臺和結構基礎梁,托換梁支撐采用φ300 mm嵌巖鋼管灌注樁,被托換樁在托換梁底部截斷。主動托換是本文分析的重點。樁基托換平面布置見圖1。

圖1 樁基托換平面布置

2 監測項目、監測儀器、監測控制標準

2.1 監測項目

具體項目詳見表1。

2.2 監測儀器

監測儀器詳見表2。

2.3 監測控制標準

(1)太陽廣場ZC14′主動托換期間最大允許沉降控制在-3 mm(向下位移為-,下同),頂升控制值為+1 mm。

表1 監測項目匯總

表2 監測儀器匯總

(2)在進行變形觀測的同時,應加強應力觀測,控制結構的裂縫發展。

(3)如沉降接近警戒值時,應加密監測頻率,并作日報表;接近控制值,則應停止施工,分析原因,及時采取有效措施控制結構變形。

3 主要監測方法

3.1 托換梁變形監測

(1)測點布置:1號、2號梁各布置2個測點,3號梁布置6個測點,4號梁布置10個測點,共20個變形測點。

(2)測點安裝方法:采用鉆機在被測物上成孔,并植入φ12 mm的鋼筋。

(3)測試方法:根據現場條件可采用拓普康DL-111C精密電子水準儀和百分表2種方式進行監測。

(4)數據處理:通過實測數據計算鋼管樁的沉降和托換梁撓度,并結合工況繪制沉降時程和撓度曲線。

3.2 鋼管樁內力監測

(1)測點布置:在托換新樁樁身選取4個截面,每截面對稱布置4個鋼筋應變計。每根樁需16根鋼筋應變計,6根樁共需96根鋼筋應變計。

(2)測點安裝方法:擬定在下鋼管前,把應變計焊接于鋼管外表,并安裝保護罩,由于應變計在外表難以保證其完好率,具體將根據現場鋼管樁的施工工藝調整鋼管樁應力的安裝方法。

(3)測試方法:采用電阻式應變讀數儀采集數據。

(4)數據處理:計算每次量測的應變和累計應變,并計算鋼管軸力,根據工況繪制應變時程曲線。

3.3 被托換樁上部結構柱及相鄰柱應力監測

(1)測點布置:只對4號主動托換樁及相鄰柱進行應力監測,被托換樁外貼振弦式應變計,每根樁沿四周各貼1根振弦式應變計,3根樁共布置12根振弦式應變計。

(2)測點安裝方法:被托換樁在托換梁底距梁底50～100 cm位置安裝鋼弦應變計;相鄰樁在其上部對應的結構柱四周外貼振弦式應變計,并引好導線和編上號加以保護,截面選擇在距節點50～100 cm處。

(3)測試方法:采用電阻式應變讀數儀和頻率接收儀進行數據采集。

(4)數據處理:計算每次量測的軸力和累計軸力,并根據工況繪制時程軸力曲線。

3.4 托換梁應力監測

(1)測點布置:只對4號主動托換的托換梁進行應力監測。托換梁應力主要針對梁的受拉區進行監測,即在被托換樁位置兩側,沿梁的縱向按間距30 cm布置一個應變計。每片托換梁布置10個(每側5個,根據現場實際需要可作調整)。

(2)測點安裝方法:均采用外貼鋼弦應變計。

(3)測試方法:采用振弦式應變讀數儀采集數據。

(4)數據處理:計算每次量測的應變和累計應變,并根據工況繪制應變時程曲線。

3.5 新樁、被托換樁和相鄰柱沉降監測

(1)測點布置:在4號新樁承臺兩側、被托換樁和相鄰跨樁各布置1個沉降測點,共11個沉降點。

(2)測點安裝方法:采用鉆機在被測物上成孔,并植入φ12 mm的鋼筋。被托換樁和相鄰跨樁沉降測點布置在對應的上部結構柱上,地下室地板沉降測點直接布置在地板表面。

(3)測試方法:采用拓普康DL-111C精密電子水準儀進行監測。

(4)數據處理:每次量測提供各測點本次沉降和累計沉降報表,并結合工況繪制沉降時程曲線,必要時對沉降變化量大而快的測點繪制沉降速率曲線。

3.6 被托換樁和托換梁相對位移監測

(1)測點布置:在4號被托換樁兩側各布置1個位移測點。

(2)測點安裝方法:先在被托換樁安裝支架,支架頂部距托換梁底部30 cm,然后在支架上安裝百分表。

(3)測試方法:采用百分表進行監測。

3.7 鋼管樁和托換梁相對位移監測

(1)測點布置:在4號兩新樁承臺頂部各布置2個位移測點,每側1個,共4個測點。

(2)測試方法:采用百分表進行監測。

3.8 建筑物梁板應力監測

在地下室底板只對4號主動托換樁相鄰的梁跨進行梁體應力監測,由于4號被托換樁兩側梁體已和托換梁合為一體,因此只測試負二層地下室頂板梁體應力。

4 監測數據分析

4.1 托換梁線形監測

托換梁實測線形數據見表3。

從表3可以看出,C9、C10處于托換梁懸臂端,且該處千斤頂加載較另一端要大,其變形較其他要明顯,但總體看,其變形不大,圖2給出托換梁在頂升過程中各級荷載作用下的變形曲線。從圖中可以看出,托換梁在各級荷載作用下,其變形曲線基本順滑(由于測量誤差的存在,個別處有輕微的凹凸現象),沒有出現異常變形現象。

表3 托換梁線形實測結果mm

圖2 托換梁實測變形曲線

根據托換梁各點的變形數據,推算托換梁在被托換樁位置的撓度如表4所示。

表4 托換梁在被托換樁處的實測撓度 mm

從圖3看出,托換梁實測撓度較小,撓度與荷載關系基本呈線性關系,說明托換梁始終處于彈性工作狀態,其剛度滿足托換要求。

圖3 托換梁在被托換樁處的實測撓度與荷載效率關系曲線

4.2 托換梁應力監測

托換梁實測線形數據見表5。

表5 托換梁實測應變 με

表5為托換梁梁底的實測應變,各點實測應變并不均勻,且有些點應變較大,這主要因為托換梁在頂升過程中不僅出現因彎曲變形而產生的拉應力,而且存在因各千斤頂施力不同步致使托換梁扭轉變形而產生的拉應力。實測最大應變為L3-1點181με,推算鋼筋應力為36.20 MPa,遠小于鋼筋設計允許應力,滿足托換要求。

下面給出部分測點實測應變與荷載的關系圖,從圖4中可以看出,在各級荷載作用下,各測點應變沒有畸變和退化現象,托換梁應變與荷載效率線性相關系數在0.981 8～0.996 5,線性關系良好,說明托換梁處于良好的彈性工作狀態。

圖4 托換梁應變與荷載效率關系曲線

4.3 托換新樁沉降監測

托換新樁承臺實測沉降見表6。

表6 實測新樁承臺沉降 mm

在托換過程中,新樁承臺下沉最大的是東南承臺,下沉4.93mm,在加載至最大級持荷1 d后,新樁承臺下沉最大為0.21 mm,下沉量很小。從圖5中可以看出,除西北承臺外,其他承臺下沉與荷載效率存在較好的線性關系,說明新樁下沉大多表現為彈性下沉,鋼管樁施工質量較好。

圖5 新樁承臺沉降與荷載效率關系曲線

由于在卸載一級后,新樁承臺與托換梁之間的百分表因頻繁施工類遭破壞,其相對位移無法測試,且卸載二級、撤千斤頂澆筑混凝土、新混凝土收縮等因素存在,均可能產生新樁承臺與托換梁的相對位移,所以托換梁的沉降數據不能真實反應新樁沉降,故后期新樁沉降數據未能提供。由于6月22日澆筑承臺與托換梁之間的混凝土,至7月2日盾構通過后的新樁沉降可利用托換梁的沉降數據,從表中看出,盾構通過導致新樁有一定下沉,其中西北樁下沉最大,為-1.61 mm(當次沉降),總體看來,新樁沉降不大。

4.4 托換梁與既有樁相對位移監測

托換梁與既有樁相對位移見表7。

表7 托換梁與既有樁相對位移 mm

從表中數據可以看出,在托換過程中托換梁與既有樁相對位移很小,說明托換梁與既有樁銜接牢靠。

4.5 被托換樁上部結構柱應力監測

表8給出了被托換樁上部結構柱的實測應變,從表中數據可以看出,各點應變有較大差異,但應變較小,最大拉應變為14με,遠小于混凝土理論開裂應變。以上現象說明結構柱因托換梁受力不均勻存在扭轉變形,但變形很小,不影響結構安全。

表8 被托換樁上部結構柱實測應變 με

4.6 建筑物結構梁應力監測

表9給出了建筑物結構梁的實測應變,應變很小,均表現為壓應力。主要因ZC14相對ZD14上抬引起。

表9 建筑物結構梁實測應變 με

4.7 托換梁裂縫分析

在加載至第五級后,對托換梁進行檢查發現,其西側面有如圖6所示裂縫,即在ZB14′樁附近出現斜裂縫,最大裂縫寬度為0.15mm,在承臺2位置有較多豎向裂縫,最大裂縫寬度為0.05 mm。

圖6 托換梁裂縫

根據裂縫的形態可判斷,ZB14′樁附近出現斜裂縫為典型的剪切裂縫,即在托換梁頂升后,由于ZB14′樁給托換梁提供了向下的豎向集中荷載,致使該處產生較大剪力,導致托換梁側面開裂。承臺2位置的裂縫均為豎向裂縫,呈棗核狀分布,即中間寬,兩端窄,且兩端沒有延伸至梁的上緣和下緣,所以判斷為混凝土收縮裂縫,在荷載作用下,由于會在裂縫處產生應力集中,且截面中部鋼筋布置不如邊緣密集,裂縫會更加明顯。

托換梁裂縫其寬度均小于《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)中的裂縫允許寬度,滿足規范要求。

5 結論

在整個托換施工過程中,各監測項目測量值均滿足標準要求,未出現超出警戒值現象。在盾構機通過該段后一個月內進行持續觀測,各項指標均滿足要求。通過施工過程中進行托換梁變形監測、鋼管樁內力監測、被托換樁上部結構柱及相鄰柱應力監測、托換梁應力監測、新樁、被托換樁和相鄰柱沉降監測、被托換樁和托換梁相對位移監測、鋼管樁和托換梁相對位移監測,托換過程中新樁及原結構各部分變形完全受控,做到信息化施工,確保建筑物及托換結構的安全。

[1] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.深圳市地鐵 3號線工程老街站—曬布路站區間太陽廣場基礎加固工程設計圖[Z].北京:2007.

[2] 劉建國.被動樁基托換及無砂混凝土鋼管樁施工新技術[J].隧道建設,2003(10).

[3] 李青和,薛興偉.主動托換法在動載下基礎托換中的應用[J].建筑技術開發,2004(1).

[4] 陳玉明.深圳地鐵樁基托換技術[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[5] 周志偉.深圳地鐵大軸力樁基托換技術[J].隧道建設,2003(8).

[6] 張海舟.廣州地鐵一號線樁基托換施工技術[J].鐵道建筑技術,2004(4).

[7] 趙俊中,宋玲坤,余建軍,等.北京地鐵10號線穿越稻香園橋樁基托換施工技術[J].鐵道標準設計,2008(12).

[8] 陳 光.高架橋樁基礎主動托換施工技術及監控[J].交通世界,2009(7).

[9] 胡 強,柯學賢,張 勇.廣深鐵路橋梁樁基托換施工監測技術研究[J].鐵道建筑,2009(3).