天津港南疆復線公路橋工程11～14#橋墩基坑支護監測

運煦 （天津大學水運水利勘察設計研究所 天津300072）

天津港南疆復線公路橋工程11～14#橋墩基坑支護監測

運煦 （天津大學水運水利勘察設計研究所 天津300072）

介紹了天津港南疆復線公路橋11～14#基坑支護工程的概況和施工要點，工程從外業觀測到內業資料整理嚴格按照規范、規程進行，所取得的數據可靠合理，說明該項工程的基坑支護結構設計合理，施工順序基本可行。

天津港南疆復線公路橋 基坑支護 監測

1 工程概況

天津港南疆復線公路橋位于渤海西岸海河入?？冢旖蚋勰辖窐蚝湍辖F路橋北側，西端與津沽一線跨海濱大道相接，東端與南疆港區主干道南港路相接。該大橋和南疆公路大橋平行，兩橋外邊緣間距5 m，兩橋承臺高差3 m?；娱_挖時支護受到基坑外側的土壓力和地下水壓力的共同作用，由于基坑位于軟土地基，基坑開挖深度最深為-12 m，支護受到的荷載較大。為了適時、有效地監控基坑支護的受力狀態，保障該工程的順利實施，天津港南疆復線公路橋11～14#基坑支護工程采用拉森Ⅳ型鋼板樁，設計樁長24 m。

本工程基坑開挖深度為-7.0 m（12#、13#基坑）、-4.0 m（11#基坑）、-3.5 m（14#基坑）。設計要求鋼圍囹采用雙拼（11～14#基坑，第一、二道支撐）、三拼（12#、13#基坑，第三道支撐）、四拼（12#、13#基坑，第四、五道支撐）56b工字鋼，鋼對撐和角撐采用挖土雙拼（11～14#基坑，第一、二道支撐）、三拼（12#、13#基坑，第三、四、五道支撐）56b工字鋼，輔助撐采用36c工字鋼，穩定支撐采用Ф140鋼管。鋼牛腿采用100 mm×100 mm、δ＝10 mm的角鋼加工成三角架形式，懸挑長度為650 mm，一側角鋼與鋼板樁焊接牢固，并在每支撐點設一處。基坑降水及清淤過程中采用分層降水。

基坑開挖：11#基坑2006年5月5日開始，于5月19日結束；12#基坑2006年4月28日開始，于5月16日結束；13#基坑2006年3月25日開始，于4月24日結束；14#基坑2006年3月29日開始，于4月26日結束。監測工作從2006年3月16日開始，埋設老橋橋墩沉降及位移監測點，以后隨施工進度陸續埋設完成11～14#基坑表層位移監測點以及深層土體側向位移測斜管，并且于3月17日至3月19日進行觀測確定初值，3月21日開始觀測（老橋橋墩沉降及位移監測），13#基坑3月22日開始觀測；14#基坑3月25日開始觀測；11#、12#基坑4月28日開始觀測（包括表層位移及深層土體側向位移），至7月15日結束。

2 監測點布設和儀器埋設

表層位移監測點共布設26點，以及沉降監測點（與老橋橋墩表層位移監測點為同一點，共4點）、深層土體側向位移觀測點。測斜裝置有測斜管、測斜儀、數字式測讀儀三部分組成，測斜管埋設在支護梁外側，測斜管的埋設頂標高為+5.0 m，底標高為-25.0 m，共埋設12根。

3 觀測方法

3.1 位移觀測

控制測量采用導線測量方法，工作基點（TA、TB、TC三點）、位移監測點坐標測量嚴格按照二等變形測量要求施測。位移測量按一級導線精度要求進行觀測，距離觀測方法采用平距測量算術平均值測量模式，記錄1組數據。

3.2 沉降觀測

使用水準儀測量老橋橋墩各監測點高程，通過高程的變化計算各監測點的沉降量。位移及沉降觀測數據取其數次平均值，作為各監測點的初始值。

3.3 深層土體位移觀測

先將測頭放入測斜管底，放置3 min，使測頭溫度與環境溫度一致。測量每500 mm測讀1次，沿位移正負方向各測讀1遍。為保證監測工作連續、安全，同時采用兩套同一型號儀器測定初始值，依據規程要求每一測斜導管的初始值將測3次，觀測成果均取平均數值作為初始值。

3.4 位移計算

當測頭的敏感軸與基準軸（地球的重力軸）有一個角度時，測頭中的加速度計就有一個輸出值，如下式所示：

式中：A為加速度計的偏值（零偏）；K為加速度計的標度因數；G為地球重力加速度；θ為傾角。

為了消除加速度計零偏的影響，在測試時采用正反兩次測試，比如分別在東西方向上進行測試，可以先測試東方向上的數據，記作U1，再進行西方向上的測試，記作U2，將U1-U2得到式2：

式中：L為導輪輪距500 mm；ΔI為水平位移（單位：mm）；θ為傾斜角。

將式3代入式2可以得到：

對于一個測孔，在確定的方向上，各測試點的位移總和即為：

以上測量原理的描述見圖1。

圖1 測量原理圖

量測的結果整理成水平位移變化曲線，反映各土層的水平位移情況。

4 觀測成果及分析

4.1 表層位移觀測

各監測點位移情況見表1～4（表中位移量單位為mm，位移量正號表示向基坑內側，負號表示向基坑外側）：

表1 11#基坑表層位移監測數據

表2 12#基坑表層位移監測

表3 13#基坑表層位移監測

表4 14#基坑表層位移監測

基坑開挖過程中，由于現場條件等諸多因素的影響，增加了監測的工作量和難度，基坑支護在開挖后變形較大，為了保證基坑的安全，基坑開挖過程中監測人員每天觀測2次，至6月16日基坑支護逐漸趨于穩定，監測頻率由每日2次降為每日1次，7月15日表層位移監測工作結束。

表層位移值比較大的為11#基坑J18（-537.1 mm）、J19（-450.4 mm）、J21（427.9 mm）、J22（405.8 mm）；12# 基坑J8（-23.0 mm）；13# 基坑 J1（135.6 mm）、J4（-145.7 mm）；14# 基坑 J13（90.0 mm）、J14（181.6 mm）、J15（109.7 mm）、J16（145.8 mm）。從11～14#基坑支護后期監測數據分析，11～14#基坑支護處于受控狀態。

4.2 深層土體側向位移觀測

11～14#基坑深層土體側向位移監測點的數據分析，基坑在抽水期間開始出現位移，在開挖過程中變化較大，特別是13#基坑，由于在前期打設鋼板樁時，對周圍的土體產生擾動，導致CX1#測斜、CX2#測斜變形較大，在11～14#基坑澆鑄封底混凝土后，深層土體側向位移監測數據分析，基坑基本處于受控狀態。表5為各基坑深層土體側向位移最大值（表中位移量單位為mm，位移量正號表示向基坑內側，負號表示向基坑外側）。

表5 各基坑深層土體側向位移最大值

深層土體側向位移監測頻率與表層位移監測同步進行。

4.3 12#、13#基坑圍囹及支撐應力觀測

在施工過程中，為了確保12#、13#基坑支護安全，且判斷下一步施工措施是否符合預期要求，設計要求對內部鋼支撐應力進行監測，以隨時驗證結構的安全性。考慮到結構受力時，某些桿件承受較大內力，某些桿件截面積稍小，故在監測時將測點布于這些桿件上，且在每層同一點設置觀測點進行監測。

應力監測由儀器監測得到的表面應變ε，以公式σ＝Eε（E為鋼構件的彈性模量）求得表面應力σ，對比實測應力值與設計應力值，即可驗證桿件是否滿足強度要求，按設計要求，支撐應力不得超過材料強度設計值的0.95倍。

為滿足測量精度要求，桿件應力監測使用BYB－100型表面應變計，采用標距100 mm，將儀器固定于被測構件上，分辨率≤0.2%F·S，溫度為3～4 Hz/10℃，工作溫度為-20～50℃，綜合誤差＜0.2%F·S，滿足監測精度要求。BYB－100表面應變計用于測量鋼性結構表面的應變，以鋼弦作為傳感元件。工作方式為單線圈間斷脈沖激發式，與帶有脈沖激發器的頻率接收儀配合使用組成量測系統（測試時，頻率檢測儀功能鍵應轉換至與其相符的工作狀態），具有性能穩定、不受導線長度限制、抗干擾能力強、適用于長期觀測等優點。讀數采用ZX－12振弦頻率檢測儀，該檢測儀是一種便攜式液晶顯示測量儀器。本儀器主要用于測量鋼弦式傳感器的鋼弦振動頻率。測試時配以溫度計測量溫度變化，對所測結果進行補償，以降低由于溫度變化導致的監測誤差。

振弦式儀器通常包括固定在端塊或被測元件之間的鋼弦，通過測量張緊鋼弦的頻率變化來測量鋼弦的張力/應變等物理量，鋼弦的振動頻率與弦的張力之間的關系為：

這里：F——鋼弦的自振頻率；L——鋼弦的長度；M——單位長度鋼弦的質量；T——鋼弦的張力。

由于鋼弦式應變計中鋼弦在初始狀態存在固定的震動頻率，受力后頻率發生變化，以振弦頻率檢測儀檢測出前后的頻率變化值，從而可求出鋼弦的應變。這種檢測方法容易實施，且精度滿足要求，所以本次工程選用上述儀器在現場監測。

13#基坑圍囹及支撐第二層于3月30日安裝鋼弦式應變計，第三道圍囹及支撐鋼弦式應變計于4月2日上午安裝完畢。第四層圍囹及支撐鋼弦式應變計于4月8日、9日安裝完畢，每天采集兩次監測數據，分別為低潮時和高潮時。應力監測數據分析，13#基坑圍囹及支撐最大應力點為第四層圍囹3點，應力為-158.7 N/mm2（4月17日應力單位為N/mm2，“－”號為壓應力，“＋”號為拉應力），處于設計控制范圍內。支撐在支護中受力狀態良好，未達到設計容許應力的0.95倍（設計容許應力為215 N/mm2）。

12#基坑圍囹及支撐第二層于4月30日安裝鋼弦式應變計，第三道圍囹及支撐鋼弦式應變計于5月2日上午安裝完畢，第四層圍囹及支撐鋼弦式應變計于5月9日、10日安裝完畢，第五層圍囹及支撐鋼弦式應變計于5月15日安裝完畢。每天采集兩次監測數據，分別為低潮時和高潮時。應力監測數據分析，12#基坑圍囹及支撐最大應力點為第二層圍囹4點，應力為-131.1 N/mm2，處于設計控制范圍內。支撐在支護中受力狀態良好，未達到設計容許應力的0.95倍（設計容許應力為 215 N/mm2）。

5 結語

基坑在抽水過程中鋼板樁開始產生變形，在淤泥開挖過程中變形較大。隨著基坑鋼圍囹及支撐的向下施工，鋼板樁變形位移最大值的深度逐步向下延伸，累計位移值超過設計允許值。鋼圍囹及支撐在施工期間應力受力狀態良好，未達到設計容許應力的0.95倍（設計容許應力為215 N/mm2）。

本次施工是在水下進行，施工和監測的難度比較大，監測儀器多次因變形過大受影響，導致監測儀器損壞，累計埋設16組深層土體測斜。

本工程從外業觀測到內業資料整理嚴格按照規范、規程進行，基坑支護監測的觀測是比較成功的，所取得的數據可靠合理。說明該項工程的基坑支護結構設計合理，施工順序基本可行。建議基坑開挖時，應盡量減少基坑槽底的暴露時間，有利于基坑支護的穩定。■

2010-11-09