公路隧道深基坑圍護樁受力與變形監測*

金生吉，陳 華，張 鑫，何麗娟

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

21世紀是地下空間開發利用的黃金時期[1].由于城市建設的迅速發展和人口的急劇膨脹，導致城市用地日趨緊張，交通壓力越來越大，因此，開發和利用城市地下空間發展高效的地下交通工程，已成為解決城市交通擁堵的重要途徑之一，為此我國許多地區都開始大力修建城市地下公路隧道[2-4].隨著明挖法施工隧道的不斷建設，基坑的規模和開挖難度越來越大，對基坑圍護體系的布置要求也越來越高，而圍護樁的設計與施工又是整個隧道深基坑建設中的關鍵環節.為保證基坑開挖的安全與穩定，確保工程順利進行，按照基坑監測技術規范相關要求及工程實際情況，需要對基坑圍護樁的變形進行實時監測，當出現異常情況要及時反饋給施工單位和業主，并針對具體情況采取相應的應急措施，必要時需調整施工工藝，修改施工方案[5-8].本文模擬計算了沈陽市南北快速干線隧道深基坑施工過程中樁體的受力情況，并對圍護樁的水平位移進行現場監測，研究樁體的變形規律和受力特點，希望能對類似基坑工程的安全施工提供參考.

1 工程概況

沈陽市南北快速干線工程(南段隧道)全長3 348.67 m，為雙向4車道，設計時速60 km/h.本區段屬于城市主干線，道路兩側主要為多層居民樓和高層商業樓等建(構)筑物，距離基坑僅10～15 m.從市政工程的長遠規劃考慮，經比較和論證后，在隧道結構頂部修建綜合管廊，圍護結構采用圍護樁加內支撐的支護體系，此公路隧道深基坑采用半蓋挖順做法施工.

2 地質及水文條件

地下水位埋深10.30～13.20 m，年變化幅度約為1～2 m，該地下水主要以大氣降水和附近河流水滲入為補給來源.擬建隧道埋深局部位于地下水位以下，場地地下水對混凝土結構有微腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性.

表1 土層物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

3 圍護結構設計方案

隧道基坑開挖深度為17.8 m，標準開挖段寬為21.4 m.圍護樁采用混凝土強度等級為C30的φ800@1 200規格的鉆孔灌注樁，樁長23.8 m，其中基坑底板以下嵌入深度為6.0 m，樁頂澆筑800 mm×1 000 mm混凝土冠梁，基坑側壁各樁之間架設φ8@150×150鋼筋網，并噴射C25混凝土找平加固，隧道中央設置兩排鋼混格構柱，基礎底板厚1.4 m.共設置四道支撐，其中第一道為800 mm×600 mm混凝土支撐，水平間距為8 m，第二、三、四道均為φ609×16鋼管支撐，端部支撐在兩側圍護樁的雙拼鋼圍檁上，水平間距為3 m，三道鋼支撐距第一道混凝土支撐頂面的豎向距離分別為5.9、9.9和13.9 m.基坑圍護結構剖面圖如圖1所示(單位：mm).

4 樁體受力與變形監測

4.1 圍護樁受力有限元計算

為了研究在基坑土體開挖過程中圍護樁的穩定性，采用同濟啟明星Qimstar?基坑支護結構專用軟件FRWS7.2來計算基坑施工中圍護樁體的受力情況.此處選取標準開挖段中的WB08-01圍護樁作為研究對象，結合上文鉆探給出的基坑土層物理力學參數，采用荷載-結構模型的分析方法，按平面桿系有限元法進行結構計算.在基坑開挖階段，把基坑圍護視為豎向彈性地基上的梁來模擬樁體的受力和變形.

圖1 基坑圍護結構剖面圖Fig.1 Profile diagram of retaining structure of foundation pit

采用朗肯主動土壓力理論進行主動側土壓力計算，負位移不考慮土壓力的增加.采用“m”法進行被動側基床系數的計算，且土體抗力不考慮極限土壓力限值，基坑周邊地面超載取20.0 kPa進行分析，支護結構上的土壓力采用水土分算的方式，基坑開挖面以下主動區土壓力視為矩形分布.結合基坑施工步序，計算模擬了開挖、加撐、再開挖、再加撐、結構回筑、換撐、拆撐等全工況施工過程，由此得出WB08-01圍護樁外側的土體抗力包絡圖(0～209.6 kN/m)、樁體位移包絡圖(0～10.95 mm)、彎矩包絡圖(-326.3～320.7 kN·m)和剪力包絡圖(-302.6～298.7 kN)，如圖2所示.

圖2 內力包絡圖Fig.2 Envelope diagram of internal force

4.2 樁體變形監測原理及方法

測斜儀是一種可以精確測量沿基坑垂直方向上土層或圍護結構內部水平位移的工程測量儀器.基坑圍護樁體的變形主要是通過測斜儀來監測測斜管不同深度處的水平位移，當樁體發生位移時，埋入樁體內的測斜管將產生同步位移，以此來反映基坑開挖階段結構的安全狀況.

測斜儀的測量原理是假定測斜管底端水平位移為零，測斜探頭傳感器用來測量重力垂面上的量，然后確定探頭與水平面的傾角.在實際工程中，當測斜管埋設足夠深時，管底端可視為零基準，以測斜管底端為參考點，從管底往上計算各測點的水平偏差值.測斜儀測量原理圖如圖3所示.

圖3 測斜儀測量原理圖Fig.3 Measurement principle of inclinometer

通過逐點測量測斜管內測斜探頭軸線與鉛垂線之間的傾角θi，可計算樁體各測點偏離垂線的水平偏差，即

δi=Lisinθi

(1)

管口的水平位移值就是各分段位移增量的總和，即

(2)

由于埋設在樁體內的測斜管不可能呈鉛垂線狀態，其必有初始水平偏差，即

(3)

則第n個測點的實際水平位移為本次測得的水平位移偏差減去測斜管的初始水平偏差，即

(4)

式中：Li為第i個量測段的長度；θi為第i個測點處的傾角實測值；θ′i為第i個測點處的傾角初始值.

由于此次公路隧道基坑安全等級為一級，且開挖深度大，選用加拿大Roctest公司生產的型號為Profil便攜式測斜儀進行現場監測，其測量精度為±1 mm/50 m，便攜式測斜儀現場監測圖如圖4所示.

在樁頂冠梁澆筑結束后，基坑土方開挖前，需重復測量3次以上，采集測斜管各測點的初始水平偏差數值，在判定測斜管處于穩定狀態后，方可進行正式監測.測量時，將測斜探頭的滾輪先沿垂直于基坑方向的導槽，緩慢下滑到測斜管底部，使探頭在管底穩定數分鐘后(目的是消除探頭與管內水的溫差，減少誤差)，開始提升電纜線，使測斜探頭自下而上沿導槽全長每隔1 m測量一次，測斜儀自動記錄各測點的深度及水平位移.當測斜儀讀數穩定且數據存儲完畢后，繼續提升電纜線進行下一測段的測量，直至管口.然后將測斜探頭反轉180°，沿著同一導槽按上述方法重復測量一次.理論上兩次測量數據應滿足大小相同，符號相反.

圖4 Profil便攜式測斜儀現場監測Fig.4 On-site monitoring with Profil portable inclinometer

4.3 主要施工階段樁體變形監測分析

研究基坑開挖隨施工過程的穩定性，最直觀可靠的方法就是監測圍護樁體水平位移情況，這也是基坑施工監測中最重要的指標之一.本次監測從基坑開挖開始實施，截止到基坑主體結構施工結束.基坑標準段開挖工況如表2所示.

表2 基坑標準段開挖工況Tab.2 Excavation working conditions of standard segment of foundation pit

WB08-01圍護樁不同施工階段樁體水平位移曲線如圖5所示，由此可以得出如下幾點結論：

1)2016年3月20日，基坑開挖第1層土體時，因基坑土體的突然卸荷，破壞了原有土體間的受力平衡，使基坑外側土體對圍護樁產生不對稱的側向擠壓，導致圍護樁向基坑內側近似呈線性分布變形.由于此時基坑開挖較淺，且第一道混凝土支撐剛度較大，樁體各部位變形都較小，最大水平位移出現在樁頂，為2.40 mm.4月9日，開始架設第一道鋼支撐，隨著基坑開挖的加深，基坑外側土壓力隨之增大，導致樁體各處的變形都增大，此時圍護樁體由前傾形曲線逐步向弓形曲線變化，樁身最大水平位移為4.65 mm，發生在6.0 m深處.

圖5 不同施工階段樁體水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curves of pile bodies under different construction stages

2)5月2日，基坑第2層土體開挖結束，因受施工場地條件的限制，此時未能立即架設第二道鋼支撐，導致樁體產生較大變形，并且樁體最大變形的部位向下移動，在9 m深處附近達到最大值6.55 mm.因此在基坑每層土體開挖完成后，要盡量減少無支撐暴露時間，及時架設鋼支撐并按設計要求分層分段施加支撐軸力.在第二道鋼支撐架設完成后，隨著基坑第3層土體的不斷開挖，此時樁體最大變形的部位繼續下移，在11.0 m深處達到7.50 mm.5月28日，在第3層土體開挖即將完成時，樁體最大變形量達到了9.10 mm.之后開挖第4層土體的過程中，樁體水平位移速率明顯變緩，這是因為受到第一道混凝土支撐和三道鋼支撐的協同作用，樁體的變形得到了約束，同時在設置鋼支撐的三個部位，因樁體受到預加支撐軸力的頂推作用，這些位置的變形都有微量收縮.

3)6月20日，基坑開挖完成并開始澆筑底板.由監測數據可知，在第三道鋼支撐架設完成至基礎底板澆筑結束，期間樁身最大水平位移仍持續增長，但增幅明顯減小，基坑底板以下的樁體部分，隨深度的增加，變形量逐漸減小并收斂.7月25日以后，開始自下而上依次拆除三道鋼支撐，此后因受施工環境、機械荷載的影響，以及基坑時空效應的作用，樁體水平位移都略有增長，但整體平穩.最終樁體的最大水平位移為11.25 mm，出現在12 m深處附近(此處約距基坑設計開挖總深度的2/3)，遠小于21 mm的預警值.這表明本工程設計所采用的鉆孔灌注樁沿基坑橫向設置四道內支撐，并與基礎底板所組成的支護體系，很好地發揮了基坑圍護作用，保證了基坑開挖的安全，極大地提高了基坑施工過程中的穩定性.

4.4 樁體變形曲線與內力的關系

由上述研究得出的WB08-01圍護樁的理論受力情況與現場變形監測數據可知，在基坑土體開挖過程中，可從數學模型分析角度出發，用微積分方程求平面曲線上任一點的曲率K(x)為

(5)

(6)

式中：x為圍護樁沿基坑深度方向坐標值；ρ為函數曲率半徑；φ為函數曲率.

由于在基坑開挖階段，是把圍護樁假設為豎向彈性地基上的梁來進行受力分析的，所以可以采用微分方程來求解樁體的變形曲線方程，即

(7)

式中：EI為樁體截面抗彎剛度；k為地基系數(使地基土產生單位位移所需的壓強)；p(x)為圍護樁被動側分布荷載；q(x)為圍護樁主動側分布荷載.

由微分方程解的性質可知，式(7)的通解由4個線性無關的特解構成.根據沈陽市南北快速干道工程給出的地質勘查資料，土壓力計算為分段的一次函數，代入樁體變形曲線函數f(x)需滿足式(7)，即為多項式函數.因圍護結構材料介質的不連續性，第一道混凝土支撐具有較大的剛度，第二三四道鋼支撐預加軸力的損失，以及受施工環境影響等原因，以致實際的土壓力與計算采用的朗肯土壓力并不完全吻合，所以根據用微積分方程求平面曲線上任一點的曲率，桿件結構變形函數的曲率與桿件所受彎矩M的關系可表示為

M=EIφ

(8)

將式(6)代入式(8)，可得出樁體各個截面上所受彎矩大小，即

(9)

圍護樁體的水平位移與樁體深度之間的函數關系，可通過式(9)并結合現場實際監測到的樁體不同深度處水平位移量的離散點來擬合得到.對樁體變形曲線函數進行二次求導，可得到圍護樁上任意點處的變形曲率，并由此可推算出整個樁體上各點處的彎矩值.

5 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1)由現場監測的樁體水平位移曲線可知，實際測量值大于模擬計算值，這主要是同濟啟明星Qimstar?基坑支護結構專用軟件FRWS7.2在進行結構受力計算時，沒有把氣溫變化、施工機械荷載的振動、鋼支撐預加軸力損失等因素考慮進去.但監測結果與計算結果兩者在數值上總體比較接近，變化趨勢一致，表明建立的計算模型合理、參數選取恰當，能夠反映基坑開挖期間樁體受力變形的一般規律，可為施工和監測提供一定的參考.

2)受施工環境等因素的影響，實際土壓力與朗肯土壓力并不是完全一致的，當用水土分算的方式來計算支護結構上的土壓力，并由純彎構件假設理論，結合模擬得出的內力包絡圖與實測樁體水平位移量離散點，可擬合得到樁體水平變形與深度之間的函數關系，再對樁體變形曲線進行二次求導，可由樁體上任意點處的曲率推算出整個樁體的彎矩值.

3)樁身的最大水平位移與基坑土層的開挖深度密切相關，隨基坑開挖深度的增加而發生非線性增大，樁身形狀也由最初的前傾形曲線逐步向弓形曲線發展.相比樁頂和樁底的變形，樁體中部變形速率最快且變形量最大，受基坑時空效應的作用，樁體最大變形部位不斷下移，最終在約距基坑設計開挖總深度的2/3處達到11.25 mm最大值.

4)鋼支撐的架設能夠控制樁體變形的持續增大，因此在基坑每層土體開挖完成后，要盡量縮短無支撐暴露時間，及時架設鋼支撐并按設計要求分層分段預加支撐軸力.由于受到第一道混凝土支撐和三道鋼支撐的側限作用，在整個基坑開挖過程中，樁體各監測點的水平位移量未有奇異值的出現及預警情況的發生.這表明本工程所采用的鉆孔灌注樁設計與施工合理可靠，能很好地完成基坑圍護工作，保證了基坑開挖期間的安全與穩定.