單層洞樁法暗挖車站邊樁結構受力及變形特征研究

孫玉輝 張子真 陳昌彥 王金明

(北京市勘察設計研究院有限公司，100038，北京∥第一作者，高級工程師)

目前，對于傳統洞樁法(雙層導洞)暗挖車站，一般采用理論分析和經驗類比相結合的設計方法,而對于新型單層洞樁法車站結構受力體系，幾乎未見相關研究。邊樁作為單層洞樁法暗挖車站施工期間(在車站主體拱、墻、板完成之后就不再將其作為受力構件考慮)承擔豎向荷載及側向土壓力的構件，是該施工方法的重要組成部分，對于其結構受力體系及變形特征，缺乏理論研究和現場實測驗證。基于此，在單層洞樁法暗挖施工中，對邊樁樁頂壓力、鋼筋應力、混凝土應變，以及邊樁頂豎向位移、樁身水平位移等進行監測，通過數據分析并結合理論分析總結出單層洞樁法施工過程中邊樁的結構受力體系，為設計、理論研究提供參考及真實數據支撐。

1 工程概況

北京地鐵某地鐵車站暗挖段為地下二層雙柱三跨連拱直墻結構，采用暗挖洞樁法施工，結構覆土厚度為14.00 m，結構總高度為17.12 m。邊樁直徑為1.00 m，樁中心距為1.25 m；中柱樁基直徑為1.80 m，樁中心距為7.00 m。車站底板以下為卵石⑨層，邊樁和中柱樁基嵌固深度分別為12.00 m、17.80 m。

地層以人工填土層、粉質黏土、黏質粉土等交互地層為主，拱頂為砂卵地層，局部為粉細砂地層，車站結構范圍內為砂卵地層，存在層間潛水，底板位于砂卵地層、隔水層以上。具體車站結構斷面及地層如圖1所示。

圖1 車站結構斷面及地層剖面圖

2 監測方案設計

本次監測項目主要為邊樁頂壓力、邊樁鋼筋應力、邊樁混凝土應變、邊樁頂豎向位移、邊樁水平位移等。各監測項目盡量布設在同一斷面上，便于各種監測數據的綜合分析與相互驗證。具體監測點布設位置如圖2所示。監測方法及儀器精度如表1所示。

表1 監測方法、儀器精度及測點布設統計表

圖2 監測布設位置剖面圖

3 結構受力及變形特征

3.1 邊樁頂壓力

共對6根邊樁布設了樁頂壓力監測裝置，監測數據總結分析如表2所示。特殊監測點變形時程曲線如圖3所示。

表2 不同邊樁各施工階段的樁頂壓力監測值

圖3 不同施工階段A4邊樁樁頂壓力變形時程曲線

由表2和圖3可看出：

1) 樁頂壓力變形主要發生在初支扣拱、二襯扣拱、站廳層土方開挖階段，各施工階段樁頂壓力變形量占總變形量的比例分別為35%、22%、36%。樁頂壓力最大值出現在站廳層土方開挖完成后，范圍為0.68～1.14 MPa之間，平均值為0.79 MPa，根據邊樁直徑換算成荷載為620.15 kN。

邊樁頂部荷載q計算公式為：

q=(γ1h1+γ2h2)LB

(1)

式中：

γ1——頂板以上土層重度加權平均值，根據地層參數計算，其值為19.50 kN/m3；

γ2——結構所在土層重度加權平均值，根據地層及結構參數計算，其值為20.70 kN/m3；

L——邊樁影響的長度，根據地層及結構參數計算，其值為1.25 m；

B——邊樁影響的寬度，根據地層及結構參數計算，其值為6.00 m；

h——邊樁影響的高度,根據地層及結構參數計算，h1、h2取值均為6.00 m。

根據式(1)，理論計算中板完成后邊樁頂荷載為3 553.43 kN(按照全土柱法，覆土厚度為14 m，如果根據拱頂壓力監測數據反推的松散圍巖高度為3.5 m，則計算荷載為2 017.8 kN)。理論計算值遠大于現場實測值620.15 kN(根據實測邊樁樁頂壓力及邊樁直徑換算所得)，可解釋為荷載由邊樁背后土體及導洞初支分擔。

2) 邊樁壓力變形規律原因分析。

(1) 冠梁及假拱施做期間對樁頂壓力影響較小，荷載沿小導洞初支直接向下傳遞到導洞底板地層處，樁頂及冠梁在導洞初支底板之上，受力較小。

(2) 初支扣拱期間，扣拱導洞土方開挖后圍巖應力作用在格柵上，并隨著開挖掌子面的推進，拱頂受覆土壓力開始向兩邊傳遞到拱腳并由邊樁承擔。

(3) 二襯扣拱期間，初支鑿除后原拱頂荷載由導洞及大拱初支共同承擔，變為由初支大拱單獨承擔并沿格柵傳遞拱腳，最終由邊樁承擔。

(4) 站廳站臺土方開挖過程中，側墻及中板結構自重均有邊樁承擔，直到二襯框架結構完全完成。

3) 扣拱掌子面與邊樁距離對邊樁頂壓力變形的影響范圍如圖4所示。從圖4中可以看出：邊樁距離扣拱掌子面前10 m，樁頂壓力開始出現增長變化；扣拱掌子面通過該樁30 m后，樁頂壓力出現平穩趨勢。扣拱開挖對邊樁頂壓力的影響范圍是-10 m～30 m。

圖4 扣拱掌子面與邊樁距離對邊樁頂壓力變形的影響范圍

3.2 邊樁鋼筋內力

各工序節點邊樁鋼筋內力值統計如表3所示。典型測點時程曲線如圖5～6所示。

表3 各工序節點不同施工階段邊樁鋼筋內力值

圖5 不同施工階段迎土側邊樁鋼筋內力時程曲線

圖6 不同施工階段背土側邊樁鋼筋內力時程曲線

由表3及圖5～6可得：

1) 鋼筋內力變形主要發生在初支扣拱、二襯扣拱、土方開挖三個階段。其中：初支扣拱和二襯扣拱階段變形規律同樁頂壓力變形規律；土方開挖階段由于迎土側土側壓力造成樁身向車站側發生變形，鋼筋應力也急劇增加，并且均呈受壓狀態。

2) 由于土方開挖邊樁側摩阻力減少，致使樁軸力向下傳遞更深(樁深部的軸力急劇增加)，增加的軸力由底板以下樁側阻力承擔。

3.3 邊樁混凝土應變

各工序節點邊樁混凝土應變值統計如表4所示。典型測點時程曲線如圖7～8所示。

表4 各工序節點不同施工階段邊樁混凝土應變值

圖7 不同施工階段迎土側邊樁混凝土應變時程曲線

圖8 不同施工階段背土側邊樁混凝土應變時程曲線

由表4及圖7～8可知，邊樁混凝土應變變化規律與邊樁鋼筋內力的相同。

邊樁軸力F計算公式為：

ε軸=(ε迎土側+ε背土側)/2

(2)

F=EcAε軸

(3)

式中：

ε軸——邊樁混凝土應變；

ε迎土側——邊樁混凝土迎土側應變；

ε背土側——邊樁混凝土背土側應變；

Ec——混凝土強度(C30取值30 000 N/mm2)；

A——邊樁截面積。

不同邊樁深度的軸力計算結果如表5所示。

表5 不同邊樁深度各施工階段軸力值

邊樁側摩阻力qs計算公式為：

qs=ΔFN/(liμp)

(4)

式中：

ΔFN——相鄰兩個監測點軸力差；

li——相鄰兩個監測點距離；

μp——樁截面周長。

不同邊樁深度的側摩阻力計算結果如表6所示。

表6 不同邊樁深度各施工階段側摩阻力值

由表5～6可知：

1) 樁身混凝土應變整體呈受壓狀態，根據式(2)、式(3)和式(4)，利用樁身應變可計算樁身軸力和邊樁側摩阻力。根據計算結果可知：邊樁的軸力均為壓力，且隨施工進行，壓力逐漸增大。邊樁在0.50～1.75 m深度范圍內，在扣拱開挖完成之前，出現了負摩阻力，經綜合分析可能與后注漿施工有關。

2) 邊樁同一深度處，迎土側和背土側的應變是不一樣的，如圖7～8所示。樁頂和樁端的差別明顯，樁身中部的差別小，此規律符合圣維南原理。

3.4 邊樁頂豎向位移

各監測點的邊樁頂豎向累計變形量統計如表7所示。

表7 各監測點邊樁頂豎向變形統計表 單位：mm

根據監測數據，邊樁樁頂沉降的平均值為-5.80 mm。邊樁頂的豎向位移與邊樁承擔的豎向荷載、邊樁施工質量(樁側泥皮、樁底沉渣、鉆孔塌孔等)、樁身彈性壓縮、樁端地層壓縮變形、邊樁的側向水平位移等有關。

3.5 邊樁樁身水平位移

各傳感器的樁體水平變形統計如表8所示。樁體水平變形時程曲線如圖9所示。

表8 不同邊樁深度各施工階段樁體水平變形值

圖9 邊樁樁體水平變形圖

從圖9和表8可以看出：

1) 樁體水平位移均向車站內變形，主要發生在站廳層土方開挖期間和二襯扣拱施工期間。邊樁主要受側向水土壓力作用產生側向變形，初支扣拱前其邊樁所受的邊拱推力將與邊導洞的側向土壓力平衡；二襯扣拱完成后進行主體土方開挖，邊樁承受未開挖土體側的水土壓力，樁身發生側向水平位移，但是樁頂部因已施工二襯結構可視作一道抵抗側向變形的水平支撐，因此樁頂側向位移受到控制。

2) 二襯扣拱完成后，樁體水平位移最大為6.58 mm，發生在深度為0.5 m和2.5 m處；站廳層土方開挖完成后，最大水平位移增加至11.81 mm，發生在深度為2.5 m和4.5 m的測點上，出現了鼓肚形現象。

4 結論

1) 總結出邊樁在洞樁法暗挖車站施工過程中的三個受力階段：第1階段為初支扣拱期間。初支扣拱包括邊跨扣拱和中跨扣拱，邊跨扣拱初支結構一端直撐在邊樁冠梁上并通過邊樁承載受力；初支扣拱完成后，建立車站第二種穩定的結構體系，即土壓力作用在初支拱上，通過縱梁和邊樁冠梁向中樁及邊樁傳力。第2階段為二襯扣拱期間。二襯扣拱需拆除中隔壁，應力重新分布。二襯扣拱完成后，土壓力作用在初支上與二襯拱共同受力，通過縱梁和邊樁冠梁向中樁及邊樁傳力。第3階段為土方開挖階段。隨著車站土方的開挖，邊樁作為圍護結構，抵抗主體土方開挖產生的側向土壓力。

2) 邊樁在主體土方開挖后樁側摩阻力減少，軸力急劇向下傳遞，致使底板以下樁側摩阻力和樁端力由樁基承擔。因此在底板以下樁側及樁端進行后壓漿輔助措施有利于提高樁基承載力。

3) 根據邊樁結構受力分析，主體土體開挖期間邊樁受力狀態發生顯著變化，受力處于最不利的狀態，建議設計時根據計算結果對邊樁強度進行驗算。

4) 邊樁變形包括豎向變形和側向水平變形。豎向變形包括荷載造成的樁身豎向變形及樁身自身壓縮變形，施工中應重點控制邊樁與中柱的差異沉降。邊樁側向變形主要發生在主體土方開挖后，邊樁承受未開挖土體側的水土壓力，樁身發生側向水平位移，但是樁頂部因已施工的二襯結構可視作一道抵抗側向變形的水平支撐，因此樁頂側向位移受到控制。

5) 根據本文監測數據分析，樁頂壓力偏小，與理論計算荷載相差較大。建議用邊樁混凝土應變數據進行反推邊樁軸力計側摩阻力，與理論計算荷載符合性較好。

6) 邊樁的結構受力及變形特征符合摩擦樁的特點。不同之處在于主體土方開挖后，底板以上樁側摩阻力減少，樁身發生側向水平位移。設計時，建議僅取底板以下土體提供的樁側阻力和樁端力，按照摩擦-端承樁進行設計。