干塢基坑雙排灌注樁支護結構受力變形監測與分析

潘立文，韓宏軍 ，孫文豪，張國梁

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.日照榮光建筑工程有限公司，山東 日照 276800；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；4.港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津 300222；5.天津市水下隧道建設與運維技術企業重點實驗室，天津 300461）

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展和城市化進程的加快，城市空間日趨緊張，受高層、超高層建筑的大量建造及地鐵隧道、特大橋梁和港口碼頭等大型基礎設施的影響，深基坑工程的支護形式及變形控制成為重要研究課題。尤其是在城市建筑密集、周圍管線縱橫交錯、周圍環境要求苛刻的地區，超深超大基坑的開挖、支護、降水體系的安全穩定問題以及由此產生的周圍地表及管網的沉降、建（構）筑物傾斜開裂等城市環境問題，使得基坑工程的設計施工成為工程建設中的難點、重點問題[1-4]。

雙排咬合灌注樁結構是在雙排樁支護結構的基礎上發展起來的，具有整體剛度大、水平位移小、占用空間小、施工方便、速度快等優點，在基坑支護、船閘擴建及邊坡加固等工程中獲得良好的工程應用效果[1，5-6]。李立軍[7]研究發現樁長是影響雙排樁支護結構受力的主要因素；黃憑[8]對雙排樁支護結構中垂直豎向錨索預應力進行分析，基坑變形控制效果與預應力正相關；申永江等[9]研究錨索雙排樁與鋼架雙排樁的內力分布，結果表明錨索雙排樁前后兩排樁的內力分布差異十分明顯，鋼架雙排樁前后兩排樁的內力分布十分相近。

目前，關于雙排咬合灌注樁支護結構體系研究并不多見，對現場實際變形監測數據的分析尤為少見，尤其在大連典型的臨海回填土基礎中雙排咬合灌注樁支護結構的研究更為少見。本文結合大連典型臨海回填土地層中大連灣海底隧道建設干塢工程采用的雙排咬合灌注樁+錨桿支護結構體系，結合現場施工進度，分析施工監測數據，研究變形機理，總結變形規律，對雙排咬合灌注樁支護結構體系在開挖過程中的風險進行有效控制。

1 工程概況

1.1 支護體系設計參數

干塢工程是為大連灣海底隧道建設工程配套建設的沉管預制場地，主要滿足海底隧道沉管管節的預制、舾裝和儲存。其中干塢周邊存在高聳煙囪，為避免煙囪受干塢開挖而破壞，降低干塢開挖對周邊高聳建筑物的影響，此處塢壁設計支護體系以雙排咬合灌注樁為主，輔以被動區土體加固處理及施加巖石錨桿，同時需要在施工過程中進行重點監測，該區域塢壁支護結構剖面圖見圖1。

圖1 煙囪北側區域雙排灌注樁支護結構剖面圖Fig.1 Section of double row cast-in-place pile support structure on the north side of chimney

該區域施工順序如下：

1） 先進行被動區旋噴樁施工，其中旋噴樁φ500@450 格柵式布置。

2） 加固完成后將基坑開挖至導向槽底標高2.50 m，施工導向槽、雙排樁、冠梁及連板，其中雙排樁排距2.4 m，前排樁為φ1 000@1 500 葷素咬合灌注樁，后排樁為φ1 000@1 500 旋挖鉆孔灌注樁，支護樁嵌入中風化巖層2.5 m，止水樁嵌入中風化巖層1 m。

3）分層直立開挖至-1.80 m，退臺13.2 m。

4）分層開挖至中風化巖面-7.80 m，退臺1.5 m。

5）按照1∶0.3 的坡率對中風化巖層分層爆破開挖至基底標高-12.45 m，并完成相應C20 噴射混凝土面板及鋼筋錨桿施工。

1.2 工程地質條件

根據巖土工程勘察報告，擬建場地地貌屬于海漫灘，干塢部分目前已回填為陸地，陸地標高變化在2.68～11.25 m，地貌形態單一。根據區域地質資料，區域內廣泛出露第四系全新統人工填土。根據現場鉆探揭露，該地層自上而下為由碎石、黏性土及建筑垃圾組成②1雜填土，由粉煤灰、礦渣、碎石組成的雜填土②2及中風化白云巖⑤3，其中上部②1雜填土約4.6 m，②2雜填土約7.44 m，下部均為⑤3中風化白云巖，具體參見圖1，其主要土層物理力學指標見表1。

表1 土的物理力學指標Table 1 Physical and mechanical indexes of soil

2 樁身應力及變形監測

干塢基坑周邊為施工通道，局部位置存在熱電廠、高聳煙囪等建筑物，對基坑開挖過程中支護結構及周邊地表的變形要求較高，因此對該位置進行深基坑支護結構受力變形監測非常重要。

為了準確、客觀地反映雙排樁結構在工程中的受力變形情況，探究雙排樁支護的受力變形規律，對熱電廠和煙囪附近的雙排樁進行樁身水平位移監測及樁身內力監測。傳感器布設原則為：自樁頂沿樁身以下4 m，每1～2 m 布置一個樁身內力觀測斷面，最下層觀測斷面距樁底不大于1 m，單樁共布設6 個斷面，每個斷面的受壓側和受拉側分別布設一個傳感器進行同步觀測。對同一樁，沿樁底布設測斜管用以監測樁身水平位移。實際樁身應變計測點安裝位置及樁身水平位移預埋管安裝位置見圖2，現場典型監測布設見圖3。

圖2 雙排灌注樁監測儀器布置圖Fig.2 Layout of monitoring instruments for double row cast-in-place piles

圖3 現場典型監測布設圖Fig.3 Typical site monitoring layout

3 監測結果分析

本區域基坑工程于2017 年10 月自北向南開始進行基坑支護、開挖，雙排咬合灌注樁支護結構于2017 年12 月完成施工，隨后開始分區段進行土方開挖，于2018 年4 月開挖至中風化白云巖，然后進行爆破開挖，于2019 年3 月開挖至基底標高。

3.1 樁身內力分析

通過應變計直接測得雙排灌注樁樁身內力（監測點N2 和N3），在干塢開挖至中風化白云巖及基坑底標高時內外兩排灌注樁樁身應力監測數據見圖4。由圖4 可以看出，對于雙排灌注樁，整個施工過程中前排樁樁身內力較后排樁均較小，后排樁有效的對側方土壓力起到支護作用。隨著干塢開挖的進行，前后兩排樁樁身內力均增大。雙排灌注樁樁身內力存在較為明顯的轉折點，轉折點位于物理特性相差較大的不同土層（中風化白云巖與雜填土）交界面。

圖4 開挖過程雙排灌注樁樁身內力曲線圖Fig.4 Internal force curve of double row cast-in-place pile during excavation

3.2 樁身深層水平位移分析

雙排灌注樁深層水平位移監測數據見圖5。從圖中可以看出，隨著干塢基坑開挖深度的不斷增加，樁體水平位移都在逐漸增大。其中，前排樁S12 開挖階段最大樁身水平位移為1.8 mm，位于樁頂，樁頂以下2～3 m 樁身水平位移均與樁頂水平位移相近，S12 樁身深層水平位移開挖期間位移最大變化率為1.3 mm/d，進行底板的澆筑后，樁身水平位移變化幅度減小并逐漸趨于穩定。后排樁S13 開挖階段最大樁身水平位移為1.9 mm，位于樁頂以下6.5 m 位置，開挖期間位移最大變化率為1.1 mm/d，開挖深度越大，樁身深層水平位移變化越快，進行底板的澆筑后，樁身水平位移變化幅度維持一段時間后減小并逐漸趨于穩定。樁身深層水平位移S12 和S13 監測點最大位移與變化率均小于設計要求的30 mm 與2 mm/d，表明干塢基坑支護方案可行，塢壁在施工過程中處于安全穩定狀態。

圖5 施工過程中雙排灌注樁深層水平位移變化曲線圖Fig.5 Variation curve of deep horizontal displacement of double row cast-in-place pile during construction

由圖5 可以看出，前后兩排樁的樁身變形存在顯著差異，前排樁類似在單排樁上部樁加設支撐，樁體最大水平位移盡管發生在樁頂，但沿樁頂以下2～3 m，樁身水平位移相近，通過圖5 發現，樁頂以下深度4 m 時，樁身內力已減弱接近零值，與樁身變形一致。后排樁受力狀態類似于在樁頂添加坑外方向預拉力，樁頂存在反方向的水平位移，樁身水平位移存在3 個較為明顯的彎折點，雙排灌注樁的使用有利于后方土體的表觀質量。

由圖5 可知，對于樁頂水平位移，前排樁受力變形大于后排樁受力變形；對于樁中水平位移，前排樁受力變形遠小于后排樁。從整體看，后排樁受力變形效應更明顯。

監測結果顯示，隨著基坑土方開挖深度及施工工況的變化，前排樁向塢內方向的水平位移逐漸增大，且樁身上部水平位移大于下部水平位移，符合一般基坑土體變形的規律。

4 結語

本文對大連海底隧道干塢基坑項目的雙排灌注樁塢壁支護結構進行了詳細的監測記錄與分析，得出以下結論：

1）本工程采用了雙排咬合灌注樁支護結構，通過對后期監測資料進行分析，證明該方案是切實可行的，該支護體系變形較小，能有效限制后方土體變形，保護周邊的熱電廠、高聳煙囪等建筑物。

2）雙排灌注樁樁身內力存在較為明顯的轉折點，轉折點位于物理特性相差較大的不同土層交界面。

3）雙排灌注樁前后兩排樁樁身變形存在顯著差異，前排樁變形類似單排樁，后排樁存在3 個較為明顯的彎折點，后排樁整體受力變形較大。