基坑鋼支撐的應力監(jiān)控

李忠林，史宇超

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

隨著中國橋梁建設事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高塔、大跨度橋梁層出不窮，基坑開挖深度不斷加深，規(guī)模也越來越大，致使基坑安全問題成為中國工程建設領域中最值得重視的方面之一，為保證整個基坑工程期內(nèi)所有環(huán)境設施的安全和穩(wěn)定，必須對基坑支護結構進行監(jiān)控，確保施工期間基坑穩(wěn)定、安全[1-2]。

中國對于建筑基坑的研究成果豐盛[3-5]，但針對承臺基坑的研究卻較少。寧湘依托滬通長江大橋簡支鋼桁梁橋9#～22#墩，從經(jīng)濟性、安全性、施工功效、施工設備等方面，對鋼板樁圍堰和放坡加輕型井點降水2種支護形式進行對比；曹向東介紹了中國首個采用鋼管作為圍堰壁板結構的鄂東長江大橋主橋5#墩承臺基坑的施工概況；王鵬等介紹了跨穗鹽路斜拉橋塔墩承臺深基坑施工方案并對其進行了一定優(yōu)化；吳向軍對鄭州黃河公鐵兩用橋主河槽中12個橋墩承臺基坑的施工情況進行了說明；陳鈞等將SMW工法應用于天津南倉立主橋21#橋墩承臺基坑支護中，重點闡述了SMW工法的設計方法[6-10]。

從以上研究成果可以看出，目前對于承臺基坑的研究多集中在設計施工方法，對于其現(xiàn)場監(jiān)測的內(nèi)容較少。本文以禹門口黃河大橋11#索塔承臺基坑為例，詳細說明該基坑的施工和監(jiān)測情況，根據(jù)監(jiān)測結果分析該承臺基坑在施工過程中樁頂位移和支撐軸力的變化規(guī)律，為類似工程的設計與施工提供借鑒。

1 工程概況

擬建禹門口黃河公路大橋位于晉陜峽谷出口舊橋下游420 m處。主橋主跨為565 m雙塔雙索面斜拉橋，橋面凈寬2×12.75 m，主梁全寬30.25 m。東塔11#墩位處于黃河主河道上方，承臺尺寸為49 m×29 m，11#索塔主要工程材料數(shù)量為：C40承臺混凝土8 526 m3，圍堰水下C20封底混凝土2 465 m3，基坑開挖土方量約23 000 m3。西塔12#墩位于黃河河漫灘之上，12#索塔承臺尺寸為49 m×24 m，12#索塔主要工程材料數(shù)量為：C40承臺混凝土7 056 m3，圍堰水下C 20封底混凝土2 352 m3，基坑開挖土方量約18 000 m3。

2 工程地質(zhì)條件

大橋橋址處為典型的河流堆積地貌，黃河在此處由峽谷進入平原地區(qū)，河槽驟然展開，形成寬淺河床，地形略有起伏，水流散亂，主流擺動不定，具有典型的游蕩型河道特點。11#墩地層巖性分布自上而下依次為細砂、粗砂、卵石、中砂、卵石、中砂、卵石，地層參數(shù)如表1所示。

表1 禹門口黃河公路大橋11#墩地層巖性分布

3 鋼板樁圍堰及內(nèi)支撐設計

本工程采用SP-IVw鋼板樁圍堰施工，材質(zhì)Q 390(進口鋼板樁不低于本材質(zhì)性能)[11]，允許強度335 MPa，每延米質(zhì)量為106 kg，抗彎模量為2 700 cm4·m-1，擬投入50 t履帶吊和DZ90振動錘各2套進行鋼板樁打設。鋼板樁內(nèi)支撐設置3道，選用Φ820×10 mm 鋼管，豎向間距為2.5～3.5 m，鋼支撐與鋼板樁之間設置H582×10 mm的雙拼H型鋼，第1道鋼支撐與第2道鋼支撐相同，中間為對撐、四角為斜撐，第3道鋼支撐沿承臺四周支立于鋼護筒之上。鋼板樁插打施工完成后，在基坑開挖前先安裝第1道內(nèi)支撐，以減少鋼板樁豎向支撐跨度[12-13]。最下面一道內(nèi)支撐軸線距離封底混凝土頂3.0 m，水平間距5.0 m。豎向格構柱采用Φ630×10 mm 鋼管，內(nèi)支撐鋼管支架的連接桿采用32a型鋼。鋼板樁圍堰封底混凝土采用C20水下混凝土，封底厚度2.0 m，鋼板樁封底混凝土底面以下入土深度為5.5 m，基坑深度約為10.5 m，地面以上預留約5.0 m，合計鋼板樁長度為21 m[14]。內(nèi)支撐及圍檁現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 11#索塔鋼板樁第1道、第2道內(nèi)支撐及圍檁現(xiàn)場

4 基坑開挖情況

施工時先插打鋼板樁圍堰支護，然后在承臺四周設置降水井(承臺施工期屬于黃河枯水季節(jié)，地下水位較低，采用降水方式可降低地下水位，減少承臺內(nèi)的滲水量和鋼板樁所承受的水壓力)[15]，安裝第1道圍檁和內(nèi)支撐，然后采用長臂挖機進行基坑開挖施工；當挖至第2道鋼支撐以下50 cm處時，安裝第2道鋼圍檁和鋼支撐；當挖至第3道鋼支撐以下50 cm處時，安裝第3道鋼圍檁和鋼支撐(第3道鋼支撐支于護筒之上，護筒內(nèi)進行加強)，然后將小型挖機放入基坑內(nèi)進行開挖，挖至封底混凝土底面，進行承臺干封底施工[16-18]。

5 基坑監(jiān)測方法

在基坑開挖過程中，通過科學的設備儀器與監(jiān)測手段對基坑圍護、支護、周圍環(huán)境的水平位移、垂直度、傾斜位移、基地隆起、地下水位變化等各進行系統(tǒng)全面的監(jiān)測，取得相關信息并及時進行數(shù)據(jù)分析。經(jīng)綜合考慮，本工程對基坑圍護結構的水平位移、垂直度、傾斜位移、鋼支撐軸力進行監(jiān)測[19-20]。

5.1 監(jiān)測點的埋設布置

(1)圍護結構頂部水平位移?；鶞庶c布設于100 m以外，用于檢查和恢復工作基點的可靠性。工作基點則布設于基坑周圍較穩(wěn)定的地方，直接在工作基點上架設儀器，對水平變形監(jiān)測點進行監(jiān)測[21]。沿結構體延伸方向共布設8個水平位移監(jiān)測點，布置方法如圖2的所示。將支護結構外側埋入位移標志桿(測量時將棱鏡直接插入，即可觀測)，用砂漿固定。

圖2 水平監(jiān)測點布置方法

監(jiān)測埋設的監(jiān)測點穩(wěn)定后，在基坑開挖前進行初始值的觀測，一般獨立觀測2次，2次觀測值都滿足要求后，取2次觀測值的平均值作為初始值[22]。水平位移監(jiān)測初始值作為觀測值比較基準。水平位移變形監(jiān)測視基坑開挖情況可即時開始實施。

通過增加觀測時間(采取1次不間斷觀測5 min固定解)進行觀測，測量精度滿足監(jiān)測要求。本工程采用坐標法結合GPS快速靜態(tài)定位技術進行觀測。數(shù)據(jù)處理時，采用嚴密平差計算各監(jiān)測工作點和監(jiān)測點坐標，與既有坐標比較即可知監(jiān)測結果是否發(fā)生變形。

(2)支護結構水平位移。在第1層、第2層、第3層鋼圍檁寬度、長度方向中心位置焊接一塊鋼板，鋼板中心打入觀測點，并使用紅油漆進行標示，在上下3塊鋼板邊分別割1個基準點，采用GPS對鋼板中心進行位移檢測，將上下鋼板基準點連線，測其與鋼板樁的距離，檢測兩道圍檁之間鋼板樁的變形情況。

(3)支撐鋼弦式應力計的監(jiān)測。通過支撐軸力的監(jiān)測，掌握支護結構受力情況及發(fā)展變化趨勢，判斷其是否在安全范圍內(nèi)。

鋼支撐軸力測量選擇鋼弦式應力計(反力計)進行，在安裝鋼弦式應力計前，要對各項技術指標及標定系數(shù)進行檢驗。鋼弦式應力計沿管軸線方向安裝，對稱于管軸中心焊接布置于鋼管上。測量時通過頻率儀測量鋼弦式應力計在某一荷載下的自振頻率，然后計算出鋼支撐的軸力值。

支撐軸力測點宜選擇基坑中部、陽角、深度變化、支護結構受力條件復雜的部位及在支撐系統(tǒng)中起控制作用的部位。鋼支撐的監(jiān)測截面根據(jù)測試儀器宜布置在支撐長度1/3部位或支撐的端頭；每層支撐的監(jiān)測數(shù)量不宜少于支撐數(shù)量的10%，且不少于3根；單個基坑監(jiān)測點數(shù)量為18個。基坑內(nèi)支撐3層均布置鋼弦式應力計，如圖3～5所示。

圖3 第1層支撐監(jiān)測點布置

圖4 第2層支撐監(jiān)測點布置

圖5 第3層支撐監(jiān)測點布置

5.2 監(jiān)測頻率

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB 50497—2009)，監(jiān)測頻率如表2、3所示。

5.3 監(jiān)測資料分析

(1)及時性。對監(jiān)測資料進行分析，并及時反饋成果。每次觀測后立即對原始數(shù)據(jù)進行檢查校核和整理，并及時作出初步分析，不拖延，不積壓。

(2)可靠性。監(jiān)測資料整理分析必須以保證數(shù)據(jù)成果的準確可靠為基本前提，規(guī)定原始資料在現(xiàn)場校核檢驗后，不得進行任何修改。粗差的辨識和剔除必須穩(wěn)妥慎重，嚴格按有關規(guī)定進行。經(jīng)整理和整編后的監(jiān)測資料和數(shù)據(jù)庫亦不得修改。采用的分析方法要理論正確，方法步驟合理。監(jiān)測資料整理分析的數(shù)據(jù)、成果和報告等嚴格遵循相關要求，認真執(zhí)行驗收校審制度，并及時整理歸檔。

表2 基坑監(jiān)測頻率

表3 鋼板應力計日監(jiān)測結果

(3)實用性。監(jiān)測資料整理分析以解決工程實際問題為基本目的，不片面強調(diào)理論、模型和方法的先進完善，力求真實反映本工程支護結構及土體的變形特征。

(4)全面分析、綜合評估。監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關資料的搜集充實完整，對監(jiān)測資料成果認真進行對比研究，并采用多種分析方法作出比較和印證，以克服單項成果和單一方法的片面和不足。

6 結 語

(1)隨著基坑開挖的持續(xù)進行，土壓力緩慢增大，主要是因為開挖導致周邊土體存在向基坑內(nèi)部移動的趨勢，但是由于支護結構的約束作用，土體的移動趨勢受到抑制，進而引起周邊土體的壓力由主動土壓力變?yōu)殪o止土壓力，導致土壓力數(shù)值增大。

(2)基坑內(nèi)土體的開挖導致基坑側向約束得以解除，孔隙水逐漸消散，孔隙水壓力降低。隨著基坑的不斷開挖，基坑外土體在主動土壓力作用下存在向基坑內(nèi)變化的趨勢，但這種趨勢受到鋼板樁的約束，致使土壓力由主動土壓力轉換為靜止土壓力，因此，相應的孔隙水壓力也將承擔更大的靜止土壓力。

(3)鋼支撐應力變化主要來自基坑開挖深度的變化。土體側向壓力和孔隙水壓力對基坑圍護結構壓應力的變化，使各道支撐在不同階段所受應力有所增大或減小。

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