龍門吊移動(dòng)荷載下土巖組合地層基坑變形監(jiān)測與分析

楊曉華

(中國鐵建投資集團(tuán)有限公司,廣東 珠海 519000)

具有上部土層下部巖層地層結(jié)構(gòu)的基坑稱為土巖組合基坑。青島地區(qū)典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為上覆土層與下伏巖層的厚度與剛度差異大。上覆土層性質(zhì)不同且常含有地下水，下伏巖層深度變化不均一，巖體風(fēng)化程度差異大甚至存在巖體斷層及破碎帶，部分巖層含有承壓水。當(dāng)前已有一些針對土巖組合地層基坑工程的分析。劉江[1]對采用蓋挖法施工和吊腳樁支護(hù)的青島地鐵3號線五四廣場站基坑進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測，研究了基坑上方蓋板和中央鋼管混凝土柱對控制基坑變形的作用。鄧舒等[2]采用等值梁法分析了基坑邊側(cè)土壓力，提出鉆孔灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)合作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。謝鵬[3]對青島地鐵R3線嘉年華站基坑的變形和地下水位進(jìn)行了監(jiān)測，提出濱海環(huán)境地鐵深基坑施工需加強(qiáng)地下水位監(jiān)測預(yù)警的建議。黃敏、劉紅軍等[4-6]采用有限元方法研究了青島地區(qū)典型樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，提出采用吊腳樁加錨索支護(hù)體系可控制基坑變形及減少工程造價(jià)。楊晶海[7]分析了青島市李滄區(qū)地鐵基坑工程的樁體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用信息化施工使基坑安全可控。祝文化等[8]采用數(shù)值模擬方法得出土巖基坑的變形規(guī)律。

龍門吊具有大寬度、作業(yè)空間大、占地面積小、帶荷載行走等特點(diǎn)，應(yīng)用于狹窄場地明挖法地鐵車站施工領(lǐng)域，在土巖組合地層的地鐵車站基坑施工中首選作為吊用設(shè)備和架設(shè)支撐。一般龍門吊軌道鋪設(shè)于基坑支護(hù)后排樁冠梁上，離基坑較近且?guī)лd行走，對基坑安全施工產(chǎn)生影響，因此做好有龍門吊移動(dòng)荷載下土巖組合地層基坑變形監(jiān)測非常重要。目前關(guān)于龍門吊移動(dòng)荷載對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的分析尚未見全面和深入的報(bào)道。

本文結(jié)合青島地鐵苗嶺路站現(xiàn)場條件及監(jiān)測數(shù)據(jù)，對龍門吊作業(yè)期間基坑坑周土體沉降、圍護(hù)樁側(cè)移、樁頂水平位移、樁體沉降、建筑物基礎(chǔ)沉降和錨桿內(nèi)力特征予以分析，討論在龍門吊移動(dòng)荷載下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律，為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 工程概況

青島地鐵苗嶺路站是藍(lán)色硅谷R1線與地鐵2號線的換乘車站，為地下三層側(cè)式站臺(tái)車站。車站長約172 m，寬25 m。車站基坑深23 m，屬于狹長型基坑，基坑兩側(cè)建筑物密集?；幽蟼?cè)為已建成的28層青島國際發(fā)展中心和在建的28層金嶺金融廣場，基坑北側(cè)為金嶺花園小區(qū)和在建的27層的青島財(cái)富金融中心。本車站基坑距離南側(cè)正在施工的金嶺金融廣場深基坑8.32 m，距會(huì)展中心地下室最近處僅8 m，距北側(cè)的金嶺花園小區(qū)淺基礎(chǔ)7.5 m。

基坑地層屬于典型土巖組合結(jié)構(gòu)。上部土層為厚 0.8～3.2 m的第四系全新統(tǒng)人工堆積素填土；下部巖層為燕山晚期粗粒花崗巖，部分地段穿插有煌斑巖、細(xì)?；◢弾r、花崗斑巖等巖脈。構(gòu)造破碎帶、碎裂狀花崗巖局部發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度為7.3～9.7 m，中風(fēng)化花崗巖厚度為1.4～6.2 m，下伏微風(fēng)化花崗巖?；鶐r面起伏較大，風(fēng)化混合巖層面出露較高。

由于施工場地狹長且周邊條件復(fù)雜，施工中采用橫跨基坑的龍門吊運(yùn)輸設(shè)備。龍門吊自身質(zhì)量為25 t，額定荷載為10 t，起升高度為40 m，移動(dòng)速度為0.33 m/s。其軌道梁厚度為0.4 m。2015年1月基坑開挖，2016年5月開挖至基坑設(shè)計(jì)底面，施作接地網(wǎng)，鋪設(shè)基底墊層混凝土，安裝龍門吊運(yùn)輸設(shè)備。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

龍門吊軌道梁直接鋪設(shè)在基坑支護(hù)后排樁冠梁頂端，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在龍門吊移動(dòng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，影響基坑的安全性，因此，開展移動(dòng)荷載作用下土巖組合地層深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測非常重要。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用微型鋼管樁與噴錨相結(jié)合的支護(hù)方式，上部鋼管樁樁長為12 m，樁徑為0.168 m，壁厚為0.005 m。下部鋼管樁樁長為14 m，樁徑及壁厚與上部相同。上部鋼管樁通過冠梁聯(lián)結(jié)下排鋼管樁，鋼管樁內(nèi)部灌注水泥砂漿，外部設(shè)置鋼筋混凝土面層以及腰梁?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置

B支護(hù)單元鄰近基坑南側(cè)在建的高層建筑金嶺金融廣場的建筑基礎(chǔ)，選取接近基坑南側(cè)建筑物的基坑相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析。監(jiān)測點(diǎn)位布置見圖2。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位布置

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 坑外地表沉降分析

基坑施工過程中地表沉降監(jiān)測點(diǎn)DC02-13，DC02-14，DC02-15的沉降變形規(guī)律見圖3。

圖3 地表沉降變化曲線

由圖3可見：基坑工程施工中地表測點(diǎn)沉降變化幅值最大為12.11 mm，在設(shè)計(jì)要求規(guī)定的20 mm沉降控制值之內(nèi)。DC02-15在2016年出現(xiàn)向上位移，是由于本測點(diǎn)位于車站基坑與建筑物地下室外墻的有限巖土體表層，受到基坑爆破開挖和施工機(jī)械的擾動(dòng)所導(dǎo)致。

圖4為龍門吊運(yùn)行前后的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。可見：龍門吊移動(dòng)荷載一定程度上加大了地表沉降，但影響幅值在1 mm之內(nèi)，工程實(shí)際中為了減小移動(dòng)荷載對基坑邊地表沉降的影響，建議合理控制龍門吊負(fù)荷及移動(dòng)速度。

圖4 龍門吊運(yùn)行前后地表沉降對比

3.2 樁體側(cè)移分析

圍護(hù)樁樁體測斜點(diǎn)CX06最接近地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，分析2016年5—10月間龍門吊移動(dòng)荷載作用下的樁體測斜數(shù)據(jù)，得到樁體側(cè)移曲線，見圖5?？梢?，基坑開挖過程中，坑內(nèi)巖土體卸荷導(dǎo)致圍護(hù)樁體兩側(cè)土壓力不對稱，樁后主動(dòng)土壓力使圍護(hù)樁向坑內(nèi)方向變形。圖中樁頂變形出現(xiàn)拐點(diǎn)是由于實(shí)際工程中對樁頂進(jìn)行了加固，樁頂與冠梁連梁同巖土體組成整體，樁頂處施加的一道錨桿也較大程度減弱了樁頂?shù)淖冃巍?/p>

圖5 CX06樁體側(cè)移變化曲線

3.3 樁頂水平位移分析

圖6 QW04樁頂水平位移變化曲線

樁頂水平位移(監(jiān)測點(diǎn)QW04)變化曲線見圖6?？梢姡菏┕ら_始時(shí)，圍護(hù)樁樁頂水平位移接近6 mm，2016年5月份施加龍門吊荷載后，樁頂水平位移變化趨于平穩(wěn)，位移值在5.5 mm左右波動(dòng)。這與樁體測斜監(jiān)測點(diǎn)CX06樁頂水平位移基本吻合。

3.4 樁體沉降分析

圍護(hù)樁通過錨桿及腰梁與樁周土體在空間連為一體，圍護(hù)樁的豎向位移可反映坑底巖土體的隆起程度。施工中監(jiān)測點(diǎn)QC04處樁體豎向位移變化曲線見圖7。

圖7 QC04樁體豎向位移變化曲線

由圖7可見，基坑開挖初期由于樁周土體不斷卸荷，樁體最大沉降量為1.81 mm。開挖至下伏巖層，巖土體應(yīng)力釋放使得坑底出現(xiàn)回彈隆起，坑底巖土體受力傳遞到樁周土層帶動(dòng)圍護(hù)樁輕微上浮，樁體上浮最大值5.17 mm。樁端持力層為微風(fēng)化巖層，剛度較大，因此圍護(hù)樁不會(huì)發(fā)生刺入式破壞。

3.5 鄰近建筑物沉降分析

基坑主體結(jié)構(gòu)南側(cè)在建的金嶺金融廣場為地上28層框架結(jié)構(gòu)，地下三層筏板基礎(chǔ)?；娱_挖土體卸荷及圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)移會(huì)引起圍護(hù)樁與金嶺金融廣場地下室外墻之間有限巖土體沉降變形。建筑物基礎(chǔ)沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降變化曲線見圖8。

圖8 鄰近基坑的建筑物基礎(chǔ)沉降變化曲線

由圖8可見：基坑開挖過程中監(jiān)測點(diǎn)JC02-05整體先上浮再沉降，最后趨于平穩(wěn)值-0.70 mm。監(jiān)測點(diǎn)JC02-03與JC02-04整體先沉降再上浮，最終分別趨于穩(wěn)定值0.86 mm和-1.06 mm。這是由于基坑開挖初期圍護(hù)樁向坑內(nèi)側(cè)移導(dǎo)致樁體與地下室外墻之間有限巖土體應(yīng)力釋放，引起JC02-03與JC02-04出現(xiàn)沉降，而JC02-05位于建筑物拐角處，基坑邊角效應(yīng)制約了其沉降趨勢。施工后期，由于地下室肥槽回填和采取注漿加固等措施，各監(jiān)測點(diǎn)最終趨于穩(wěn)定值。

3.6 錨桿內(nèi)力分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上排鋼管樁通過錨桿與坑邊巖土體連接，錨桿水平間距為2.0 m，豎向間距為1.5 m。通過注漿工藝增大錨桿與周圍巖土體的黏結(jié)度，提高錨桿承載力。錨桿作為主動(dòng)受力結(jié)構(gòu)，有效約束了樁體側(cè)移，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)向開挖側(cè)偏移。錨桿監(jiān)測點(diǎn)ML02-01-01處在施工過程中內(nèi)力變化曲線見圖9。

圖9 ML02-01-01錨桿內(nèi)力變化曲線

由圖9可見：從基坑開挖初期至2015年11月，錨桿內(nèi)力在小范圍緩慢波動(dòng)。2015年11月—2016年5月，錨桿錨固段隨著樁周土體沉降發(fā)生下沉，錨桿內(nèi)力增加速度較快，最大值為63 kN。2016年5月龍門吊開始工作后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在龍門吊移動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)，樁體側(cè)移增大，樁周土體沉降加劇，引起錨桿內(nèi)力急劇增長，最大值為119 kN。該值小于錨桿設(shè)計(jì)要求的162 kN 承載力。

4 結(jié)論

1)基坑開挖邊側(cè)一定范圍內(nèi)的龍門吊移動(dòng)荷載會(huì)加大地表沉降，建議合理控制龍門吊負(fù)荷及移動(dòng)速度。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在龍門吊移動(dòng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較為明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得樁體側(cè)移及樁周土體沉降增加，同時(shí)錨桿內(nèi)力增加。

3)龍門吊荷載作用下基坑周圍地表沉降、圍護(hù)樁側(cè)移、樁頂水平位移、樁體沉降、鄰近建筑物基礎(chǔ)沉降及錨桿內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)?？傮w而言，該土巖組合地層采用樁錨支護(hù)體系合理有效。