單層洞樁法暗挖車站邊樁結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(tǒng)洞樁法(雙層導(dǎo)洞)暗挖車站，一般采用理論分析和經(jīng)驗(yàn)類比相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,而對于新型單層洞樁法車站結(jié)構(gòu)受力體系，幾乎未見相關(guān)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(gòu)件考慮)承擔(dān)豎向荷載及側(cè)向土壓力的構(gòu)件，是該施工方法的重要組成部分，對于其結(jié)構(gòu)受力體系及變形特征，缺乏理論研究和現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證?；诖耍趩螌佣礃斗ò低谑┕ぶ?，對邊樁樁頂壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變，以及邊樁頂豎向位移、樁身水平位移等進(jìn)行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析并結(jié)合理論分析總結(jié)出單層洞樁法施工過程中邊樁的結(jié)構(gòu)受力體系，為設(shè)計(jì)、理論研究提供參考及真實(shí)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，采用暗挖洞樁法施工，結(jié)構(gòu)覆土厚度為14.00 m，結(jié)構(gòu)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(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土等交互地層為主，拱頂為砂卵地層，局部為粉細(xì)砂地層，車站結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)斷面及地層如圖1所示。

圖1 車站結(jié)構(gòu)斷面及地層剖面圖

2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

本次監(jiān)測項(xiàng)目主要為邊樁頂壓力、邊樁鋼筋應(yīng)力、邊樁混凝土應(yīng)變、邊樁頂豎向位移、邊樁水平位移等。各監(jiān)測項(xiàng)目盡量布設(shè)在同一斷面上，便于各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析與相互驗(yàn)證。具體監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置如圖2所示。監(jiān)測方法及儀器精度如表1所示。

表1 監(jiān)測方法、儀器精度及測點(diǎn)布設(shè)統(tǒng)計(jì)表

圖2 監(jiān)測布設(shè)位置剖面圖

3 結(jié)構(gòu)受力及變形特征

3.1 邊樁頂壓力

共對6根邊樁布設(shè)了樁頂壓力監(jiān)測裝置，監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)分析如表2所示。特殊監(jiān)測點(diǎn)變形時(shí)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(jiān)測值

圖3 不同施工階段A4邊樁樁頂壓力變形時(shí)程曲線

由表2和圖3可看出：

1) 樁頂壓力變形主要發(fā)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(xiàn)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(jù)邊樁直徑換算成荷載為620.15 kN。

邊樁頂部荷載q計(jì)算公式為：

q=(γ1h1+γ2h2)LB

(1)

式中：

γ1——頂板以上土層重度加權(quán)平均值，根據(jù)地層參數(shù)計(jì)算，其值為19.50 kN/m3；

γ2——結(jié)構(gòu)所在土層重度加權(quán)平均值，根據(jù)地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，其值為20.70 kN/m3；

L——邊樁影響的長度，根據(jù)地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，其值為1.25 m；

B——邊樁影響的寬度，根據(jù)地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，其值為6.00 m；

h——邊樁影響的高度,根據(jù)地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，h1、h2取值均為6.00 m。

根據(jù)式(1)，理論計(jì)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(jù)拱頂壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)反推的松散圍巖高度為3.5 m，則計(jì)算荷載為2 017.8 kN)。理論計(jì)算值遠(yuǎn)大于現(xiàn)場實(shí)測值620.15 kN(根據(jù)實(shí)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(dǎo)洞初支分擔(dān)。

2) 邊樁壓力變形規(guī)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(dǎo)洞初支直接向下傳遞到導(dǎo)洞底板地層處，樁頂及冠梁在導(dǎo)洞初支底板之上，受力較小。

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

(3) 二襯扣拱期間，初支鑿除后原拱頂荷載由導(dǎo)洞及大拱初支共同承擔(dān)，變?yōu)橛沙踔Т蠊皢为?dú)承擔(dān)并沿格柵傳遞拱腳，最終由邊樁承擔(dān)。

(4) 站廳站臺(tái)土方開挖過程中，側(cè)墻及中板結(jié)構(gòu)自重均有邊樁承擔(dān)，直到二襯框架結(jié)構(gòu)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(xiàn)增長變化；扣拱掌子面通過該樁30 m后，樁頂壓力出現(xiàn)平穩(wěn)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(nèi)力

各工序節(jié)點(diǎn)邊樁鋼筋內(nèi)力值統(tǒng)計(jì)如表3所示。典型測點(diǎn)時(shí)程曲線如圖5～6所示。

表3 各工序節(jié)點(diǎn)不同施工階段邊樁鋼筋內(nèi)力值

圖5 不同施工階段迎土側(cè)邊樁鋼筋內(nèi)力時(shí)程曲線

圖6 不同施工階段背土側(cè)邊樁鋼筋內(nèi)力時(shí)程曲線

由表3及圖5～6可得：

1) 鋼筋內(nèi)力變形主要發(fā)生在初支扣拱、二襯扣拱、土方開挖三個(gè)階段。其中：初支扣拱和二襯扣拱階段變形規(guī)律同樁頂壓力變形規(guī)律；土方開挖階段由于迎土側(cè)土側(cè)壓力造成樁身向車站側(cè)發(fā)生變形，鋼筋應(yīng)力也急劇增加，并且均呈受壓狀態(tài)。

2) 由于土方開挖邊樁側(cè)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(cè)阻力承擔(dān)。

3.3 邊樁混凝土應(yīng)變

各工序節(jié)點(diǎn)邊樁混凝土應(yīng)變值統(tǒng)計(jì)如表4所示。典型測點(diǎn)時(shí)程曲線如圖7～8所示。

表4 各工序節(jié)點(diǎn)不同施工階段邊樁混凝土應(yīng)變值

圖7 不同施工階段迎土側(cè)邊樁混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線

圖8 不同施工階段背土側(cè)邊樁混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線

由表4及圖7～8可知，邊樁混凝土應(yīng)變變化規(guī)律與邊樁鋼筋內(nèi)力的相同。

邊樁軸力F計(jì)算公式為：

ε軸=(ε迎土側(cè)+ε背土側(cè))/2

(2)

F=EcAε軸

(3)

式中：

ε軸——邊樁混凝土應(yīng)變；

ε迎土側(cè)——邊樁混凝土迎土側(cè)應(yīng)變；

ε背土側(cè)——邊樁混凝土背土側(cè)應(yīng)變；

Ec——混凝土強(qiáng)度(C30取值30 000 N/mm2)；

A——邊樁截面積。

不同邊樁深度的軸力計(jì)算結(jié)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(cè)摩阻力qs計(jì)算公式為：

qs=ΔFN/(liμp)

(4)

式中：

ΔFN——相鄰兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)軸力差；

li——相鄰兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)距離；

μp——樁截面周長。

不同邊樁深度的側(cè)摩阻力計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同邊樁深度各施工階段側(cè)摩阻力值

由表5～6可知：

1) 樁身混凝土應(yīng)變整體呈受壓狀態(tài)，根據(jù)式(2)、式(3)和式(4)，利用樁身應(yīng)變可計(jì)算樁身軸力和邊樁側(cè)摩阻力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：邊樁的軸力均為壓力，且隨施工進(jìn)行，壓力逐漸增大。邊樁在0.50～1.75 m深度范圍內(nèi)，在扣拱開挖完成之前，出現(xiàn)了負(fù)摩阻力，經(jīng)綜合分析可能與后注漿施工有關(guān)。

2) 邊樁同一深度處，迎土側(cè)和背土側(cè)的應(yīng)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(guī)律符合圣維南原理。

3.4 邊樁頂豎向位移

各監(jiān)測點(diǎn)的邊樁頂豎向累計(jì)變形量統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 各監(jiān)測點(diǎn)邊樁頂豎向變形統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，邊樁樁頂沉降的平均值為-5.80 mm。邊樁頂?shù)呢Q向位移與邊樁承擔(dān)的豎向荷載、邊樁施工質(zhì)量(樁側(cè)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(cè)向水平位移等有關(guān)。

3.5 邊樁樁身水平位移

各傳感器的樁體水平變形統(tǒng)計(jì)如表8所示。樁體水平變形時(shí)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(nèi)變形，主要發(fā)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(cè)向水土壓力作用產(chǎn)生側(cè)向變形，初支扣拱前其邊樁所受的邊拱推力將與邊導(dǎo)洞的側(cè)向土壓力平衡；二襯扣拱完成后進(jìn)行主體土方開挖，邊樁承受未開挖土體側(cè)的水土壓力，樁身發(fā)生側(cè)向水平位移，但是樁頂部因已施工二襯結(jié)構(gòu)可視作一道抵抗側(cè)向變形的水平支撐，因此樁頂側(cè)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(fā)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(fā)生在深度為2.5 m和4.5 m的測點(diǎn)上，出現(xiàn)了鼓肚形現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1) 總結(jié)出邊樁在洞樁法暗挖車站施工過程中的三個(gè)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(jié)構(gòu)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(wěn)定的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)，抵抗主體土方開挖產(chǎn)生的側(cè)向土壓力。

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

3) 根據(jù)邊樁結(jié)構(gòu)受力分析，主體土體開挖期間邊樁受力狀態(tài)發(fā)生顯著變化，受力處于最不利的狀態(tài)，建議設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對邊樁強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

4) 邊樁變形包括豎向變形和側(cè)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(yīng)重點(diǎn)控制邊樁與中柱的差異沉降。邊樁側(cè)向變形主要發(fā)生在主體土方開挖后，邊樁承受未開挖土體側(cè)的水土壓力，樁身發(fā)生側(cè)向水平位移，但是樁頂部因已施工的二襯結(jié)構(gòu)可視作一道抵抗側(cè)向變形的水平支撐，因此樁頂側(cè)向位移受到控制。

5) 根據(jù)本文監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，樁頂壓力偏小，與理論計(jì)算荷載相差較大。建議用邊樁混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行反推邊樁軸力計(jì)側(cè)摩阻力，與理論計(jì)算荷載符合性較好。

6) 邊樁的結(jié)構(gòu)受力及變形特征符合摩擦樁的特點(diǎn)。不同之處在于主體土方開挖后，底板以上樁側(cè)摩阻力減少，樁身發(fā)生側(cè)向水平位移。設(shè)計(jì)時(shí)，建議僅取底板以下土體提供的樁側(cè)阻力和樁端力，按照摩擦-端承樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。