雙向框架式湖底隧道抗拔樁受力研究

摘 要：湖底隧道的施工建設(shè)極大提高了城市地下空間的利用率，可起到分擔(dān)、緩解城市地上交通壓力的作用，為保障湖底隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性，通常會設(shè)置抗拔樁?；诖耍疚牟捎冒咐芯糠?，選取某湖底隧道工程為實例展開具體分析，在明確該湖底隧道工程的基本概況、地質(zhì)條件、抗拔樁后，結(jié)合案例工程實際組織現(xiàn)場測試，用于全方位了解抗拔樁的受力狀況，以供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：雙向；框架式結(jié)構(gòu)；湖底隧道；抗拔樁；受力分析

湖底隧道不僅實現(xiàn)了地下空間的高效利用，還不受氣候天氣的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候通車，但湖底隧道結(jié)構(gòu)極易受水浮力干擾而出現(xiàn)突涌水現(xiàn)象。因此，為全面了解湖底隧道的結(jié)構(gòu)狀況，應(yīng)結(jié)合工程實際對抗拔樁等重要的湖底隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，只有明確湖底隧道抗拔樁等結(jié)構(gòu)的受力狀況后，方可針對性優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，盡可能保障湖底隧道結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

一、湖底隧道工程概況

（一）基本概況

為提高該次雙向框架式湖底隧道抗拔樁受力研究的現(xiàn)實意義，選取某湖底隧道工程為實例展開具體分析。所選湖底隧道屬于雙向八車道，隧道長度共計820 m，按照60km/h的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時速，此外，按照湖底狀況設(shè)置縱坡，上坡存在兩個坡度，分別為1.25%、0.70%，下坡為3.0%。在該湖底隧道結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了抗拔樁，借助抗拔樁強(qiáng)化隧道主體結(jié)構(gòu)的支撐效果，繼而提高湖底隧道穩(wěn)定性，使湖底隧道結(jié)構(gòu)可更好地應(yīng)對外部作用力。

（二）抗拔樁

案例湖底隧道在整體設(shè)計時，為確?？垢⌒阅芊弦螅诤姿淼赖撞吭O(shè)計了抗拔樁結(jié)構(gòu)，在提升湖底隧道抗浮性的同時，全方位增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。湖底隧道中的抗拔樁橫向布置數(shù)量為5，共形成4個間距，橫向兩側(cè)間距為8m，中間兩個間距為10m，同時，縱向按照湖底隧道底部結(jié)構(gòu)布置一排，間距為10m，抗拔樁整體布置情況如圖1所示[1]。

（三）地質(zhì)條件

對湖底隧道所處地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計，地層土質(zhì)情況具體如表1所示，只有明確湖底隧道地層特征后，方可保障湖底隧道抗拔樁受力分析質(zhì)量，確保所抗拔樁受力分析結(jié)果的可靠性。

二、基于工程實際的雙向框架式湖底隧道抗拔樁受力狀況現(xiàn)場測試分析

（一）測試方案

案例湖底隧道工程采用明挖暗埋技術(shù)進(jìn)行施工，共涉及圍堰施工、基坑開挖、隧道結(jié)構(gòu)施工、基坑回填、湖水恢復(fù)、路面及內(nèi)部設(shè)施施工等工序，上述施工措施的實施能夠?qū)姿淼澜Y(jié)構(gòu)（如抗拔樁）產(chǎn)生影響，因此，在分析雙向框架式湖底隧道抗拔樁的受力狀態(tài)時，為確保受力分析效果，應(yīng)綜合考慮施工作業(yè)的影響。

從實際來看，案例湖底隧道工程采用現(xiàn)場測試的方式了解抗拔樁受力狀況，借助現(xiàn)場測試分析各施工作業(yè)階段中抗拔樁的受力狀況。在設(shè)計受力測試時，首先，應(yīng)結(jié)合湖底隧道結(jié)構(gòu)具體狀況選取典型斷面作為測試斷面，在案例湖底隧道工程中，將測試斷面選擇為厚度最大斷面、厚度最小斷面、最低地下水位斷面、最高地下水?dāng)嗝?、最大超載斷面，所選測試斷面可全方位明確抗拔樁在不同狀態(tài)下的受力表現(xiàn)[2]。

完成湖底隧道抗拔樁現(xiàn)場測試斷面選擇后，則需結(jié)合實際情況布置測試元件。在該次受力分析中，在典型斷面抗拔樁結(jié)構(gòu)樁頭位置布置鋼筋計，樁頭處設(shè)置2個，典型斷面內(nèi)共5根抗拔樁，總共設(shè)置鋼筋計10個，借助鋼筋計而了解該湖底隧道抗拔樁結(jié)合內(nèi)部的應(yīng)力變化情況。此外，在湖底水環(huán)境中，抗拔樁受力狀態(tài)與水壓力緊密關(guān)聯(lián)，故在該次抗拔樁受力研究期間，通過設(shè)置孔隙水壓力計而測量水壓力狀況。水壓力測試期間，共準(zhǔn)備5個孔隙水壓力計，將其分別設(shè)置在5根抗拔樁結(jié)構(gòu)周邊土體中，用于測量水壓力在不同施工階段中的變化狀況。

（二）受力分析

結(jié)合上述受力分析現(xiàn)場測試方案可見，該次雙向框架式湖底隧道抗拔樁受力分析，主要測量抗拔樁樁體受力狀況以及水壓力狀況，以下展開具體分析。

1.抗拔樁樁體受力

抗拔樁樁體鋼筋受力情況與湖底隧道施工作業(yè)階段關(guān)聯(lián)緊密，按照受力變化情況，大致劃分為4個階段，Ⅰ階段為抗拔樁施工階段，Ⅱ階段為湖底隧道主體結(jié)構(gòu)施工階段，Ⅲ階段為基坑回填施工階段，Ⅳ階段為湖水恢復(fù)階段。

第一，Ⅰ階段抗拔樁樁體受力。在該階段中抗拔樁結(jié)構(gòu)中的鋼筋主要受到自重影響而表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，在湖底隧道抗拔樁結(jié)構(gòu)中，鋼筋材料主要起到支撐、承載作用[3]。

第二，Ⅱ階段抗拔樁樁體受力。進(jìn)入湖底隧道主體結(jié)構(gòu)施工階段后，主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)會對抗拔樁產(chǎn)生影響，底板跨中位置的內(nèi)部鋼筋材料的受力狀態(tài)逐漸從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，且受到受力狀態(tài)改變的影響，導(dǎo)致抗拔樁樁體鋼筋應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)較大變化。此外，底板兩側(cè)位置的抗拔樁樁體鋼筋應(yīng)力狀態(tài)尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變，始終保持受壓狀態(tài)，但此時的受壓應(yīng)力參數(shù)出現(xiàn)大幅增加現(xiàn)象。檢修通道下方的抗拔樁的受力狀態(tài)出現(xiàn)多次改變，不僅從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，還進(jìn)一步從受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)回受壓狀態(tài)，且在該受力轉(zhuǎn)變過程中，所表現(xiàn)出的應(yīng)力變化程度較小。在主體結(jié)構(gòu)施工期間，完成主體結(jié)構(gòu)施工后需拆除模板，而模板拆除操作同樣可引起應(yīng)力波動，此時抗拔樁受力狀態(tài)雖不會改變，但應(yīng)力數(shù)值不可避免地出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

第三，Ⅲ階段抗拔樁樁體受力。完成湖底隧道主體結(jié)構(gòu)施工后，需回填基坑，將會形成施工臨時荷載與回填土自重，可影響抗拔樁樁體受力情況。結(jié)合實際來看，底板跨中抗拔樁內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)在Ⅰ階段中最終表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，此時其受拉狀態(tài)并未發(fā)生改變，但受拉應(yīng)力數(shù)值仍持續(xù)升高。底板兩側(cè)位置的抗拔樁樁體鋼筋在Ⅰ階段中最終表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，受到施工臨時荷載與回填土自重的影響，該位置的樁體鋼筋發(fā)生短暫轉(zhuǎn)變，由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，但受拉狀態(tài)未持續(xù)較長時間又轉(zhuǎn)回受壓狀態(tài)，在該變化中，所形成的應(yīng)力數(shù)值波動較大。檢修通道下方的抗拔樁在Ⅰ階段中最終表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，在Ⅲ階段受到作用力影響而轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，但受力狀態(tài)改變期間所形成的數(shù)值變化程度較小。

第四，Ⅳ階段抗拔樁樁體受力?；踊靥詈髣t進(jìn)入湖水恢復(fù)階段，回填土在該階段中逐漸固結(jié)，而抗拔樁樁體的受力狀況不會發(fā)生改變，且所產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值變化較小。

當(dāng)湖底隧道施工作業(yè)工序結(jié)束后，抗拔樁樁體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)隨之穩(wěn)定。在整個抗拔樁結(jié)構(gòu)中，左右底板跨中位置的抗拔樁受力最為嚴(yán)重，其中位置所承受的應(yīng)力均弱于該位置的抗拔樁結(jié)構(gòu)，受后期施工作業(yè)影響，導(dǎo)致底板兩側(cè)位置、檢修通道下方位置中的抗拔樁應(yīng)力檢測裝置均被破壞，僅了解各施工階段的受力狀態(tài)情況，但并未讀取最終應(yīng)力數(shù)值，但考慮到遭受破壞位置的抗拔樁受力程度低于左右底板跨中位置，故在該次受力分析中，通過判斷左右底板跨中位置抗拔樁的受力參數(shù)，而了解抗拔樁的作用情況。左右底板跨中位置抗拔樁共計2根，共有4個測試裝置可被讀取參數(shù)，應(yīng)力數(shù)值為24.4MPa、14.5MPa、30.9MPa、32.2MPa，四個應(yīng)力數(shù)值均屬于拉應(yīng)力數(shù)值，這就代表在整個湖底隧道結(jié)構(gòu)中，抗拔樁處于明顯的受拉狀態(tài)中，但抗拔樁未表現(xiàn)出浮動狀態(tài)，這就意味著該湖底隧道工程項目抗拔樁具有良好的抗浮效果[4]。

2.水壓力分析

采用現(xiàn)場測試方式了解案例湖底隧道的水壓力狀況，結(jié)合案例湖底隧道施工作業(yè)情況來看，水壓力主要在湖底隧道主體結(jié)構(gòu)施工階段、基坑回填階段、湖水恢復(fù)階段存在明顯特征。

一是主體結(jié)構(gòu)施工階段的水壓力分析。在該階段中，湖底水壓力并未出現(xiàn)明顯波動，在整個階段內(nèi)均表現(xiàn)為初始水壓力。二是基坑回填階段的水壓力分析。完成主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)后需進(jìn)行基坑回填，在該階段中，湖底水壓力發(fā)生變化，且變化明顯，水壓力受到基坑回填作業(yè)的影響而表現(xiàn)出快速增長狀態(tài)，待基坑回填作業(yè)進(jìn)入尾聲后，水壓力的增長速度逐步減緩。由此可見，在基坑回填階段中，湖底水壓力的變化程度較大。三是湖水恢復(fù)階段的水壓力分析。待基坑回填結(jié)束，湖底水壓力仍表現(xiàn)出一定的增長，但增長幅度有限，并逐步進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

通過上述水壓力分析可知，水壓力與湖底隧道施工作業(yè)工序轉(zhuǎn)變之間存在一定聯(lián)系，最終趨于穩(wěn)定，同時分析水壓力最終數(shù)值，發(fā)現(xiàn)框架底板位置的抗拔樁結(jié)構(gòu)受到一定的水壓力影響。

（三）施工模擬

完成案例湖底隧道抗拔樁及水壓力的現(xiàn)場測試后，采用仿真模擬的方式進(jìn)一步了解抗拔樁在UWSy1/0VDdy9aa4wtyzEuQ==不同施工階段、不同受力狀態(tài)下的具體表現(xiàn)，分析抗拔樁是否存在位移現(xiàn)象。經(jīng)仿真模擬后發(fā)現(xiàn)，在湖底隧道主體結(jié)構(gòu)施工階段，部分抗拔樁出現(xiàn)了一定的沉降位移，沉降量約為2.2mm，待基坑回填作業(yè)結(jié)束后，抗拔樁受到回填土自重影響，其沉降量進(jìn)一步擴(kuò)大為4.3mm，但在湖水恢復(fù)階段，抗拔樁沉降量逐漸回升，具體可見圖2。由此可見，湖底隧道施工作業(yè)會改變抗拔樁的受力狀態(tài)，其會引發(fā)沉降現(xiàn)象，但結(jié)合實際模擬情況來看，沉降量整體較小，并未對抗拔樁的抗浮性能產(chǎn)生負(fù)面影響，這就意味著，在案例湖底隧道工程項目中，抗拔樁表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗浮性能，滿足湖底隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計施工要求。

結(jié)束語

綜上所述，湖底隧道抗拔樁主要起到抗浮效果，且對隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性具有促進(jìn)作用。為了解案例湖底隧道工程中的抗拔樁性能情況，采用現(xiàn)場測試的方式對抗拔樁樁體的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，同時測量了湖底水壓力狀況，最終確定案例湖底隧道工程中的抗拔樁結(jié)構(gòu)具有良好的抗浮性能，雖受到湖底隧道結(jié)構(gòu)施工作業(yè)的影響而遭受了拉力，但抗拔樁仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，并未出現(xiàn)浮動現(xiàn)象。此外，通過水壓力分析發(fā)現(xiàn)，抗拔樁不僅處于受拉狀態(tài)，還遭受了水壓力作用，但抗拔樁同樣表現(xiàn)出了良好的抗浮性能，在一定程度上保障了湖底隧道結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。

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作者簡介：陳歡（1990.06－），男 ，漢族，山東菏澤人，碩士，工程師，研究方向：地下工程。