基坑混合支护结构内力及变形监测分析

摘要：明挖基坑在富水砂层条件下，支护结构采用钻孔灌注桩、两排锚索及一排钢支撑的混合支护体系。在施工工况变化因素下，监测基坑结构体系变形及受力变化。分析了在正常开挖情况下及桩后土体不稳定情况下结构内力各自变化情况，为同类工程结构变形规律及风险研判提供参考。

关键词：明挖基坑；富水砂层；混合支护；基坑监测

Abstract: The open-cut pit in the sand under the conditions of the water-rich, supporting structure using bored piles, two rows of anchor cable and a row of steel support mixed-supporting system. Construction condition variables, monitoring pit structure system deformation and stress changes. This paper analyzed the respective changes of the structural internal force in normal excavation and pile soil mass under unstable conditions, provides a reference for law and risk judged of similar projects in structural deformation.

Key words: open-cut excavation; watery sand; mixed support; excavation monitoring

中图分类号：TU761 文献标识码： A 文章编号：

0 引言

随着城市经济发展，轨道交通工程建设步伐进一步加快，发展较快的城际轨道交通工程是促进城市区域经济协调发展的纽带。受轨道交通线路周边环境等因素制约，在轨道交通线路经过时须在地下穿越，在有场地条件情况下，结合本工程富水砂层的水文地质条件，一般采用风险较低的明挖法施工。

明挖基坑支护形式较多，以往基坑工程多采用地下连续墙、钻孔灌注桩+内支撑、SMW工法[1]等支护形式，但对地质条件复杂，限制因素较多的工程选用混合支护形式变为十分必要。本文以海南某铁路机场隧道为背景，对明挖基坑混合支护形式在开挖过程中混合内力变形及影响进行分析，反馈施工，确保施工安全正常进行。

1 工程概况

该隧道位于海口市琼北地区，全长4600m，试验段基坑位于海拔高度

10～15m，基坑深度约15m，宽14.2m，其中基坑上部采用放坡开挖，高度段约3m，比例1:1，基坑下部采用混合支护段基坑深度约12m。

在试验段基坑地面高程至11.11m以上为粉质黏土，11.11～9.01m为细砂， 9.01～-0.39m为中粗砂，-0.39～-10.49m为贝壳碎石岩。地下水位在高程10.75m左右。因临近机场，受此条件制约降水采用坑内降水+旋喷桩止水帷幕。

受岛内钢支撑数量较少影响，在试验段自上而下1、2排支护形式采用2排锚索支护，通过对各种锚索形式比选[2]，选择拉力分散型锚索作为锚索结构形式。在选择基坑底部第3排支护形式时考虑地下水位较高、锚索成孔困难，故采用钢支撑支护形式。支护结构形式见图1，支护结构参数见表一。

图1 明挖基坑支护结构剖面图

表1 基坑支护结构参数

支护结构 材料参数 设计预加轴力

钻孔灌注桩 直径1m，间距1.2m，C30混凝土，主筋HRB335直径28每根桩28根均布主筋净保护层厚度70mm，总长度24.3m -

拉力分散型锚索 1860MPaΦ15.24钢绞线 第一排580kN

第二排750kN

钢支撑 Φ609mm厚度16mm 800kN

注：1. h-基坑设计开挖深度；f-设计极限值

2 内力及变形监测实施

2.1 监测项目及控制标准

对于基坑监测项目可分为自身结构监测与周边环境监测，自身结构监测包含支撑结构内力变形监测，环境监测主要为周边地表、建筑物、水位等监测项目。参照相关规范[3] [4]，本基坑按2级基坑进行监测，自身结构监测项目及频率见表2

表2 基坑监测项目及控制标准[5]

序号 监测项目 累计值 速率控制值

绝对值mm 相对深度(h)

控制值mm mm/d

1 桩顶水平位移 50 0.5% 5

2 桩体水平位移 80 0.7% 5

3 支撑轴力 70%f /

4 锚索轴力

5 桩身应力

注：1. h-基坑设计开挖深度，f-设计极限值；

2. 累计值取绝对值与相对基坑深度（h）控制值计算较小者。

2.2 测点布设原则

为了充分了解桩锚撑混合支护体系下工作效果，隧道试验段在监测布点过程中根据现场实际情况，将表1中监测前4项为20m布设一断面，桩身应力布设为40m布设一断面，测点布设平面图见图2。 图2 监测布点平面图

2.3 仪器选择及布设方法

钢筋计选用最大压应力180MPa，最大拉应力400MPa与主筋直径匹配的弦式钢筋测力计，布设方法为在制作钻孔灌注桩钢筋笼时，钢筋笼自桩头5m处布设第一对钢筋测力计，再依次隔4m布设一对，同样深度的一对钢筋计布设在与圆心相对的两根钢筋处，在放钢筋笼时注意将设有应力计的一对主筋置于垂直基坑位置，同时注意监测仪器电缆的保护。由于钢筋计在钻孔灌注桩施工中受施工因素影响较大，故选择冠梁形成后，开挖桩侧土体前测得初始值。锚索轴力选择YT-1200型振弦式锚索测力计，第一排选择量程为800kN，第二排选择量程为1000kN轴力计。安装后待锚索预加轴力前测初始值。

支撑轴力选择钢支撑表面应变计量程为受拉微应变1200 uε受压微应变1800 uε。通过将钢支撑表面应变计固定块焊接于钢支撑表面后，待冷却后再将表面应变计安装于固定块内，拧紧后待钢支撑预加轴力前测初始值。

桩体水平位移采用YT-610型活动式测斜仪监测，在埋设测斜管时，选择绑有钢筋计的主筋，且主筋为迎土侧进行绑扎，由于桩锚体系是一桩一锚，并且通过桩中心打设锚索孔，在考虑布设测斜管及桩身应力计电缆时，应充分考虑锚索孔成孔部位，避免因打设锚索孔而将测斜管及桩身应力计破坏。同时在凿桩头做冠梁时应及时保护监测仪器电缆及测斜管。测量初始值为冠梁形成后，开挖桩侧土体前测得初始值。

桩顶水平位移监现场监测点埋设时先在冠梁的顶部用冲击钻钻出深约10cm的孔，再把顶部带有对中的凸球面的钢制测钉放入孔中，测钉与砼间不应该有松动，缝隙采用锚固剂填充。工作基点采用强制归心的水泥观测墩，顶面长宽各0.4m，地下部分埋深大于1.2m，地面部分高1.0m，选择基坑影响区3倍以外的稳定区域。

3 基坑监测结果分析

隧道基坑第一段冠梁（DK17+010）施作完后开始监测时间为2008年6月15日，至2008年12月10日第一段冠梁处（DK17+010）二衬施工完毕，至2009年3月1日试验段（DK17+000~DK17+290）二衬施工完毕。开挖方式为分层开挖，总体步序为：开挖第一层土体打设第一排锚索开挖第二层土体打设第二排锚索基底旋喷桩条带加固开挖第三层土体架设钢支撑开挖钢支撑下土体至基坑底部打设底板基坑监测稳定后拆撑模板台车施作拱部及边墙二衬稳定后回填。

由于基坑长度较大，以典型断面试验段DK17+010监测断面为例进行分析。重要工况分为5步分析，GK1――第一层土体开挖；GK2――第二层土体开挖；GK3――三层土体开挖；GK4――底板完成；GK5――二衬完成。

3.1 桩身钢筋应力监测及分析

桩身钢筋应力主要受基坑开挖的土压力影响，在监测过程中发现，对于由锚索施加预应力及钢支撑施加预应力对桩身钢筋应力影响较小，在施加预应力前后对测点部位的钢筋计轴力变化1%~3%之间，在开挖三层土体时对钢筋计影响最大，（见图3~6）但变化范围均未超出基坑控制指标，且相对钢筋屈服强度有较大的安全空间。由此可以得出围护桩在基坑支护中具有稳定性，且从钢筋承载力极限状态考虑其仍有较大的安全空间。

图3 北侧桩体基坑侧钢筋应力

图4 北侧桩体迎土侧钢筋应力

图5 南侧桩体基坑侧钢筋应力

图6 南侧桩体迎土侧钢筋应力

3.2 桩顶水平位移监测及分析

桩顶水平位移在变化最大的为在第三层土体开挖时候，此时桩顶水平位移变化量占全程变化量的1/3左右，其次为第二层土体开挖。桩顶水平位移时程曲线见图7

图7 桩顶水平位移工况曲线

3.3 桩移监测及分析

桩移监测假定桩体底部固定，在监测过程中，由于施工影响测斜有效深度为18.5m。通过桩移监测可见在，桩移发生最大的工况为第三层土体开挖，尤其桩后土体发生变化对桩的影响可及时通过桩体测斜测得，例如在9月11日至12日间，由于基坑已经挖至最深处(工况3)，桩后渗水较难处理，时有桩间涌水涌砂情况发生。9月11日至12日间两侧桩移连续最大值点在3mm以上，与平常最大测点均小于1mm的情况有较大区别。在发出监测预警后，施工单位对该区域进行回填处理，12小时后南侧冠梁后出现约8m3桩后土体塌陷。探测塌陷区域发现在约10m深度桩间因漏沙发生空洞，可见通过桩体测斜能较快发现围护桩异常，从而判断桩后土体稳定性，指导施工。在桩体水平位移监测过程中，“腹鼓”现象不甚明显，仅在曲线1/2~1/3处斜率有发生明显变化，分析原因在于与围护桩刚度较大及1、2排支护结构采用锚索支护影响有关。桩体水平位移工况曲线见图8~9。

图8 北侧桩体测斜曲线

图9 南侧桩体测斜曲线

3.4 锚索轴力监测及分析

锚索轴力在基坑开挖后较为稳定，影响锚索轴力主要因素为桩后土体的稳定性。在正常开挖过程中，取第二层土后，第一排锚索增加3~5kN轴力，取第三层土后，第一排锚索增加3~10kN轴力，第二排锚索增加5~15kN。在遇到桩间流沙流水情况，锚索轴力变化较为复杂，往往会陡增100kN，在采取措施后2-3天锚索轴力趋于稳定。锚索轴力时程曲线见图10~11。

图10 基坑第一排锚索时程曲线

图11 基坑第二排锚索时程曲线

3.5 支撑轴力监测及分析

基坑在开挖过程中，钢支撑表面应变计受环境影响因素较大，但大致反应了钢支撑轴力变化趋势，在基坑开挖过程中，钢支撑支护后正常开挖情况下，钢支撑轴力较为稳定，但是在涌砂涌水情况下，钢支撑轴力产生较大变化。支撑轴力时程曲线见图12。

图12 支撑轴力时程曲线

3.6 监测结果综合分析

在监测过程中，该监测断面测点布设较为全面，对试验段基坑及整个机场隧道施工具有指导意义。以9月12日前后该断面涌砂涌水情况分析。基坑南侧桩移最大处为深度8m处位移值3.70mm，桩顶水平位移5.1mm。第一排锚索增加25kN，第二排锚索增加50kN，桩身应力最大处为南侧桩体9m处增加3MPa，事发在支撑架设后时间不久，钢支撑处于预应力未稳定时期，监测支未发现撑轴力明显增加。

在正常施工过程中，受基坑开挖桩后土压力影响，基坑围护桩缓慢向基坑内侧变形，此时桩顶水平位移与桩顶位移随土体开挖而增加，同时锚索在预加轴力3天较为稳定后，受土体变形仍会缓慢下降，但在基坑开挖影响下，轴力会随基坑开挖而上升。钢支撑架设后，通过对桩顶水平位移及桩体水平位移监测可见其对基坑变形限制较为明显，但是在支撑架设及拆除过程中，未监测到桩身钢筋应力计及锚索轴力有较大变化，分析原因为在底板强度达到一定强度后，底板刚度对抵抗桩侧土压力有非常大得作用，且桩身刚度较大，且嵌入土体深度较深，因此拆撑过程未对结构变形及内力监测点有较大影响。

4 结论

（1）基坑在支护结构设计较为合理，能抵御一定的施工风险，尤其在发生局部涌水涌砂情况，基坑结构多处监测值控制在预警值内，说明混合支护结构可保证基坑开挖时安全稳定。

（2）混合支护结构内力及变形相关联，基坑支护结构应力与变形协调一致，监测结果具有可信度。

（3）在桩身刚度及锚索预应力较大情况下，围护桩“腹鼓”现象不明显，但仍可见桩体倾斜斜率变化。

（4）本文中工况三，即最底层土体开挖是影响基坑稳定的关键，同时也是监测累计值增加的主要因素。因此在基坑分步开挖过程中，应充分考虑前面工序对监测累计值的影响，对于前几步工序即耗尽基坑累计控制值情况予以重视。

（5）底板硬化后具有较大刚度，在此后监测过程中，轴力监测项目基本稳定，变形监测项目增加不超过累计值10%，基坑可判断为安全稳定状态。

参考文献

[1] 钱玉林等.SMW支护结构分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(12)：18771880

[2] 张明聚等.拉力分散型锚杆在明挖隧道基坑围护结构中应用[J].铁道建筑技术, 2010(Z1)

[3] GB50497―2009 建筑基坑工程监测技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,1999

[4] JGJ120―99建筑基坑支护技术规程[S] . 北京：中国建筑工业出版社,1999

[5] 孟长江.汉口站出站厅深基坑支护设计与监测分析[J].岩土工程学报，2010.32(7)

Monitoring and Analysis forces and deformation of Pit mixed Supporting structure

YE Xin-feng

China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.,Ltd. Beijing 102600

Abstract: Under the conditions of water-rich sand, Bored piles, two rows of anchor cable and one row of steel support were used in open cut foundation pit of exterior protected construction. With the development of the project, the stress-strain behaviors of open cut foundation pit were monitored. The internal force under the conditions of normal excavating and soil behind pile unstable were analyses. Rules of construction risk in open cut foundation pit were summarized.

Key words: open cut foundation pitwater-rich sandmixed exterior protectedconstruction monitor

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。