王金明，張子真，孫玉輝，陳昌彥，2

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038； 2.北京市道路與市政管線地下病害工程技術(shù)研究中心，北京 100038)

1 引 言

目前我國(guó)城市地下交通正處于高速發(fā)展時(shí)期，1965年7月北京開(kāi)始修建我國(guó)第一條地鐵，1969年10月建成，采用明挖法施工，線路全長(zhǎng) 22.2 km。北京地鐵2號(hào)線于1969年建成通車(chē)，全長(zhǎng) 19.9 km。隨后，天津、上海、廣州一線、二線、三線城市陸續(xù)開(kāi)展地鐵建設(shè)。截至2017年12月31日，中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有34個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路 5 021.7 km；2017年新增石家莊、珠海、貴陽(yáng)、廈門(mén)4個(gè)運(yùn)營(yíng)城市；北京地鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到 684.4 km，上海達(dá)到 731.37 km，預(yù)計(jì)到2020年，北京地鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到 1 000 km。地鐵車(chē)站常采用的施工方法有明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法等，洞樁法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型淺埋暗挖法，又叫PBA法，它借鑒了淺埋暗挖法、蓋挖法以及框架結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)小導(dǎo)洞、鉆孔灌注樁與扣拱等比較成熟的施工技術(shù)，將樁柱、梁、拱等結(jié)構(gòu)形式引入到地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成樁梁拱支撐體系。PBA工法可以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，能有效控制自身結(jié)構(gòu)沉降，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響[1～4]。

本文采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)單樁頂壓力(包括邊樁、中柱)，邊樁樁體鋼筋內(nèi)力及混凝土應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究單樁所受荷載作用大小(豎向和側(cè)向)、邊樁在開(kāi)挖過(guò)程中受力變化規(guī)律、邊樁在開(kāi)挖過(guò)程中變形、并確定邊樁樁側(cè)摩阻力大小及總結(jié)單樁在上部荷載作用下的應(yīng)力傳遞和作用規(guī)律。

2 工程概況

北京地鐵某車(chē)站全長(zhǎng)336 m。車(chē)站西端 21.2 m范圍為三層雙跨框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工；其余主體結(jié)構(gòu)段均為地下二層雙跨連拱直墻結(jié)構(gòu)，采用暗挖單層導(dǎo)洞洞樁法施工。二層雙跨暗挖段覆土深度約 9.5 m。地面至樁基底端地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示，場(chǎng)地水文地質(zhì)條件分布情況如表2所示。

地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù) 表1

場(chǎng)地水文地質(zhì)條件 表2

車(chē)站結(jié)構(gòu)總高度17.5 m，邊樁直徑 1 m，樁中心距為 1.3 m，中柱樁基直徑 1.8 m，樁中心距為 6 m，車(chē)站底板以下為卵石⑨層，邊樁和中柱樁基嵌固深度分別為 11.5 m、10 m。樁基平面布置如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下邊樁單樁豎向承載力Nk為 3 070 kN，強(qiáng)度約為 4 MPa，邊樁極限承載力為 11 522 kN，強(qiáng)度約為 14.7 MPa；中柱樁基豎向承載力Nk為 15 600 kN，強(qiáng)度約為 6.1 MPa，中柱樁基極限承載力為 32 196 kN，強(qiáng)度約為 12.6 MPa。

圖1樁基平面布置圖

本監(jiān)測(cè)段采用暗挖單層導(dǎo)洞洞樁法施工，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖2 暗挖標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

其施工步序如圖3所示。

圖3 洞樁法車(chē)站施工步驟

第一階段：開(kāi)挖小導(dǎo)洞。

第二階段：邊導(dǎo)洞內(nèi)施工邊樁和冠梁，中導(dǎo)洞內(nèi)施工中間樁和鋼管混凝土柱。

第三階段：中導(dǎo)洞內(nèi)施工頂縱梁和部分頂拱結(jié)構(gòu)，邊導(dǎo)洞內(nèi)施工扣拱初支，回填初支背后。開(kāi)挖小導(dǎo)洞間扣拱，鑿除小導(dǎo)洞初支，施工二襯扣拱。

第四階段：開(kāi)挖站廳層土方，施工中板和負(fù)一層側(cè)墻，開(kāi)挖站臺(tái)層土方，施工底板和負(fù)二層側(cè)墻。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)包括邊樁頂及中柱頂壓力、邊樁樁身鋼筋內(nèi)力、邊樁樁身混凝土應(yīng)變等監(jiān)測(cè)[5，6]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 主測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

3.2 監(jiān)測(cè)方法

(1)邊樁、中柱頂壓力采用振弦式及光纖光柵式壓力計(jì)監(jiān)測(cè)。壓力計(jì)安裝方法：先將樁頂浮漿鑿除，鋪填一層砂漿找平，再鋪 20 mm厚細(xì)砂，將壓力計(jì)放在細(xì)砂上，再鋪 20 mm厚細(xì)砂層將其覆蓋，最后鋪填砂漿找平?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)安裝如圖5所示。

圖5 振弦式壓力計(jì)

(2)邊樁樁身鋼筋內(nèi)力采用振弦式鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)[7]，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖6所示。鋼筋計(jì)按照設(shè)計(jì)位置進(jìn)行安裝，與邊樁主筋采用焊接(或機(jī)械連接)，若焊接可采用幫焊，焊接長(zhǎng)度為 10 d(d為鋼筋直徑)。在焊接鋼筋計(jì)時(shí)，為避免熱傳導(dǎo)使鋼筋計(jì)零漂增加，造成對(duì)鋼筋計(jì)的損壞，需要采取冷卻措施，用濕毛巾或流水冷卻是常采用的有效方法。

圖6 BGK4911型鋼筋計(jì)

(3)邊樁樁身混凝土應(yīng)變采用振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)，安裝方法：選取迎土面和背土面縱向主筋為傳感器安裝鋼筋，傳感器與鋼筋之間墊邊長(zhǎng)為 30 mm的混凝土塊，用火燒絲綁扎牢固，將電纜線圈沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)順延到頂部引出，并及時(shí)保護(hù)，如圖7所示。

圖7 樁混凝土應(yīng)變計(jì)安裝

4 受力變化規(guī)律分析

4.1 邊樁頂壓力分析

在邊樁頂共布設(shè)5個(gè)斷面，其中斷面五為主測(cè)斷面，每根邊樁頂布設(shè)2支壓力計(jì)，其余每根邊樁頂均布設(shè)1支壓力計(jì)。測(cè)點(diǎn)1616331號(hào)監(jiān)測(cè)曲線如圖8所示。

圖8 樁頂壓力時(shí)程曲線

樁頂壓力變化主要發(fā)生在初支鑿除至站廳層土方開(kāi)挖階段，開(kāi)挖結(jié)束后，受力體系發(fā)生變化[8]，樁頂壓力有所回落。

冠梁及假拱施做對(duì)樁頂壓力影響較小；初支扣拱期間，樁頂壓力急劇增大；二襯扣拱期間、站廳層土方開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工階段，樁頂壓力明顯增大。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算邊樁施工至地下一層二襯結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)樁頂附加荷載為 2 373 kN，邊樁直徑 1 m，強(qiáng)度為 3 MPa，實(shí)際監(jiān)測(cè)值略小于計(jì)算值。

4.2 中柱壓力監(jiān)測(cè)分析

在中柱共布設(shè)5各斷面，每根中柱頂布設(shè)1支～2支壓力計(jì)，其中斷面五確保布設(shè)2支壓力計(jì)，測(cè)點(diǎn)B4-46監(jiān)測(cè)曲線如圖9所示。

圖9 柱頂壓力時(shí)程曲線

扣拱開(kāi)挖階段，中柱的壓力上升，主要是初支扣拱將上覆土荷載向拱腳處傳遞所致。初支鑿除階段，是受力轉(zhuǎn)換階段。以前小導(dǎo)洞初支會(huì)承受一部分豎向荷載，將它鑿除后，荷載全部轉(zhuǎn)移到扣拱上，將柱頂壓力增大。邊樁的壓力比中柱壓力小，扣拱壓力向拱腳處傳遞，邊樁數(shù)量更多，受力面積更大，而中柱的壓力由頂縱梁傳遞來(lái)，在柱頂集中，因此中柱的壓力明顯比邊樁高。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算中柱施工至地下一層二襯結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)柱頂附加荷載為 15 186 kN，中柱直徑為 1.8 m，強(qiáng)度為 6 MPa，實(shí)際監(jiān)測(cè)值略小于計(jì)算值。

4.3 邊樁鋼筋內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

斷面五邊樁鋼筋計(jì)布設(shè)位置如圖10所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

圖10 A軸邊樁鋼筋計(jì)安裝位置

圖11 迎土側(cè)鋼筋計(jì)內(nèi)力時(shí)程曲線

鋼筋計(jì)安裝后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，受力變化并不大，在 10 kN以內(nèi)。此時(shí)邊樁所受荷載主要從冠梁傳遞，扣拱開(kāi)挖、小導(dǎo)洞初支鑿除和二襯扣拱施工，均會(huì)不同程度地增加冠梁上的荷載，但冠梁下荷載會(huì)分兩部分傳遞，一部分通過(guò)小導(dǎo)洞底板向地層傳遞，另一部分則傳遞給了樁頂，由于樁周土側(cè)摩阻力的作用，樁頂承擔(dān)的荷載向下逐漸向周邊土層傳遞，這樣，樁身內(nèi)力隨深度是遞減的。邊樁另一個(gè)受力比較大的時(shí)期，是大主體開(kāi)挖。此時(shí)樁不僅承受豎向荷載，更要承擔(dān)側(cè)向荷載，通過(guò)彎矩抵抗土壓力[9，10]。土方開(kāi)挖時(shí)，需要鑿除樁頂處的浮漿和樁側(cè)侵入車(chē)站方向的樁身保護(hù)層，測(cè)線和傳感器很容易被鑿壞。

4.4 邊樁混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

斷面五A、C軸邊樁沿樁身布置混凝土應(yīng)變計(jì)，其位置如圖12所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖13所示。

圖12 邊樁混凝土應(yīng)變計(jì)安裝位置

圖13 A軸邊樁混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線

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，根據(jù)迎土側(cè)和背土側(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，可計(jì)算出樁身縱向應(yīng)變和樁身軸力。樁身軸力分布如表3所示，從圖14中可以看出，隨施工進(jìn)行，C軸邊樁壓力一直呈增大趨勢(shì)。

計(jì)算樁側(cè)摩阻力分布，如表4所示，樁側(cè)摩阻力分布如圖15所示。

C軸邊樁樁身軸力(單位/kN) 表3

注：受拉為正，受壓為負(fù)。

C軸邊樁樁側(cè)摩阻力(單位/kPa) 表4

注：向上為正，向下為負(fù)。

圖14 C軸邊樁軸力分布圖圖15 C軸邊樁樁側(cè)摩阻力分布(單位/kPa)

樁身混凝土應(yīng)變整體呈受壓狀態(tài)，利用樁身應(yīng)變可計(jì)算樁身軸力和樁側(cè)摩阻力。軸力均為壓力，且隨施工進(jìn)行，壓力逐漸增大。C軸邊樁 0.5 m～1.75 m深度范圍內(nèi)，在扣拱開(kāi)挖完成之前，出現(xiàn)了負(fù)摩阻力，可能與后注漿施工及地層有關(guān)，在打樁階段受到比較大的超靜水壓力，之后又逐漸消散，與地層固結(jié)壓縮有關(guān)。樁側(cè)摩阻力隨工程進(jìn)展，逐漸增大。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)北京某地鐵車(chē)站邊樁、中柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)地研究了洞樁法(PBA)施工各關(guān)鍵工序受力分布特點(diǎn)及變化規(guī)律，驗(yàn)證了理論計(jì)算參數(shù)選取的合理性，主要結(jié)論如下：

(1)邊樁頂和中柱頂壓力隨扣拱開(kāi)挖、初支鑿除等發(fā)生了明顯的變化，主要和初支扣拱的荷載傳遞有關(guān)。站廳層土方開(kāi)挖階段以后，樁頂壓力變化不大。

(2)邊樁頂和中柱頂壓力實(shí)測(cè)和理論結(jié)果相比，邊樁實(shí)測(cè)值為理論計(jì)算值的0.75倍，中柱為0.98倍，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

(3)樁身鋼筋計(jì)內(nèi)力，在土方開(kāi)挖前，變化并不大。主體開(kāi)挖階段受樁頂冠梁傳遞的荷載影響，內(nèi)力明顯增加。

(4)樁身混凝土應(yīng)變計(jì)，可以獲得樁身不同位置的應(yīng)變規(guī)律，也可以獲得樁身軸力的變化規(guī)律，從而推導(dǎo)出樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。在大主體開(kāi)挖之前，樁側(cè)摩阻力會(huì)抵銷(xiāo)掉一部分樁身軸力，使軸力隨深度遞減。