洞樁法車站施工邊樁及中柱應力應變監測及受力分析

王金明，張子真，孫玉輝，陳昌彥，2

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

1 引 言

目前我國城市地下交通正處于高速發展時期，1965年7月北京開始修建我國第一條地鐵，1969年10月建成，采用明挖法施工，線路全長 22.2 km。北京地鐵2號線于1969年建成通車，全長 19.9 km。隨后，天津、上海、廣州一線、二線、三線城市陸續開展地鐵建設。截至2017年12月31日，中國內地累計有34個城市建成投運城軌線路 5 021.7 km；2017年新增石家莊、珠海、貴陽、廈門4個運營城市；北京地鐵運營里程達到 684.4 km，上海達到 731.37 km，預計到2020年，北京地鐵運營里程達到 1 000 km。地鐵車站常采用的施工方法有明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法等，洞樁法是近年來發展起來的一種新型淺埋暗挖法，又叫PBA法，它借鑒了淺埋暗挖法、蓋挖法以及框架結構形式的優點，通過小導洞、鉆孔灌注樁與扣拱等比較成熟的施工技術，將樁柱、梁、拱等結構形式引入到地鐵車站結構中，構成樁梁拱支撐體系。PBA工法可以適應復雜地質條件，能有效控制自身結構沉降，減少對周邊環境的影響[1～4]。

本文采用現場監測的方法對單樁頂壓力(包括邊樁、中柱)，邊樁樁體鋼筋內力及混凝土應變進行監測，研究單樁所受荷載作用大小(豎向和側向)、邊樁在開挖過程中受力變化規律、邊樁在開挖過程中變形、并確定邊樁樁側摩阻力大小及總結單樁在上部荷載作用下的應力傳遞和作用規律。

2 工程概況

北京地鐵某車站全長336 m。車站西端 21.2 m范圍為三層雙跨框架結構，采用明挖法施工；其余主體結構段均為地下二層雙跨連拱直墻結構，采用暗挖單層導洞洞樁法施工。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性質參數如表1所示，場地水文地質條件分布情況如表2所示。

地層物理力學性質參數 表1

場地水文地質條件 表2

車站結構總高度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。根據設計資料，在荷載效應標準組合作用下邊樁單樁豎向承載力Nk為 3 070 kN，強度約為 4 MPa，邊樁極限承載力為 11 522 kN，強度約為 14.7 MPa；中柱樁基豎向承載力Nk為 15 600 kN，強度約為 6.1 MPa，中柱樁基極限承載力為 32 196 kN，強度約為 12.6 MPa。

圖1樁基平面布置圖

本監測段采用暗挖單層導洞洞樁法施工，標準斷面如圖2所示。

圖2 暗挖標準斷面圖

其施工步序如圖3所示。

圖3 洞樁法車站施工步驟

第一階段：開挖小導洞。

第二階段：邊導洞內施工邊樁和冠梁，中導洞內施工中間樁和鋼管混凝土柱。

第三階段：中導洞內施工頂縱梁和部分頂拱結構，邊導洞內施工扣拱初支，回填初支背后。開挖小導洞間扣拱，鑿除小導洞初支，施工二襯扣拱。

第四階段：開挖站廳層土方，施工中板和負一層側墻，開挖站臺層土方，施工底板和負二層側墻。

3 現場監測設計

3.1 監測項目設計

現場應力應變監測包括邊樁頂及中柱頂壓力、邊樁樁身鋼筋內力、邊樁樁身混凝土應變等監測[5，6]。監測點位設計如圖4所示。

圖4 主測斷面傳感器布置圖

3.2 監測方法

(1)邊樁、中柱頂壓力采用振弦式及光纖光柵式壓力計監測。壓力計安裝方法：先將樁頂浮漿鑿除，鋪填一層砂漿找平，再鋪 20 mm厚細砂，將壓力計放在細砂上，再鋪 20 mm厚細砂層將其覆蓋，最后鋪填砂漿找平。現場監測安裝如圖5所示。

圖5 振弦式壓力計

(2)邊樁樁身鋼筋內力采用振弦式鋼筋計監測[7]，現場監測設備如圖6所示。鋼筋計按照設計位置進行安裝，與邊樁主筋采用焊接(或機械連接)，若焊接可采用幫焊，焊接長度為 10 d(d為鋼筋直徑)。在焊接鋼筋計時，為避免熱傳導使鋼筋計零漂增加，造成對鋼筋計的損壞，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

(3)邊樁樁身混凝土應變采用振弦式應變計監測，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側順延到頂部引出，并及時保護，如圖7所示。

圖7 樁混凝土應變計安裝

4 受力變化規律分析

4.1 邊樁頂壓力分析

在邊樁頂共布設5個斷面，其中斷面五為主測斷面，每根邊樁頂布設2支壓力計，其余每根邊樁頂均布設1支壓力計。測點1616331號監測曲線如圖8所示。

圖8 樁頂壓力時程曲線

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

冠梁及假拱施做對樁頂壓力影響較小；初支扣拱期間，樁頂壓力急劇增大；二襯扣拱期間、站廳層土方開挖及結構施工階段，樁頂壓力明顯增大。根據設計計算邊樁施工至地下一層二襯結構施工完成時樁頂附加荷載為 2 373 kN，邊樁直徑 1 m，強度為 3 MPa，實際監測值略小于計算值。

4.2 中柱壓力監測分析

在中柱共布設5各斷面，每根中柱頂布設1支～2支壓力計，其中斷面五確保布設2支壓力計，測點B4-46監測曲線如圖9所示。

圖9 柱頂壓力時程曲線

扣拱開挖階段，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，是受力轉換階段。以前小導洞初支會承受一部分豎向荷載，將它鑿除后，荷載全部轉移到扣拱上，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，邊樁數量更多，受力面積更大，而中柱的壓力由頂縱梁傳遞來，在柱頂集中，因此中柱的壓力明顯比邊樁高。根據設計計算中柱施工至地下一層二襯結構施工完成時柱頂附加荷載為 15 186 kN，中柱直徑為 1.8 m，強度為 6 MPa，實際監測值略小于計算值。

4.3 邊樁鋼筋內力監測數據分析

斷面五邊樁鋼筋計布設位置如圖10所示，監測數據曲線如圖11所示。

圖10 A軸邊樁鋼筋計安裝位置

圖11 迎土側鋼筋計內力時程曲線

鋼筋計安裝后相當長的時間內，受力變化并不大，在 10 kN以內。此時邊樁所受荷載主要從冠梁傳遞，扣拱開挖、小導洞初支鑿除和二襯扣拱施工，均會不同程度地增加冠梁上的荷載，但冠梁下荷載會分兩部分傳遞，一部分通過小導洞底板向地層傳遞，另一部分則傳遞給了樁頂，由于樁周土側摩阻力的作用，樁頂承擔的荷載向下逐漸向周邊土層傳遞，這樣，樁身內力隨深度是遞減的。邊樁另一個受力比較大的時期，是大主體開挖。此時樁不僅承受豎向荷載，更要承擔側向荷載，通過彎矩抵抗土壓力[9，10]。土方開挖時，需要鑿除樁頂處的浮漿和樁側侵入車站方向的樁身保護層，測線和傳感器很容易被鑿壞。

4.4 邊樁混凝土應變數據分析

斷面五A、C軸邊樁沿樁身布置混凝土應變計，其位置如圖12所示，監測數據曲線如圖13所示。

圖12 邊樁混凝土應變計安裝位置

圖13 A軸邊樁混凝土應變時程曲線

邊樁同一深度處，迎土側和背土側的應變是不一樣的，根據迎土側和背土側應變數據，可計算出樁身縱向應變和樁身軸力。樁身軸力分布如表3所示，從圖14中可以看出，隨施工進行，C軸邊樁壓力一直呈增大趨勢。

計算樁側摩阻力分布，如表4所示，樁側摩阻力分布如圖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。

C軸邊樁樁側摩阻力(單位/kPa) 表4

注：向上為正，向下為負。

圖14 C軸邊樁軸力分布圖圖15 C軸邊樁樁側摩阻力分布(單位/kPa)

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

5 結 論

本文通過北京某地鐵車站邊樁、中柱結構應力應變監測和數據分析，系統地研究了洞樁法(PBA)施工各關鍵工序受力分布特點及變化規律，驗證了理論計算參數選取的合理性，主要結論如下：

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

(2)邊樁頂和中柱頂壓力實測和理論結果相比，邊樁實測值為理論計算值的0.75倍，中柱為0.98倍，驗證了設計參數的合理性。

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

(4)樁身混凝土應變計，可以獲得樁身不同位置的應變規律，也可以獲得樁身軸力的變化規律，從而推導出樁側摩阻力的變化規律。在大主體開挖之前，樁側摩阻力會抵銷掉一部分樁身軸力，使軸力隨深度遞減。