基坑钢支撑的应力监控

李忠林，史宇超

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710100)

0 引 言

随着中国桥梁建设事业的蓬勃发展，高塔、大跨度桥梁层出不穷，基坑开挖深度不断加深，规模也越来越大，致使基坑安全问题成为中国工程建设领域中最值得重视的方面之一，为保证整个基坑工程期内所有环境设施的安全和稳定，必须对基坑支护结构进行监控，确保施工期间基坑稳定、安全[1-2]。

中国对于建筑基坑的研究成果丰盛[3-5]，但针对承台基坑的研究却较少。宁湘依托沪通长江大桥简支钢桁梁桥9#～22#墩，从经济性、安全性、施工功效、施工设备等方面，对钢板桩围堰和放坡加轻型井点降水2种支护形式进行对比；曹向东介绍了中国首个采用钢管作为围堰壁板结构的鄂东长江大桥主桥5#墩承台基坑的施工概况；王鹏等介绍了跨穗盐路斜拉桥塔墩承台深基坑施工方案并对其进行了一定优化；吴向军对郑州黄河公铁两用桥主河槽中12个桥墩承台基坑的施工情况进行了说明；陈钧等将SMW工法应用于天津南仓立主桥21#桥墩承台基坑支护中，重点阐述了SMW工法的设计方法[6-10]。

从以上研究成果可以看出，目前对于承台基坑的研究多集中在设计施工方法，对于其现场监测的内容较少。本文以禹门口黄河大桥11#索塔承台基坑为例，详细说明该基坑的施工和监测情况，根据监测结果分析该承台基坑在施工过程中桩顶位移和支撑轴力的变化规律，为类似工程的设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

拟建禹门口黄河公路大桥位于晋陕峡谷出口旧桥下游420 m处。主桥主跨为565 m双塔双索面斜拉桥，桥面净宽2×12.75 m，主梁全宽30.25 m。东塔11#墩位处于黄河主河道上方，承台尺寸为49 m×29 m，11#索塔主要工程材料数量为：C40承台混凝土8 526 m3，围堰水下C20封底混凝土2 465 m3，基坑开挖土方量约23 000 m3。西塔12#墩位于黄河河漫滩之上，12#索塔承台尺寸为49 m×24 m，12#索塔主要工程材料数量为：C40承台混凝土7 056 m3，围堰水下C 20封底混凝土2 352 m3，基坑开挖土方量约18 000 m3。

2 工程地质条件

大桥桥址处为典型的河流堆积地貌，黄河在此处由峡谷进入平原地区，河槽骤然展开，形成宽浅河床，地形略有起伏，水流散乱，主流摆动不定，具有典型的游荡型河道特点。11#墩地层岩性分布自上而下依次为细砂、粗砂、卵石、中砂、卵石、中砂、卵石，地层参数如表1所示。

表1 禹门口黄河公路大桥11#墩地层岩性分布

3 钢板桩围堰及内支撑设计

本工程采用SP-IVw钢板桩围堰施工，材质Q 390(进口钢板桩不低于本材质性能)[11]，允许强度335 MPa，每延米质量为106 kg，抗弯模量为2 700 cm4·m-1，拟投入50 t履带吊和DZ90振动锤各2套进行钢板桩打设。钢板桩内支撑设置3道，选用Φ820×10 mm 钢管，竖向间距为2.5～3.5 m，钢支撑与钢板桩之间设置H582×10 mm的双拼H型钢，第1道钢支撑与第2道钢支撑相同，中间为对撑、四角为斜撑，第3道钢支撑沿承台四周支立于钢护筒之上。钢板桩插打施工完成后，在基坑开挖前先安装第1道内支撑，以减少钢板桩竖向支撑跨度[12-13]。最下面一道内支撑轴线距离封底混凝土顶3.0 m，水平间距5.0 m。竖向格构柱采用Φ630×10 mm 钢管，内支撑钢管支架的连接杆采用32a型钢。钢板桩围堰封底混凝土采用C20水下混凝土，封底厚度2.0 m，钢板桩封底混凝土底面以下入土深度为5.5 m，基坑深度约为10.5 m，地面以上预留约5.0 m，合计钢板桩长度为21 m[14]。内支撑及围檩现场布置如图1所示。

图1 11#索塔钢板桩第1道、第2道内支撑及围檩现场

4 基坑开挖情况

施工时先插打钢板桩围堰支护，然后在承台四周设置降水井(承台施工期属于黄河枯水季节，地下水位较低，采用降水方式可降低地下水位，减少承台内的渗水量和钢板桩所承受的水压力)[15]，安装第1道围檩和内支撑，然后采用长臂挖机进行基坑开挖施工；当挖至第2道钢支撑以下50 cm处时，安装第2道钢围檩和钢支撑；当挖至第3道钢支撑以下50 cm处时，安装第3道钢围檩和钢支撑(第3道钢支撑支于护筒之上，护筒内进行加强)，然后将小型挖机放入基坑内进行开挖，挖至封底混凝土底面，进行承台干封底施工[16-18]。

5 基坑监测方法

在基坑开挖过程中，通过科学的设备仪器与监测手段对基坑围护、支护、周围环境的水平位移、垂直度、倾斜位移、基地隆起、地下水位变化等各进行系统全面的监测，取得相关信息并及时进行数据分析。经综合考虑，本工程对基坑围护结构的水平位移、垂直度、倾斜位移、钢支撑轴力进行监测[19-20]。

5.1 监测点的埋设布置

(1)围护结构顶部水平位移。基准点布设于100 m以外，用于检查和恢复工作基点的可靠性。工作基点则布设于基坑周围较稳定的地方，直接在工作基点上架设仪器，对水平变形监测点进行监测[21]。沿结构体延伸方向共布设8个水平位移监测点，布置方法如图2的所示。将支护结构外侧埋入位移标志杆(测量时将棱镜直接插入，即可观测)，用砂浆固定。

图2 水平监测点布置方法

监测埋设的监测点稳定后，在基坑开挖前进行初始值的观测，一般独立观测2次，2次观测值都满足要求后，取2次观测值的平均值作为初始值[22]。水平位移监测初始值作为观测值比较基准。水平位移变形监测视基坑开挖情况可即时开始实施。

通过增加观测时间(采取1次不间断观测5 min固定解)进行观测，测量精度满足监测要求。本工程采用坐标法结合GPS快速静态定位技术进行观测。数据处理时，采用严密平差计算各监测工作点和监测点坐标，与既有坐标比较即可知监测结果是否发生变形。

(2)支护结构水平位移。在第1层、第2层、第3层钢围檩宽度、长度方向中心位置焊接一块钢板，钢板中心打入观测点，并使用红油漆进行标示，在上下3块钢板边分别割1个基准点，采用GPS对钢板中心进行位移检测，将上下钢板基准点连线，测其与钢板桩的距离，检测两道围檩之间钢板桩的变形情况。

(3)支撑钢弦式应力计的监测。通过支撑轴力的监测，掌握支护结构受力情况及发展变化趋势，判断其是否在安全范围内。

钢支撑轴力测量选择钢弦式应力计(反力计)进行，在安装钢弦式应力计前，要对各项技术指标及标定系数进行检验。钢弦式应力计沿管轴线方向安装，对称于管轴中心焊接布置于钢管上。测量时通过频率仪测量钢弦式应力计在某一荷载下的自振频率，然后计算出钢支撑的轴力值。

支撑轴力测点宜选择基坑中部、阳角、深度变化、支护结构受力条件复杂的部位及在支撑系统中起控制作用的部位。钢支撑的监测截面根据测试仪器宜布置在支撑长度1/3部位或支撑的端头；每层支撑的监测数量不宜少于支撑数量的10%，且不少于3根；单个基坑监测点数量为18个。基坑内支撑3层均布置钢弦式应力计，如图3～5所示。

图3 第1层支撑监测点布置

图4 第2层支撑监测点布置

图5 第3层支撑监测点布置

5.2 监测频率

根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)，监测频率如表2、3所示。

5.3 监测资料分析

(1)及时性。对监测资料进行分析，并及时反馈成果。每次观测后立即对原始数据进行检查校核和整理，并及时作出初步分析，不拖延，不积压。

(2)可靠性。监测资料整理分析必须以保证数据成果的准确可靠为基本前提，规定原始资料在现场校核检验后，不得进行任何修改。粗差的辨识和剔除必须稳妥慎重，严格按有关规定进行。经整理和整编后的监测资料和数据库亦不得修改。采用的分析方法要理论正确，方法步骤合理。监测资料整理分析的数据、成果和报告等严格遵循相关要求，认真执行验收校审制度，并及时整理归档。

表2 基坑监测频率

表3 钢板应力计日监测结果

(3)实用性。监测资料整理分析以解决工程实际问题为基本目的，不片面强调理论、模型和方法的先进完善，力求真实反映本工程支护结构及土体的变形特征。

(4)全面分析、综合评估。监测数据和相关资料的搜集充实完整，对监测资料成果认真进行对比研究，并采用多种分析方法作出比较和印证，以克服单项成果和单一方法的片面和不足。

6 结 语

(1)随着基坑开挖的持续进行，土压力缓慢增大，主要是因为开挖导致周边土体存在向基坑内部移动的趋势，但是由于支护结构的约束作用，土体的移动趋势受到抑制，进而引起周边土体的压力由主动土压力变为静止土压力，导致土压力数值增大。

(2)基坑内土体的开挖导致基坑侧向约束得以解除，孔隙水逐渐消散，孔隙水压力降低。随着基坑的不断开挖，基坑外土体在主动土压力作用下存在向基坑内变化的趋势，但这种趋势受到钢板桩的约束，致使土压力由主动土压力转换为静止土压力，因此，相应的孔隙水压力也将承担更大的静止土压力。

(3)钢支撑应力变化主要来自基坑开挖深度的变化。土体侧向压力和孔隙水压力对基坑围护结构压应力的变化，使各道支撑在不同阶段所受应力有所增大或减小。

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