洞桩法车站施工边桩及中柱应力应变监测及受力分析

王金明，张子真，孙玉辉，陈昌彦，2

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038； 2.北京市道路与市政管线地下病害工程技术研究中心，北京 100038)

1 引 言

目前我国城市地下交通正处于高速发展时期，1965年7月北京开始修建我国第一条地铁，1969年10月建成，采用明挖法施工，线路全长 22.2 km。北京地铁2号线于1969年建成通车，全长 19.9 km。随后，天津、上海、广州一线、二线、三线城市陆续开展地铁建设。截至2017年12月31日，中国内地累计有34个城市建成投运城轨线路 5 021.7 km；2017年新增石家庄、珠海、贵阳、厦门4个运营城市；北京地铁运营里程达到 684.4 km，上海达到 731.37 km，预计到2020年，北京地铁运营里程达到 1 000 km。地铁车站常采用的施工方法有明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法等，洞桩法是近年来发展起来的一种新型浅埋暗挖法，又叫PBA法，它借鉴了浅埋暗挖法、盖挖法以及框架结构形式的优点，通过小导洞、钻孔灌注桩与扣拱等比较成熟的施工技术，将桩柱、梁、拱等结构形式引入到地铁车站结构中，构成桩梁拱支撑体系。PBA工法可以适应复杂地质条件，能有效控制自身结构沉降，减少对周边环境的影响[1～4]。

本文采用现场监测的方法对单桩顶压力(包括边桩、中柱)，边桩桩体钢筋内力及混凝土应变进行监测，研究单桩所受荷载作用大小(竖向和侧向)、边桩在开挖过程中受力变化规律、边桩在开挖过程中变形、并确定边桩桩侧摩阻力大小及总结单桩在上部荷载作用下的应力传递和作用规律。

2 工程概况

北京地铁某车站全长336 m。车站西端 21.2 m范围为三层双跨框架结构，采用明挖法施工；其余主体结构段均为地下二层双跨连拱直墙结构，采用暗挖单层导洞洞桩法施工。二层双跨暗挖段覆土深度约 9.5 m。地面至桩基底端地层物理力学性质参数如表1所示，场地水文地质条件分布情况如表2所示。

地层物理力学性质参数 表1

场地水文地质条件 表2

车站结构总高度17.5 m，边桩直径 1 m，桩中心距为 1.3 m，中柱桩基直径 1.8 m，桩中心距为 6 m，车站底板以下为卵石⑨层，边桩和中柱桩基嵌固深度分别为 11.5 m、10 m。桩基平面布置如图1所示。根据设计资料，在荷载效应标准组合作用下边桩单桩竖向承载力Nk为 3 070 kN，强度约为 4 MPa，边桩极限承载力为 11 522 kN，强度约为 14.7 MPa；中柱桩基竖向承载力Nk为 15 600 kN，强度约为 6.1 MPa，中柱桩基极限承载力为 32 196 kN，强度约为 12.6 MPa。

图1桩基平面布置图

本监测段采用暗挖单层导洞洞桩法施工，标准断面如图2所示。

图2 暗挖标准断面图

其施工步序如图3所示。

图3 洞桩法车站施工步骤

第一阶段：开挖小导洞。

第二阶段：边导洞内施工边桩和冠梁，中导洞内施工中间桩和钢管混凝土柱。

第三阶段：中导洞内施工顶纵梁和部分顶拱结构，边导洞内施工扣拱初支，回填初支背后。开挖小导洞间扣拱，凿除小导洞初支，施工二衬扣拱。

第四阶段：开挖站厅层土方，施工中板和负一层侧墙，开挖站台层土方，施工底板和负二层侧墙。

3 现场监测设计

3.1 监测项目设计

现场应力应变监测包括边桩顶及中柱顶压力、边桩桩身钢筋内力、边桩桩身混凝土应变等监测[5，6]。监测点位设计如图4所示。

图4 主测断面传感器布置图

3.2 监测方法

(1)边桩、中柱顶压力采用振弦式及光纤光栅式压力计监测。压力计安装方法：先将桩顶浮浆凿除，铺填一层砂浆找平，再铺 20 mm厚细砂，将压力计放在细砂上，再铺 20 mm厚细砂层将其覆盖，最后铺填砂浆找平。现场监测安装如图5所示。

图5 振弦式压力计

(2)边桩桩身钢筋内力采用振弦式钢筋计监测[7]，现场监测设备如图6所示。钢筋计按照设计位置进行安装，与边桩主筋采用焊接(或机械连接)，若焊接可采用帮焊，焊接长度为 10 d(d为钢筋直径)。在焊接钢筋计时，为避免热传导使钢筋计零漂增加，造成对钢筋计的损坏，需要采取冷却措施，用湿毛巾或流水冷却是常采用的有效方法。

图6 BGK4911型钢筋计

(3)边桩桩身混凝土应变采用振弦式应变计监测，安装方法：选取迎土面和背土面纵向主筋为传感器安装钢筋，传感器与钢筋之间垫边长为 30 mm的混凝土块，用火烧丝绑扎牢固，将电缆线圈沿钢筋笼内侧顺延到顶部引出，并及时保护，如图7所示。

图7 桩混凝土应变计安装

4 受力变化规律分析

4.1 边桩顶压力分析

在边桩顶共布设5个断面，其中断面五为主测断面，每根边桩顶布设2支压力计，其余每根边桩顶均布设1支压力计。测点1616331号监测曲线如图8所示。

图8 桩顶压力时程曲线

桩顶压力变化主要发生在初支凿除至站厅层土方开挖阶段，开挖结束后，受力体系发生变化[8]，桩顶压力有所回落。

冠梁及假拱施做对桩顶压力影响较小；初支扣拱期间，桩顶压力急剧增大；二衬扣拱期间、站厅层土方开挖及结构施工阶段，桩顶压力明显增大。根据设计计算边桩施工至地下一层二衬结构施工完成时桩顶附加荷载为 2 373 kN，边桩直径 1 m，强度为 3 MPa，实际监测值略小于计算值。

4.2 中柱压力监测分析

在中柱共布设5各断面，每根中柱顶布设1支～2支压力计，其中断面五确保布设2支压力计，测点B4-46监测曲线如图9所示。

图9 柱顶压力时程曲线

扣拱开挖阶段，中柱的压力上升，主要是初支扣拱将上覆土荷载向拱脚处传递所致。初支凿除阶段，是受力转换阶段。以前小导洞初支会承受一部分竖向荷载，将它凿除后，荷载全部转移到扣拱上，将柱顶压力增大。边桩的压力比中柱压力小，扣拱压力向拱脚处传递，边桩数量更多，受力面积更大，而中柱的压力由顶纵梁传递来，在柱顶集中，因此中柱的压力明显比边桩高。根据设计计算中柱施工至地下一层二衬结构施工完成时柱顶附加荷载为 15 186 kN，中柱直径为 1.8 m，强度为 6 MPa，实际监测值略小于计算值。

4.3 边桩钢筋内力监测数据分析

断面五边桩钢筋计布设位置如图10所示，监测数据曲线如图11所示。

图10 A轴边桩钢筋计安装位置

图11 迎土侧钢筋计内力时程曲线

钢筋计安装后相当长的时间内，受力变化并不大，在 10 kN以内。此时边桩所受荷载主要从冠梁传递，扣拱开挖、小导洞初支凿除和二衬扣拱施工，均会不同程度地增加冠梁上的荷载，但冠梁下荷载会分两部分传递，一部分通过小导洞底板向地层传递，另一部分则传递给了桩顶，由于桩周土侧摩阻力的作用，桩顶承担的荷载向下逐渐向周边土层传递，这样，桩身内力随深度是递减的。边桩另一个受力比较大的时期，是大主体开挖。此时桩不仅承受竖向荷载，更要承担侧向荷载，通过弯矩抵抗土压力[9，10]。土方开挖时，需要凿除桩顶处的浮浆和桩侧侵入车站方向的桩身保护层，测线和传感器很容易被凿坏。

4.4 边桩混凝土应变数据分析

断面五A、C轴边桩沿桩身布置混凝土应变计，其位置如图12所示，监测数据曲线如图13所示。

图12 边桩混凝土应变计安装位置

图13 A轴边桩混凝土应变时程曲线

边桩同一深度处，迎土侧和背土侧的应变是不一样的，根据迎土侧和背土侧应变数据，可计算出桩身纵向应变和桩身轴力。桩身轴力分布如表3所示，从图14中可以看出，随施工进行，C轴边桩压力一直呈增大趋势。

计算桩侧摩阻力分布，如表4所示，桩侧摩阻力分布如图15所示。

C轴边桩桩身轴力(单位/kN) 表3

注：受拉为正，受压为负。

C轴边桩桩侧摩阻力(单位/kPa) 表4

注：向上为正，向下为负。

图14 C轴边桩轴力分布图图15 C轴边桩桩侧摩阻力分布(单位/kPa)

桩身混凝土应变整体呈受压状态，利用桩身应变可计算桩身轴力和桩侧摩阻力。轴力均为压力，且随施工进行，压力逐渐增大。C轴边桩 0.5 m～1.75 m深度范围内，在扣拱开挖完成之前，出现了负摩阻力，可能与后注浆施工及地层有关，在打桩阶段受到比较大的超静水压力，之后又逐渐消散，与地层固结压缩有关。桩侧摩阻力随工程进展，逐渐增大。

5 结 论

本文通过北京某地铁车站边桩、中柱结构应力应变监测和数据分析，系统地研究了洞桩法(PBA)施工各关键工序受力分布特点及变化规律，验证了理论计算参数选取的合理性，主要结论如下：

(1)边桩顶和中柱顶压力随扣拱开挖、初支凿除等发生了明显的变化，主要和初支扣拱的荷载传递有关。站厅层土方开挖阶段以后，桩顶压力变化不大。

(2)边桩顶和中柱顶压力实测和理论结果相比，边桩实测值为理论计算值的0.75倍，中柱为0.98倍，验证了设计参数的合理性。

(3)桩身钢筋计内力，在土方开挖前，变化并不大。主体开挖阶段受桩顶冠梁传递的荷载影响，内力明显增加。

(4)桩身混凝土应变计，可以获得桩身不同位置的应变规律，也可以获得桩身轴力的变化规律，从而推导出桩侧摩阻力的变化规律。在大主体开挖之前，桩侧摩阻力会抵销掉一部分桩身轴力，使轴力随深度递减。