干坞基坑双排灌注桩支护结构受力变形监测与分析

潘立文，韩宏军 ，孙文豪，张国梁

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.日照荣光建筑工程有限公司，山东 日照 276800；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；4.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；5.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461）

0 引言

随着我国经济的迅速发展和城市化进程的加快，城市空间日趋紧张，受高层、超高层建筑的大量建造及地铁隧道、特大桥梁和港口码头等大型基础设施的影响，深基坑工程的支护形式及变形控制成为重要研究课题。尤其是在城市建筑密集、周围管线纵横交错、周围环境要求苛刻的地区，超深超大基坑的开挖、支护、降水体系的安全稳定问题以及由此产生的周围地表及管网的沉降、建（构）筑物倾斜开裂等城市环境问题，使得基坑工程的设计施工成为工程建设中的难点、重点问题[1-4]。

双排咬合灌注桩结构是在双排桩支护结构的基础上发展起来的，具有整体刚度大、水平位移小、占用空间小、施工方便、速度快等优点，在基坑支护、船闸扩建及边坡加固等工程中获得良好的工程应用效果[1，5-6]。李立军[7]研究发现桩长是影响双排桩支护结构受力的主要因素；黄凭[8]对双排桩支护结构中垂直竖向锚索预应力进行分析，基坑变形控制效果与预应力正相关；申永江等[9]研究锚索双排桩与钢架双排桩的内力分布，结果表明锚索双排桩前后两排桩的内力分布差异十分明显，钢架双排桩前后两排桩的内力分布十分相近。

目前，关于双排咬合灌注桩支护结构体系研究并不多见，对现场实际变形监测数据的分析尤为少见，尤其在大连典型的临海回填土基础中双排咬合灌注桩支护结构的研究更为少见。本文结合大连典型临海回填土地层中大连湾海底隧道建设干坞工程采用的双排咬合灌注桩+锚杆支护结构体系，结合现场施工进度，分析施工监测数据，研究变形机理，总结变形规律，对双排咬合灌注桩支护结构体系在开挖过程中的风险进行有效控制。

1 工程概况

1.1 支护体系设计参数

干坞工程是为大连湾海底隧道建设工程配套建设的沉管预制场地，主要满足海底隧道沉管管节的预制、舾装和储存。其中干坞周边存在高耸烟囱，为避免烟囱受干坞开挖而破坏，降低干坞开挖对周边高耸建筑物的影响，此处坞壁设计支护体系以双排咬合灌注桩为主，辅以被动区土体加固处理及施加岩石锚杆，同时需要在施工过程中进行重点监测，该区域坞壁支护结构剖面图见图1。

图1 烟囱北侧区域双排灌注桩支护结构剖面图Fig.1 Section of double row cast-in-place pile support structure on the north side of chimney

该区域施工顺序如下：

1） 先进行被动区旋喷桩施工，其中旋喷桩φ500@450 格栅式布置。

2） 加固完成后将基坑开挖至导向槽底标高2.50 m，施工导向槽、双排桩、冠梁及连板，其中双排桩排距2.4 m，前排桩为φ1 000@1 500 荤素咬合灌注桩，后排桩为φ1 000@1 500 旋挖钻孔灌注桩，支护桩嵌入中风化岩层2.5 m，止水桩嵌入中风化岩层1 m。

3）分层直立开挖至-1.80 m，退台13.2 m。

4）分层开挖至中风化岩面-7.80 m，退台1.5 m。

5）按照1∶0.3 的坡率对中风化岩层分层爆破开挖至基底标高-12.45 m，并完成相应C20 喷射混凝土面板及钢筋锚杆施工。

1.2 工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，拟建场地地貌属于海漫滩，干坞部分目前已回填为陆地，陆地标高变化在2.68～11.25 m，地貌形态单一。根据区域地质资料，区域内广泛出露第四系全新统人工填土。根据现场钻探揭露，该地层自上而下为由碎石、黏性土及建筑垃圾组成②1杂填土，由粉煤灰、矿渣、碎石组成的杂填土②2及中风化白云岩⑤3，其中上部②1杂填土约4.6 m，②2杂填土约7.44 m，下部均为⑤3中风化白云岩，具体参见图1，其主要土层物理力学指标见表1。

表1 土的物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of soil

2 桩身应力及变形监测

干坞基坑周边为施工通道，局部位置存在热电厂、高耸烟囱等建筑物，对基坑开挖过程中支护结构及周边地表的变形要求较高，因此对该位置进行深基坑支护结构受力变形监测非常重要。

为了准确、客观地反映双排桩结构在工程中的受力变形情况，探究双排桩支护的受力变形规律，对热电厂和烟囱附近的双排桩进行桩身水平位移监测及桩身内力监测。传感器布设原则为：自桩顶沿桩身以下4 m，每1～2 m 布置一个桩身内力观测断面，最下层观测断面距桩底不大于1 m，单桩共布设6 个断面，每个断面的受压侧和受拉侧分别布设一个传感器进行同步观测。对同一桩，沿桩底布设测斜管用以监测桩身水平位移。实际桩身应变计测点安装位置及桩身水平位移预埋管安装位置见图2，现场典型监测布设见图3。

图2 双排灌注桩监测仪器布置图Fig.2 Layout of monitoring instruments for double row cast-in-place piles

图3 现场典型监测布设图Fig.3 Typical site monitoring layout

3 监测结果分析

本区域基坑工程于2017 年10 月自北向南开始进行基坑支护、开挖，双排咬合灌注桩支护结构于2017 年12 月完成施工，随后开始分区段进行土方开挖，于2018 年4 月开挖至中风化白云岩，然后进行爆破开挖，于2019 年3 月开挖至基底标高。

3.1 桩身内力分析

通过应变计直接测得双排灌注桩桩身内力（监测点N2 和N3），在干坞开挖至中风化白云岩及基坑底标高时内外两排灌注桩桩身应力监测数据见图4。由图4 可以看出，对于双排灌注桩，整个施工过程中前排桩桩身内力较后排桩均较小，后排桩有效的对侧方土压力起到支护作用。随着干坞开挖的进行，前后两排桩桩身内力均增大。双排灌注桩桩身内力存在较为明显的转折点，转折点位于物理特性相差较大的不同土层（中风化白云岩与杂填土）交界面。

图4 开挖过程双排灌注桩桩身内力曲线图Fig.4 Internal force curve of double row cast-in-place pile during excavation

3.2 桩身深层水平位移分析

双排灌注桩深层水平位移监测数据见图5。从图中可以看出，随着干坞基坑开挖深度的不断增加，桩体水平位移都在逐渐增大。其中，前排桩S12 开挖阶段最大桩身水平位移为1.8 mm，位于桩顶，桩顶以下2～3 m 桩身水平位移均与桩顶水平位移相近，S12 桩身深层水平位移开挖期间位移最大变化率为1.3 mm/d，进行底板的浇筑后，桩身水平位移变化幅度减小并逐渐趋于稳定。后排桩S13 开挖阶段最大桩身水平位移为1.9 mm，位于桩顶以下6.5 m 位置，开挖期间位移最大变化率为1.1 mm/d，开挖深度越大，桩身深层水平位移变化越快，进行底板的浇筑后，桩身水平位移变化幅度维持一段时间后减小并逐渐趋于稳定。桩身深层水平位移S12 和S13 监测点最大位移与变化率均小于设计要求的30 mm 与2 mm/d，表明干坞基坑支护方案可行，坞壁在施工过程中处于安全稳定状态。

图5 施工过程中双排灌注桩深层水平位移变化曲线图Fig.5 Variation curve of deep horizontal displacement of double row cast-in-place pile during construction

由图5 可以看出，前后两排桩的桩身变形存在显著差异，前排桩类似在单排桩上部桩加设支撑，桩体最大水平位移尽管发生在桩顶，但沿桩顶以下2～3 m，桩身水平位移相近，通过图5 发现，桩顶以下深度4 m 时，桩身内力已减弱接近零值，与桩身变形一致。后排桩受力状态类似于在桩顶添加坑外方向预拉力，桩顶存在反方向的水平位移，桩身水平位移存在3 个较为明显的弯折点，双排灌注桩的使用有利于后方土体的表观质量。

由图5 可知，对于桩顶水平位移，前排桩受力变形大于后排桩受力变形；对于桩中水平位移，前排桩受力变形远小于后排桩。从整体看，后排桩受力变形效应更明显。

监测结果显示，随着基坑土方开挖深度及施工工况的变化，前排桩向坞内方向的水平位移逐渐增大，且桩身上部水平位移大于下部水平位移，符合一般基坑土体变形的规律。

4 结语

本文对大连海底隧道干坞基坑项目的双排灌注桩坞壁支护结构进行了详细的监测记录与分析，得出以下结论：

1）本工程采用了双排咬合灌注桩支护结构，通过对后期监测资料进行分析，证明该方案是切实可行的，该支护体系变形较小，能有效限制后方土体变形，保护周边的热电厂、高耸烟囱等建筑物。

2）双排灌注桩桩身内力存在较为明显的转折点，转折点位于物理特性相差较大的不同土层交界面。

3）双排灌注桩前后两排桩桩身变形存在显著差异，前排桩变形类似单排桩，后排桩存在3 个较为明显的弯折点，后排桩整体受力变形较大。