天津港南疆复线公路桥工程11～14#桥墩基坑支护监测

2010-12-13运煦天津大学水运水利勘察设计研究所天津300072

天津科技 2010年6期

关键词：表层监测点土体

运煦（天津大学水运水利勘察设计研究所天津300072）

运煦（天津大学水运水利勘察设计研究所天津300072）

介绍了天津港南疆复线公路桥11～14#基坑支护工程的概况和施工要点，工程从外业观测到内业资料整理严格按照规范、规程进行，所取得的数据可靠合理，说明该项工程的基坑支护结构设计合理，施工顺序基本可行。

天津港南疆复线公路桥基坑支护监测

1 工程概况

天津港南疆复线公路桥位于渤海西岸海河入海口，天津港南疆公路桥和南疆铁路桥北侧，西端与津沽一线跨海滨大道相接，东端与南疆港区主干道南港路相接。该大桥和南疆公路大桥平行，两桥外边缘间距5 m，两桥承台高差3 m。基坑开挖时支护受到基坑外侧的土压力和地下水压力的共同作用，由于基坑位于软土地基，基坑开挖深度最深为-12 m，支护受到的荷载较大。为了适时、有效地监控基坑支护的受力状态，保障该工程的顺利实施，天津港南疆复线公路桥11～14#基坑支护工程采用拉森Ⅳ型钢板桩，设计桩长24 m。

本工程基坑开挖深度为-7.0 m（12#、13#基坑）、-4.0 m（11#基坑）、-3.5 m（14#基坑）。设计要求钢围囹采用双拼（11～14#基坑，第一、二道支撑）、三拼（12#、13#基坑，第三道支撑）、四拼（12#、13#基坑，第四、五道支撑）56b工字钢，钢对撑和角撑采用挖土双拼（11～14#基坑，第一、二道支撑）、三拼（12#、13#基坑，第三、四、五道支撑）56b工字钢，辅助撑采用36c工字钢，稳定支撑采用Ф140钢管。钢牛腿采用100 mm×100 mm、δ＝10 mm的角钢加工成三角架形式，悬挑长度为650 mm，一侧角钢与钢板桩焊接牢固，并在每支撑点设一处。基坑降水及清淤过程中采用分层降水。

基坑开挖：11#基坑2006年5月5日开始，于5月19日结束；12#基坑2006年4月28日开始，于5月16日结束；13#基坑2006年3月25日开始，于4月24日结束；14#基坑2006年3月29日开始，于4月26日结束。监测工作从2006年3月16日开始，埋设老桥桥墩沉降及位移监测点，以后随施工进度陆续埋设完成11～14#基坑表层位移监测点以及深层土体侧向位移测斜管，并且于3月17日至3月19日进行观测确定初值，3月21日开始观测（老桥桥墩沉降及位移监测），13#基坑3月22日开始观测；14#基坑3月25日开始观测；11#、12#基坑4月28日开始观测（包括表层位移及深层土体侧向位移），至7月15日结束。

2 监测点布设和仪器埋设

表层位移监测点共布设26点，以及沉降监测点（与老桥桥墩表层位移监测点为同一点，共4点）、深层土体侧向位移观测点。测斜装置有测斜管、测斜仪、数字式测读仪三部分组成，测斜管埋设在支护梁外侧，测斜管的埋设顶标高为+5.0 m，底标高为-25.0 m，共埋设12根。

3 观测方法

3.1 位移观测

控制测量采用导线测量方法，工作基点（TA、TB、TC三点）、位移监测点坐标测量严格按照二等变形测量要求施测。位移测量按一级导线精度要求进行观测，距离观测方法采用平距测量算术平均值测量模式，记录1组数据。

3.2 沉降观测

使用水准仪测量老桥桥墩各监测点高程，通过高程的变化计算各监测点的沉降量。位移及沉降观测数据取其数次平均值，作为各监测点的初始值。

3.3 深层土体位移观测

先将测头放入测斜管底，放置3 min，使测头温度与环境温度一致。测量每500 mm测读1次，沿位移正负方向各测读1遍。为保证监测工作连续、安全，同时采用两套同一型号仪器测定初始值，依据规程要求每一测斜导管的初始值将测3次，观测成果均取平均数值作为初始值。

3.4 位移计算

当测头的敏感轴与基准轴（地球的重力轴）有一个角度时，测头中的加速度计就有一个输出值，如下式所示：

式中：A为加速度计的偏值（零偏）；K为加速度计的标度因数；G为地球重力加速度；θ为倾角。

为了消除加速度计零偏的影响，在测试时采用正反两次测试，比如分别在东西方向上进行测试，可以先测试东方向上的数据，记作U1，再进行西方向上的测试，记作U2，将U1-U2得到式2：

式中：L为导轮轮距500 mm；ΔI为水平位移（单位：mm）；θ为倾斜角。

将式3代入式2可以得到：

对于一个测孔，在确定的方向上，各测试点的位移总和即为：

以上测量原理的描述见图1。

图1 测量原理图

量测的结果整理成水平位移变化曲线，反映各土层的水平位移情况。

4 观测成果及分析

4.1 表层位移观测

各监测点位移情况见表1～4（表中位移量单位为mm，位移量正号表示向基坑内侧，负号表示向基坑外侧）：

表1 11#基坑表层位移监测数据

表2 12#基坑表层位移监测

表3 13#基坑表层位移监测

表4 14#基坑表层位移监测

基坑开挖过程中，由于现场条件等诸多因素的影响，增加了监测的工作量和难度，基坑支护在开挖后变形较大，为了保证基坑的安全，基坑开挖过程中监测人员每天观测2次，至6月16日基坑支护逐渐趋于稳定，监测频率由每日2次降为每日1次，7月15日表层位移监测工作结束。

表层位移值比较大的为11#基坑J18（-537.1 mm）、J19（-450.4 mm）、J21（427.9 mm）、J22（405.8 mm）；12# 基坑J8（-23.0 mm）；13# 基坑 J1（135.6 mm）、J4（-145.7 mm）；14# 基坑 J13（90.0 mm）、J14（181.6 mm）、J15（109.7 mm）、J16（145.8 mm）。从11～14#基坑支护后期监测数据分析，11～14#基坑支护处于受控状态。

4.2 深层土体侧向位移观测

11～14#基坑深层土体侧向位移监测点的数据分析，基坑在抽水期间开始出现位移，在开挖过程中变化较大，特别是13#基坑，由于在前期打设钢板桩时，对周围的土体产生扰动，导致CX1#测斜、CX2#测斜变形较大，在11～14#基坑浇铸封底混凝土后，深层土体侧向位移监测数据分析，基坑基本处于受控状态。表5为各基坑深层土体侧向位移最大值（表中位移量单位为mm，位移量正号表示向基坑内侧，负号表示向基坑外侧）。

表5 各基坑深层土体侧向位移最大值

深层土体侧向位移监测频率与表层位移监测同步进行。

4.3 12#、13#基坑围囹及支撑应力观测

在施工过程中，为了确保12#、13#基坑支护安全，且判断下一步施工措施是否符合预期要求，设计要求对内部钢支撑应力进行监测，以随时验证结构的安全性。考虑到结构受力时，某些杆件承受较大内力，某些杆件截面积稍小，故在监测时将测点布于这些杆件上，且在每层同一点设置观测点进行监测。

应力监测由仪器监测得到的表面应变ε，以公式σ＝Eε（E为钢构件的弹性模量）求得表面应力σ，对比实测应力值与设计应力值，即可验证杆件是否满足强度要求，按设计要求，支撑应力不得超过材料强度设计值的0.95倍。

为满足测量精度要求，杆件应力监测使用BYB－100型表面应变计，采用标距100 mm，将仪器固定于被测构件上，分辨率≤0.2%F·S，温度为3～4 Hz/10℃，工作温度为-20～50℃，综合误差＜0.2%F·S，满足监测精度要求。BYB－100表面应变计用于测量钢性结构表面的应变，以钢弦作为传感元件。工作方式为单线圈间断脉冲激发式，与带有脉冲激发器的频率接收仪配合使用组成量测系统（测试时，频率检测仪功能键应转换至与其相符的工作状态），具有性能稳定、不受导线长度限制、抗干扰能力强、适用于长期观测等优点。读数采用ZX－12振弦频率检测仪，该检测仪是一种便携式液晶显示测量仪器。本仪器主要用于测量钢弦式传感器的钢弦振动频率。测试时配以温度计测量温度变化，对所测结果进行补偿，以降低由于温度变化导致的监测误差。

振弦式仪器通常包括固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力/应变等物理量，钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：

这里：F——钢弦的自振频率；L——钢弦的长度；M——单位长度钢弦的质量；T——钢弦的张力。

由于钢弦式应变计中钢弦在初始状态存在固定的震动频率，受力后频率发生变化，以振弦频率检测仪检测出前后的频率变化值，从而可求出钢弦的应变。这种检测方法容易实施，且精度满足要求，所以本次工程选用上述仪器在现场监测。

13#基坑围囹及支撑第二层于3月30日安装钢弦式应变计，第三道围囹及支撑钢弦式应变计于4月2日上午安装完毕。第四层围囹及支撑钢弦式应变计于4月8日、9日安装完毕，每天采集两次监测数据，分别为低潮时和高潮时。应力监测数据分析，13#基坑围囹及支撑最大应力点为第四层围囹3点，应力为-158.7 N/mm2（4月17日应力单位为N/mm2，“－”号为压应力，“＋”号为拉应力），处于设计控制范围内。支撑在支护中受力状态良好，未达到设计容许应力的0.95倍（设计容许应力为215 N/mm2）。

12#基坑围囹及支撑第二层于4月30日安装钢弦式应变计，第三道围囹及支撑钢弦式应变计于5月2日上午安装完毕，第四层围囹及支撑钢弦式应变计于5月9日、10日安装完毕，第五层围囹及支撑钢弦式应变计于5月15日安装完毕。每天采集两次监测数据，分别为低潮时和高潮时。应力监测数据分析，12#基坑围囹及支撑最大应力点为第二层围囹4点，应力为-131.1 N/mm2，处于设计控制范围内。支撑在支护中受力状态良好，未达到设计容许应力的0.95倍（设计容许应力为 215 N/mm2）。