龙门吊移动荷载下土岩组合地层基坑变形监测与分析

2018-11-07杨晓华

铁道建筑 2018年9期

杨晓华

(中国铁建投资集团有限公司,广东珠海 519000)

具有上部土层下部岩层地层结构的基坑称为土岩组合基坑。青岛地区典型地质结构表现为上覆土层与下伏岩层的厚度与刚度差异大。上覆土层性质不同且常含有地下水，下伏岩层深度变化不均一，岩体风化程度差异大甚至存在岩体断层及破碎带，部分岩层含有承压水。当前已有一些针对土岩组合地层基坑工程的分析。刘江[1]对采用盖挖法施工和吊脚桩支护的青岛地铁3号线五四广场站基坑进行了数值计算和现场监测，研究了基坑上方盖板和中央钢管混凝土柱对控制基坑变形的作用。邓舒等[2]采用等值梁法分析了基坑边侧土压力，提出钻孔灌注桩与预应力锚杆结合作为基坑围护结构形式。谢鹏[3]对青岛地铁R3线嘉年华站基坑的变形和地下水位进行了监测，提出滨海环境地铁深基坑施工需加强地下水位监测预警的建议。黄敏、刘红军等[4-6]采用有限元方法研究了青岛地区典型桩锚支护结构，提出采用吊脚桩加锚索支护体系可控制基坑变形及减少工程造价。杨晶海[7]分析了青岛市李沧区地铁基坑工程的桩体位移监测数据，采用信息化施工使基坑安全可控。祝文化等[8]采用数值模拟方法得出土岩基坑的变形规律。

龙门吊具有大宽度、作业空间大、占地面积小、带荷载行走等特点，应用于狭窄场地明挖法地铁车站施工领域，在土岩组合地层的地铁车站基坑施工中首选作为吊用设备和架设支撑。一般龙门吊轨道铺设于基坑支护后排桩冠梁上，离基坑较近且带载行走，对基坑安全施工产生影响，因此做好有龙门吊移动荷载下土岩组合地层基坑变形监测非常重要。目前关于龙门吊移动荷载对基坑支护结构变形的分析尚未见全面和深入的报道。

本文结合青岛地铁苗岭路站现场条件及监测数据，对龙门吊作业期间基坑坑周土体沉降、围护桩侧移、桩顶水平位移、桩体沉降、建筑物基础沉降和锚杆内力特征予以分析，讨论在龙门吊移动荷载下基坑围护结构受力变化规律，为基坑支护设计和施工提供依据。

1 工程概况

青岛地铁苗岭路站是蓝色硅谷R1线与地铁2号线的换乘车站，为地下三层侧式站台车站。车站长约172 m，宽25 m。车站基坑深23 m，属于狭长型基坑，基坑两侧建筑物密集。基坑南侧为已建成的28层青岛国际发展中心和在建的28层金岭金融广场，基坑北侧为金岭花园小区和在建的27层的青岛财富金融中心。本车站基坑距离南侧正在施工的金岭金融广场深基坑8.32 m，距会展中心地下室最近处仅8 m，距北侧的金岭花园小区浅基础7.5 m。

基坑地层属于典型土岩组合结构。上部土层为厚 0.8～3.2 m的第四系全新统人工堆积素填土；下部岩层为燕山晚期粗粒花岗岩，部分地段穿插有煌斑岩、细粒花岗岩、花岗斑岩等岩脉。构造破碎带、碎裂状花岗岩局部发育，强风化花岗岩厚度为7.3～9.7 m，中风化花岗岩厚度为1.4～6.2 m，下伏微风化花岗岩。基岩面起伏较大，风化混合岩层面出露较高。

由于施工场地狭长且周边条件复杂，施工中采用横跨基坑的龙门吊运输设备。龙门吊自身质量为25 t，额定荷载为10 t，起升高度为40 m，移动速度为0.33 m/s。其轨道梁厚度为0.4 m。2015年1月基坑开挖，2016年5月开挖至基坑设计底面，施作接地网，铺设基底垫层混凝土，安装龙门吊运输设备。

2 现场监测

龙门吊轨道梁直接铺设在基坑支护后排桩冠梁顶端，基坑围护结构在龙门吊移动荷载作用下会产生动态响应，影响基坑的安全性，因此，开展移动荷载作用下土岩组合地层深基坑支护结构变形监测非常重要。

基坑围护结构采用微型钢管桩与喷锚相结合的支护方式，上部钢管桩桩长为12 m，桩径为0.168 m，壁厚为0.005 m。下部钢管桩桩长为14 m，桩径及壁厚与上部相同。上部钢管桩通过冠梁联结下排钢管桩，钢管桩内部灌注水泥砂浆，外部设置钢筋混凝土面层以及腰梁。基坑围护结构平面布置见图1。

图1 基坑围护结构平面布置

B支护单元邻近基坑南侧在建的高层建筑金岭金融广场的建筑基础，选取接近基坑南侧建筑物的基坑相应监测点进行分析。监测点位布置见图2。

图2 监测点位布置

3 监测数据分析

3.1 坑外地表沉降分析

基坑施工过程中地表沉降监测点DC02-13，DC02-14，DC02-15的沉降变形规律见图3。

图3 地表沉降变化曲线

由图3可见：基坑工程施工中地表测点沉降变化幅值最大为12.11 mm，在设计要求规定的20 mm沉降控制值之内。DC02-15在2016年出现向上位移，是由于本测点位于车站基坑与建筑物地下室外墙的有限岩土体表层，受到基坑爆破开挖和施工机械的扰动所导致。

图4为龙门吊运行前后的地表沉降监测数据。可见：龙门吊移动荷载一定程度上加大了地表沉降，但影响幅值在1 mm之内，工程实际中为了减小移动荷载对基坑边地表沉降的影响，建议合理控制龙门吊负荷及移动速度。

图4 龙门吊运行前后地表沉降对比

3.2 桩体侧移分析

围护桩桩体测斜点CX06最接近地表沉降监测点，分析2016年5—10月间龙门吊移动荷载作用下的桩体测斜数据，得到桩体侧移曲线，见图5。可见，基坑开挖过程中，坑内岩土体卸荷导致围护桩体两侧土压力不对称，桩后主动土压力使围护桩向坑内方向变形。图中桩顶变形出现拐点是由于实际工程中对桩顶进行了加固，桩顶与冠梁连梁同岩土体组成整体，桩顶处施加的一道锚杆也较大程度减弱了桩顶的变形。

图5 CX06桩体侧移变化曲线

3.3 桩顶水平位移分析

图6 QW04桩顶水平位移变化曲线

桩顶水平位移(监测点QW04)变化曲线见图6。可见：施工开始时，围护桩桩顶水平位移接近6 mm，2016年5月份施加龙门吊荷载后，桩顶水平位移变化趋于平稳，位移值在5.5 mm左右波动。这与桩体测斜监测点CX06桩顶水平位移基本吻合。

3.4 桩体沉降分析

围护桩通过锚杆及腰梁与桩周土体在空间连为一体，围护桩的竖向位移可反映坑底岩土体的隆起程度。施工中监测点QC04处桩体竖向位移变化曲线见图7。

图7 QC04桩体竖向位移变化曲线

由图7可见，基坑开挖初期由于桩周土体不断卸荷，桩体最大沉降量为1.81 mm。开挖至下伏岩层，岩土体应力释放使得坑底出现回弹隆起，坑底岩土体受力传递到桩周土层带动围护桩轻微上浮，桩体上浮最大值5.17 mm。桩端持力层为微风化岩层，刚度较大，因此围护桩不会发生刺入式破坏。

3.5 邻近建筑物沉降分析

基坑主体结构南侧在建的金岭金融广场为地上28层框架结构，地下三层筏板基础。基坑开挖土体卸荷及围护结构向基坑内侧移会引起围护桩与金岭金融广场地下室外墙之间有限岩土体沉降变形。建筑物基础沉降监测点沉降变化曲线见图8。

图8 邻近基坑的建筑物基础沉降变化曲线

由图8可见：基坑开挖过程中监测点JC02-05整体先上浮再沉降，最后趋于平稳值-0.70 mm。监测点JC02-03与JC02-04整体先沉降再上浮，最终分别趋于稳定值0.86 mm和-1.06 mm。这是由于基坑开挖初期围护桩向坑内侧移导致桩体与地下室外墙之间有限岩土体应力释放，引起JC02-03与JC02-04出现沉降，而JC02-05位于建筑物拐角处，基坑边角效应制约了其沉降趋势。施工后期，由于地下室肥槽回填和采取注浆加固等措施，各监测点最终趋于稳定值。

3.6 锚杆内力分析

基坑围护结构上排钢管桩通过锚杆与坑边岩土体连接，锚杆水平间距为2.0 m，竖向间距为1.5 m。通过注浆工艺增大锚杆与周围岩土体的黏结度，提高锚杆承载力。锚杆作为主动受力结构，有效约束了桩体侧移，控制围护结构向开挖侧偏移。锚杆监测点ML02-01-01处在施工过程中内力变化曲线见图9。

图9 ML02-01-01锚杆内力变化曲线

由图9可见：从基坑开挖初期至2015年11月，锚杆内力在小范围缓慢波动。2015年11月—2016年5月，锚杆锚固段随着桩周土体沉降发生下沉，锚杆内力增加速度较快，最大值为63 kN。2016年5月龙门吊开始工作后，围护结构在龙门吊移动荷载作用下产生较大动态响应，桩体侧移增大，桩周土体沉降加剧，引起锚杆内力急剧增长，最大值为119 kN。该值小于锚杆设计要求的162 kN 承载力。