某地铁深基坑支护体系内力与变形监测结果分析

某地铁深基坑支护体系内力与变形

监测结果分析

肖武权　冷伍明　律文田

(中南大学土木建筑学院　长沙　410075)

　　摘　要:对某地铁深基坑支护结构内力与变形监测结果进行了分析。监测结果表明,施加的锚杆预应力有10%～25%的损失,在开挖过程中锚杆轴力有一定程度的增加(约10%左右)。钢支撑的轴力随开挖深度的增加而增加,轴力大小变化与基坑开挖方式、速度及下层支撑的逐一拆除有关。支护桩体的变形随桩深、支撑条件变化而变化。基坑顶部的水平位移以坑壁最大,靠端部位移较小。　　关键词:深基坑支护　施工监测　位移与内力

ANA LYSIS OF MONITORING RESU LTS OF INTERNA L FORCE

AN D DEFOR MATION OF SUPPORT SYSTEM FOR A SUBWAY DEEP EXCAVATION

X iao Wuquan 　Leng Wuming 　L üWentian

(School of Civil Engineering ,Central S outh University 　Changsha 　410075)

Abstract :The m onitoring results of the internal force and displacement of support structure for a subway deep excavation are analyzed.The prestress loss of the anchor is in the range of 10%～25%,with about 10%increase in the axial force of the anchor during the construction.The axial force of steel prop increases with the increment of the excavation depth.And the value changes with the variety of excavation m ode ,velocity and dismantlement of the underlying props in order.The horizontal displacement of the retaining pile body is related to the pile depth and supporting condition.The deformation of the earth surface is the largest in the middle and the smaller at the end.

K eyw ords :supporting system of deep excavation 　construction m onitoring 　displacement and internal force

第一作者:肖武权　男　1962年7月出生　博士　副教授收稿日期:2003-10-18

　　深基坑支护结构的位移与内力监测是确保基坑

施工安全的重要措施,也是进行信息化设计和施工的前提。本文以深圳地铁某深基坑支护结构的位移和内力监测资料为依据,分析和探讨了位移与内力大小的变化规律。1　工程概况

研究地区为深圳地铁罗湖站安全线深达近21m

的基坑,平面上与同时施工的深圳火车站皮带廊基坑(开挖深7m )部分重叠(如图1),围护结构安全等级为一级。从地表往下主要地层有:1)松散杂填土层,厚为1～215m ;2)淤泥质土层,厚015～2m ;3)粉砂层,稍密,厚为0～215m ;4)中粗砂层,中密,厚2～6m ;5)强、中风化砂岩。地下水位在地表以下2～3m 。设计的基坑支护体系由两部分组成:围护桩与

支撑体系,围护桩为人工挖孔钢筋混凝土灌注桩,桩径为112m ,护壁厚度0115m ,桩间距为115m ,桩长在EFGH 段为25m ,与皮带廊基坑重叠部分ABC DE 段

的支护桩桩顶在原地面以下6m ,为19m 。ABC DE 段

支撑由三道钢支撑组成,而EFGH 段由一排锚杆和

三道钢支撑组成。地表下215m 处为一排土层锚杆,平面上锚杆间距为115m ,锚杆直径28mm ,倾角30°;锚杆下为三道钢管内支撑,钢支撑外径600mm ,壁厚16mm ,分对撑与斜撑两种。平面上钢支撑(对撑)间距为310m ;竖直方向上,第一道钢支撑距锚杆为312m ,第一、二道和第二、三道之间距分别为613、515m ;第三道支撑与基坑底距离为315m 。

支护体系变形与内力监测布置如图1所示。2　支护体系内力与变形监测结果分析211　锚杆轴力

锚杆轴力的监测是通过焊接在锚杆钢筋上并代替该段锚杆工作的钢筋应力计来实现的,用频率仪对锚杆进行应力监测。在锁定以后,锚杆施加的预应力(100kN )均有不同程度的损失,损失率一般在10%～

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Industrial C onstruction 2004,V ol 134,N o 19

工业建筑　2004年第34卷第9期

1-锚杆;2-地铁基坑;3-钢支撑;4-皮带廊基坑

○基坑顶位移和沉降测点;■钢管支撑轴力;

锚杆轴力;●测斜和桩身应力孔图1　地铁深基坑施工监测点平面布置示意

25%,如图2所示。分析原因是目前张拉和锁定的工

艺不是很合理,应通过超张拉与改进锁定工艺等手段

来弥补和减少预应力的损失,使每根锚杆都发挥应有的作用。当锚杆锁定后,测得的应力变化很小,基本处于稳定状态;但随着基坑的开挖,锚杆应力有所增加,但增加不多,一般为10%

左右。

———◆———M1;———■———M2;———△———M3图2　实测锚杆轴力变化与时间关系曲线

212　钢支撑轴力

钢支撑轴力的监测是通过测量贴在钢管上下左右

4个表面的应变计的频率算术平均值计算而得。当钢支撑受力以后,引起了贴在钢管支撑表面的应变计频率的变化,用振弦式检测仪可以测出频率的大小。监测结果表明,随着开挖深度的增加,支撑轴力均为上升,如图3、图4所示。

这主要是坑内土体挖

　———◆———E4-1;　———■———E4-2

(E4-1、2分别为第一、二道钢支撑)图3　实测钢支撑(E4)轴力与时间关系曲线

———◆———E7-1;———■———E7-2;———△———E7-3(E7-1、2、3分别为第一、二、三道钢支撑)图4　实测钢支撑(E7)轴力随时间变化曲线

除后,支护桩体在桩背土体荷载作用下向坑内移动,引起侧压力的增加,但所有轴力的变化都没超过报警值(2600kN )。在施加第一道钢支撑后,随着土方的开挖,该支撑的轴力不断增加;在第二道钢支撑施工完后,随着土方的开挖,第一道钢支撑的轴力增加的幅度减小,而第二道钢支撑的轴力增加的幅度却很大,如图3中E4-2的增加大于E4-1。同样在

施工完第三道钢支撑的时候,第一、第二道钢支撑的轴力增长速度缓慢,有的甚至略有减少,而第三道钢支撑轴力增长速度却很大,如图3中E7-3。根据监测结果分析,相应工况对应的钢支撑轴力影响最大,在进行垫层及底板施工时,各道支撑轴力继续增加,且以最下层支撑(如图4中的E7-3)增加最大。在浇筑垫层及底板后,由于坑底荷载(相当于215m 厚原土柱)的增加致使坑底附近墙体会有不同程度回弹,而支撑处的墙体向基坑内移动,表现为支撑轴力有所增加。当钢支撑拆除时,还未拆除的钢支撑轴力增加,如图4中在E7-3拆除后,E7-2、E7-1分别比E7-3拆除前增加了410、225kN ,所以在拆除时要选择适当的拆除方案,保证基坑的安全,并加强支撑轴力的监测。

蒋洪胜等在研究某车站基坑支撑轴力监测资料时发现,在开挖深度为三道撑的情况下,临近开挖面的第三道支撑的轴力及第二道支撑的轴力随时间在增长,而第一道支撑的轴力在降低,在开挖深度为四道撑及最后开挖至坑底的情况下,临近开挖面的第四道支撑的轴力及第三道支撑的轴力随时间在增长,而远离开挖面的第一、二道支撑的轴力在降低,在进行垫层及底板施工时,各道支撑轴力继续增加或基本不变

[1]

。其结论与本次观测结果类似。

支撑轴力的大小及变化与挖土时机及速度有很大关系。下层土体开挖时支撑轴力会有明显增加,且各道支撑轴力又发生调整。某层支撑下挖土顺序不仅影响该层支撑轴力的均匀性,而且随着土压力的重分布与支撑分担的土压力变化,上部各层支撑

轴力的大小表现出不均匀性。213　支护桩体变形

总的来说,随着基坑开挖的进行,支撑桩体的变形逐渐增加,但都没有超过警戒值。

支护桩体的变形大小与桩体部位有关,越靠近桩顶,变形越大,两支撑的中间位置变形较大,桩底基本无变形发生,因此,支护桩底可看成固定端。

支护桩的变形与工况及是否及时支撑有关,在基坑施工过程中,每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸、围护墙无支撑曝露面积和时间等施工参数对基

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工业建筑　2004年第34卷第9期

坑变形具有明显的相关性。随着基坑开挖的进行,桩体变形逐渐增大,在基坑开挖至设计标高后,桩体变形达到最大值,随着支撑的施工,其变形部分恢复。基坑开挖时能按设计要求及时进行支撑,则能大大减少桩体的变形。比较图5、图6可知,EF25墙体位移最大值(512mm )要大于D1D13(316mm ),是因为EF25在开挖到第二道支撑位置及以后,未能及时支撑。墙体位移是随开挖发展的,超挖将导致墙体在支撑安设之前产生超量的位移。该位移一旦产生,通过施加预应力既不能使其完全恢复,也不能减少因墙体位移而引起的地面变形。日本东京某工程对支撑的及时性效果作过试验,试验表明:未及时支撑的墙体其最大水平位移可达3cm ,而及时支撑的

墙体其最大水平位移为1cm [1]

。另外,支撑设置后必须迅速施加轴力,这不但能保证支撑顶紧墙体,减少墙体侧向位移量,而且改善了墙受力条件

。

———◆———01112108;———■———01112110;———△———01112113;———Ε———01-12-19;———|Ε———01-12-26;———●———01-12-30;

———ξ———02-1-8;———■

———02-1-8

(图例为观测日期)

图5　D1D13累计位移-

深度关系曲线

———◆———01112107;———■———01112111;———△———01112115;———Ε———01112120;———|Ε———01112128;———●———01112131;

———ξ———02101105

(图例为观测日期)

图6　EF25桩身位移-深度曲线图

桩体的变形有正(向基坑方向)有负(背基坑方向),这说明一方面支护桩是弹性桩,桩体发生弹性变形;另一方面,支撑施加预应力和上、下层支撑受力的差别也是不同变形大小和性质的原因。214　基坑顶水平位移

根据基坑顶(支护桩坡顶)的水平位移监测数

据,绘出了水平位移变化较大的基坑东边(EF 段和GH 段)的位移和沉降随时间的变化图,如图7所示。

基坑顶水平变形主要有以下几个特点:

1)总体看来,基坑边长越长,水平位移最大值越大,如EF 段的水平位移最大值(8mm )大于GH 段水平位移最大值(3mm )

。

1-2002年1月26日开挖到设计标高时的水平位移;2-2002年2月22日最后一次测量的水平位移

图7　实测基坑顶水平位移图

2)基坑顶中间部位位移最大,而端部位移最小,

说明端部位移受到约束作用。大量的工程实践证

明,深基坑坑壁范围的土压力与位移均大于两坑壁一定范围内的土压力与位移值,这是因为在深基坑两端壁处存在显著的空间效应,抑制了其相邻区的土压力与位移的发展,深基坑三维有限元数值

计算也证实了这一点[2,3]

。而在折线形的阳角处(G 点)位移较大,这是由于阳角处的受力比较复杂,是

应力集中和最薄弱部位[4]

。

3)随着基坑的开挖,基坑的变形明显增大。到2002年2月22日(开挖到设计标高),基坑最大水平位移为810m m;尔后,基坑位移渐趋稳定,至地下室施工完成,最大水平位移为10m m ,小于设计警戒值(30m m )。

3　结　论

1)施工的锚杆有预应力损失,损失率一般在10%～25%之间,应通过超张拉和改进锁定工艺来

弥补。在施工过程中,锚杆轴力有所增加,大约增加

10%左右。

2)钢支撑轴力随开挖深度增加而增加,其大小变化与工况、开挖方式、速度和支撑拆除等有关。

3)支护桩体水平位移大小与桩深、工况及支撑条件有关,随开挖深度增加而增加,及时支撑能大大减少位移值。

4)基坑顶部的水平位移以基坑壁最大,端部位移较小;基坑壁越长,其位移值也较大;在拐弯的阳角处,位移较大。

参考文献

1　蒋洪胜,刘国斌.软土深基坑支撑轴力的时空效应.岩土工程学

报,1998,20(6):105～107

2　杨雪强,刘祖德.论深基坑支护的空间效应.岩土工程学报,

1998,20(2):74～78

3　Ou C Y,Chiou D C ,Wu T S.Three 2Dimensional Finite E lement

Analysis of Deep Excavation.Journal of G eotechnical Engineering ,1996,122(5):337～345

4　赵志缙,应惠清.简明深基坑工程设计施工手册.北京:中国建筑

工业出版社,2000

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某地铁深基坑支护体系内力与变形监测结果分析———肖武权,等