運(yùn)煦 （天津大學(xué)水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究所 天津300072）

天津港南疆復(fù)線公路橋工程11～14#橋墩基坑支護(hù)監(jiān)測(cè)

運(yùn)煦 （天津大學(xué)水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究所 天津300072）

介紹了天津港南疆復(fù)線公路橋11～14#基坑支護(hù)工程的概況和施工要點(diǎn)，工程從外業(yè)觀測(cè)到內(nèi)業(yè)資料整理嚴(yán)格按照規(guī)范、規(guī)程進(jìn)行，所取得的數(shù)據(jù)可靠合理，說(shuō)明該項(xiàng)工程的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，施工順序基本可行。

天津港南疆復(fù)線公路橋 基坑支護(hù) 監(jiān)測(cè)

1 工程概況

天津港南疆復(fù)線公路橋位于渤海西岸海河入?？冢旖蚋勰辖窐蚝湍辖F路橋北側(cè)，西端與津沽一線跨海濱大道相接，東端與南疆港區(qū)主干道南港路相接。該大橋和南疆公路大橋平行，兩橋外邊緣間距5 m，兩橋承臺(tái)高差3 m?；娱_(kāi)挖時(shí)支護(hù)受到基坑外側(cè)的土壓力和地下水壓力的共同作用，由于基坑位于軟土地基，基坑開(kāi)挖深度最深為-12 m，支護(hù)受到的荷載較大。為了適時(shí)、有效地監(jiān)控基坑支護(hù)的受力狀態(tài)，保障該工程的順利實(shí)施，天津港南疆復(fù)線公路橋11～14#基坑支護(hù)工程采用拉森Ⅳ型鋼板樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)24 m。

本工程基坑開(kāi)挖深度為-7.0 m（12#、13#基坑）、-4.0 m（11#基坑）、-3.5 m（14#基坑）。設(shè)計(jì)要求鋼圍囹采用雙拼（11～14#基坑，第一、二道支撐）、三拼（12#、13#基坑，第三道支撐）、四拼（12#、13#基坑，第四、五道支撐）56b工字鋼，鋼對(duì)撐和角撐采用挖土雙拼（11～14#基坑，第一、二道支撐）、三拼（12#、13#基坑，第三、四、五道支撐）56b工字鋼，輔助撐采用36c工字鋼，穩(wěn)定支撐采用Ф140鋼管。鋼牛腿采用100 mm×100 mm、δ＝10 mm的角鋼加工成三角架形式，懸挑長(zhǎng)度為650 mm，一側(cè)角鋼與鋼板樁焊接牢固，并在每支撐點(diǎn)設(shè)一處。基坑降水及清淤過(guò)程中采用分層降水。

基坑開(kāi)挖：11#基坑2006年5月5日開(kāi)始，于5月19日結(jié)束；12#基坑2006年4月28日開(kāi)始，于5月16日結(jié)束；13#基坑2006年3月25日開(kāi)始，于4月24日結(jié)束；14#基坑2006年3月29日開(kāi)始，于4月26日結(jié)束。監(jiān)測(cè)工作從2006年3月16日開(kāi)始，埋設(shè)老橋橋墩沉降及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以后隨施工進(jìn)度陸續(xù)埋設(shè)完成11～14#基坑表層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及深層土體側(cè)向位移測(cè)斜管，并且于3月17日至3月19日進(jìn)行觀測(cè)確定初值，3月21日開(kāi)始觀測(cè)（老橋橋墩沉降及位移監(jiān)測(cè)），13#基坑3月22日開(kāi)始觀測(cè)；14#基坑3月25日開(kāi)始觀測(cè)；11#、12#基坑4月28日開(kāi)始觀測(cè)（包括表層位移及深層土體側(cè)向位移），至7月15日結(jié)束。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和儀器埋設(shè)

表層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布設(shè)26點(diǎn)，以及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（與老橋橋墩表層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為同一點(diǎn)，共4點(diǎn)）、深層土體側(cè)向位移觀測(cè)點(diǎn)。測(cè)斜裝置有測(cè)斜管、測(cè)斜儀、數(shù)字式測(cè)讀儀三部分組成，測(cè)斜管埋設(shè)在支護(hù)梁外側(cè)，測(cè)斜管的埋設(shè)頂標(biāo)高為+5.0 m，底標(biāo)高為-25.0 m，共埋設(shè)12根。

3 觀測(cè)方法

3.1 位移觀測(cè)

控制測(cè)量采用導(dǎo)線測(cè)量方法，工作基點(diǎn)（TA、TB、TC三點(diǎn)）、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量嚴(yán)格按照二等變形測(cè)量要求施測(cè)。位移測(cè)量按一級(jí)導(dǎo)線精度要求進(jìn)行觀測(cè)，距離觀測(cè)方法采用平距測(cè)量算術(shù)平均值測(cè)量模式，記錄1組數(shù)據(jù)。

3.2 沉降觀測(cè)

使用水準(zhǔn)儀測(cè)量老橋橋墩各監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程，通過(guò)高程的變化計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量。位移及沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)取其數(shù)次平均值，作為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。

3.3 深層土體位移觀測(cè)

先將測(cè)頭放入測(cè)斜管底，放置3 min，使測(cè)頭溫度與環(huán)境溫度一致。測(cè)量每500 mm測(cè)讀1次，沿位移正負(fù)方向各測(cè)讀1遍。為保證監(jiān)測(cè)工作連續(xù)、安全，同時(shí)采用兩套同一型號(hào)儀器測(cè)定初始值，依據(jù)規(guī)程要求每一測(cè)斜導(dǎo)管的初始值將測(cè)3次，觀測(cè)成果均取平均數(shù)值作為初始值。

3.4 位移計(jì)算

當(dāng)測(cè)頭的敏感軸與基準(zhǔn)軸（地球的重力軸）有一個(gè)角度時(shí)，測(cè)頭中的加速度計(jì)就有一個(gè)輸出值，如下式所示：

式中：A為加速度計(jì)的偏值（零偏）；K為加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)；G為地球重力加速度；θ為傾角。

為了消除加速度計(jì)零偏的影響，在測(cè)試時(shí)采用正反兩次測(cè)試，比如分別在東西方向上進(jìn)行測(cè)試，可以先測(cè)試東方向上的數(shù)據(jù)，記作U1，再進(jìn)行西方向上的測(cè)試，記作U2，將U1-U2得到式2：

式中：L為導(dǎo)輪輪距500 mm；ΔI為水平位移（單位：mm）；θ為傾斜角。

將式3代入式2可以得到：

對(duì)于一個(gè)測(cè)孔，在確定的方向上，各測(cè)試點(diǎn)的位移總和即為：

以上測(cè)量原理的描述見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)量原理圖

量測(cè)的結(jié)果整理成水平位移變化曲線，反映各土層的水平位移情況。

4 觀測(cè)成果及分析

4.1 表層位移觀測(cè)

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移情況見(jiàn)表1～4（表中位移量單位為mm，位移量正號(hào)表示向基坑內(nèi)側(cè)，負(fù)號(hào)表示向基坑外側(cè)）：

表1 11#基坑表層位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 12#基坑表層位移監(jiān)測(cè)

表3 13#基坑表層位移監(jiān)測(cè)

表4 14#基坑表層位移監(jiān)測(cè)

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)條件等諸多因素的影響，增加了監(jiān)測(cè)的工作量和難度，基坑支護(hù)在開(kāi)挖后變形較大，為了保證基坑的安全，基坑開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)人員每天觀測(cè)2次，至6月16日基坑支護(hù)逐漸趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)頻率由每日2次降為每日1次，7月15日表層位移監(jiān)測(cè)工作結(jié)束。

表層位移值比較大的為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）。從11～14#基坑支護(hù)后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，11～14#基坑支護(hù)處于受控狀態(tài)。

4.2 深層土體側(cè)向位移觀測(cè)

11～14#基坑深層土體側(cè)向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，基坑在抽水期間開(kāi)始出現(xiàn)位移，在開(kāi)挖過(guò)程中變化較大，特別是13#基坑，由于在前期打設(shè)鋼板樁時(shí)，對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致CX1#測(cè)斜、CX2#測(cè)斜變形較大，在11～14#基坑澆鑄封底混凝土后，深層土體側(cè)向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，基坑基本處于受控狀態(tài)。表5為各基坑深層土體側(cè)向位移最大值（表中位移量單位為mm，位移量正號(hào)表示向基坑內(nèi)側(cè)，負(fù)號(hào)表示向基坑外側(cè)）。

表5 各基坑深層土體側(cè)向位移最大值

深層土體側(cè)向位移監(jiān)測(cè)頻率與表層位移監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行。

4.3 12#、13#基坑圍囹及支撐應(yīng)力觀測(cè)

在施工過(guò)程中，為了確保12#、13#基坑支護(hù)安全，且判斷下一步施工措施是否符合預(yù)期要求，設(shè)計(jì)要求對(duì)內(nèi)部鋼支撐應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以隨時(shí)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性?？紤]到結(jié)構(gòu)受力時(shí)，某些桿件承受較大內(nèi)力，某些桿件截面積稍小，故在監(jiān)測(cè)時(shí)將測(cè)點(diǎn)布于這些桿件上，且在每層同一點(diǎn)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)由儀器監(jiān)測(cè)得到的表面應(yīng)變?chǔ)?，以公式σ＝Eε（E為鋼構(gòu)件的彈性模量）求得表面應(yīng)力σ，對(duì)比實(shí)測(cè)應(yīng)力值與設(shè)計(jì)應(yīng)力值，即可驗(yàn)證桿件是否滿足強(qiáng)度要求，按設(shè)計(jì)要求，支撐應(yīng)力不得超過(guò)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.95倍。

為滿足測(cè)量精度要求，桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)使用BYB－100型表面應(yīng)變計(jì)，采用標(biāo)距100 mm，將儀器固定于被測(cè)構(gòu)件上，分辨率≤0.2%F·S，溫度為3～4 Hz/10℃，工作溫度為-20～50℃，綜合誤差＜0.2%F·S，滿足監(jiān)測(cè)精度要求。BYB－100表面應(yīng)變計(jì)用于測(cè)量鋼性結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變，以鋼弦作為傳感元件。工作方式為單線圈間斷脈沖激發(fā)式，與帶有脈沖激發(fā)器的頻率接收儀配合使用組成量測(cè)系統(tǒng)（測(cè)試時(shí)，頻率檢測(cè)儀功能鍵應(yīng)轉(zhuǎn)換至與其相符的工作狀態(tài)），具有性能穩(wěn)定、不受導(dǎo)線長(zhǎng)度限制、抗干擾能力強(qiáng)、適用于長(zhǎng)期觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。讀數(shù)采用ZX－12振弦頻率檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀是一種便攜式液晶顯示測(cè)量?jī)x器。本儀器主要用于測(cè)量鋼弦式傳感器的鋼弦振動(dòng)頻率。測(cè)試時(shí)配以溫度計(jì)測(cè)量溫度變化，對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，以降低由于溫度變化導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)誤差。

振弦式儀器通常包括固定在端塊或被測(cè)元件之間的鋼弦，通過(guò)測(cè)量張緊鋼弦的頻率變化來(lái)測(cè)量鋼弦的張力/應(yīng)變等物理量，鋼弦的振動(dòng)頻率與弦的張力之間的關(guān)系為：

這里：F——鋼弦的自振頻率；L——鋼弦的長(zhǎng)度；M——單位長(zhǎng)度鋼弦的質(zhì)量；T——鋼弦的張力。

由于鋼弦式應(yīng)變計(jì)中鋼弦在初始狀態(tài)存在固定的震動(dòng)頻率，受力后頻率發(fā)生變化，以振弦頻率檢測(cè)儀檢測(cè)出前后的頻率變化值，從而可求出鋼弦的應(yīng)變。這種檢測(cè)方法容易實(shí)施，且精度滿足要求，所以本次工程選用上述儀器在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

13#基坑圍囹及支撐第二層于3月30日安裝鋼弦式應(yīng)變計(jì)，第三道圍囹及支撐鋼弦式應(yīng)變計(jì)于4月2日上午安裝完畢。第四層圍囹及支撐鋼弦式應(yīng)變計(jì)于4月8日、9日安裝完畢，每天采集兩次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別為低潮時(shí)和高潮時(shí)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，13#基坑圍囹及支撐最大應(yīng)力點(diǎn)為第四層圍囹3點(diǎn)，應(yīng)力為-158.7 N/mm2（4月17日應(yīng)力單位為N/mm2，“－”號(hào)為壓應(yīng)力，“＋”號(hào)為拉應(yīng)力），處于設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。支撐在支護(hù)中受力狀態(tài)良好，未達(dá)到設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的0.95倍（設(shè)計(jì)容許應(yīng)力為215 N/mm2）。

12#基坑圍囹及支撐第二層于4月30日安裝鋼弦式應(yīng)變計(jì)，第三道圍囹及支撐鋼弦式應(yīng)變計(jì)于5月2日上午安裝完畢，第四層圍囹及支撐鋼弦式應(yīng)變計(jì)于5月9日、10日安裝完畢，第五層圍囹及支撐鋼弦式應(yīng)變計(jì)于5月15日安裝完畢。每天采集兩次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別為低潮時(shí)和高潮時(shí)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，12#基坑圍囹及支撐最大應(yīng)力點(diǎn)為第二層圍囹4點(diǎn)，應(yīng)力為-131.1 N/mm2，處于設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。支撐在支護(hù)中受力狀態(tài)良好，未達(dá)到設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的0.95倍（設(shè)計(jì)容許應(yīng)力為 215 N/mm2）。

5 結(jié)語(yǔ)

基坑在抽水過(guò)程中鋼板樁開(kāi)始產(chǎn)生變形，在淤泥開(kāi)挖過(guò)程中變形較大。隨著基坑鋼圍囹及支撐的向下施工，鋼板樁變形位移最大值的深度逐步向下延伸，累計(jì)位移值超過(guò)設(shè)計(jì)允許值。鋼圍囹及支撐在施工期間應(yīng)力受力狀態(tài)良好，未達(dá)到設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的0.95倍（設(shè)計(jì)容許應(yīng)力為215 N/mm2）。

本次施工是在水下進(jìn)行，施工和監(jiān)測(cè)的難度比較大，監(jiān)測(cè)儀器多次因變形過(guò)大受影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)儀器損壞，累計(jì)埋設(shè)16組深層土體測(cè)斜。

本工程從外業(yè)觀測(cè)到內(nèi)業(yè)資料整理嚴(yán)格按照規(guī)范、規(guī)程進(jìn)行，基坑支護(hù)監(jiān)測(cè)的觀測(cè)是比較成功的，所取得的數(shù)據(jù)可靠合理。說(shuō)明該項(xiàng)工程的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，施工順序基本可行。建議基坑開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)盡量減少基坑槽底的暴露時(shí)間，有利于基坑支護(hù)的穩(wěn)定。■

2010-11-09