双流机场隧道排桩围护结构的应力及变形特点

２０１１年４月　高速铁路技术　Ｎｏ．２．Ｖｏ１．２　Ａｐｒ．２０１１　第２卷第２期　ＨＩＧＨ　ＳＰＥＥＤ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　文章编号：１６７４—．８２４７（２０１　１）０２—００５０—０５　双流机场隧道排桩围护结构的应力及变形特点　王　鹏　，马　斌　（１．成绵乐铁路客运专线有限责任公司，成都６１００７２；２．中铁二局集团有限公司，成都６１００５１）　摘要：以双流机场隧道深基坑监测资料为基础，结合施工情况对施工过程中围护桩应力、位移的变化规律　及主要施工工序、开挖深度、斜坡荷载对围护桩应力、位移的影响规律进行了分析，在此基础上提出了施工过　程中提高基坑稳定性的措施。文中所述结论及建议对类似工程有一定借鉴指导意义。　关键词：基坑；围护桩；应力；侧向位移　中图分类号：ＴＵ４３７　文献标识码：Ａ　Ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｉｌｉｎｇ　Ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｓｈｕａｎｇｌｉｕ　Ａｉｒｐｏｒｔ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＷＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　ＭＡ　Ｂｉｎ　（１．Ｃｈｅｎｇ・Ｍｉａｎ—Ｌｅ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＰＤＬ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　００７２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｎｏ．２　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｎ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｏｆ　Ｓｈｕａｎｇｌｉｕ　ａｉｒｐｏｒｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃ—　ｔｉｏｎ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｆｅｎｄｅｒｐｏｓｔ　ｓｔｒｅｓｓ，ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｌａｗｓ　ｏｆ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｍａｊｏｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｓｔｒｅｓｓ　ｏｎ　ｆｅｎｄｅｒｐｏｓｔ　ｆｒｏｍ　ｓｌｏｐｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｅｔｃ．ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｏｎ　ｔｈａｔ　ｂａｓｉｓ，ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｒａｉｓｉｎｇ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ｂｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒ￣ｅｅｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：￣ｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ；ｆｅｎｄｅｒｐｏｓｔ；ｓｔｒｅｓｓ；ｓｉｄｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　采用放坡开挖，开挖深度为２．２～８．９　ｍ、放坡坡率为　Ｉ　刖昌　１：０．７５；下部施作围护结构后进行开挖。围护结构由　围护桩和内支撑组成，围护桩为钢筋混凝土灌注桩，桩　基坑工程是一门实践性很强的学科，理论计算结　果与实测数据往往有较大差异¨　Ｊ。因此，在大量监　径１．２　ｍ、桩距２．４　ｍ；内支撑由钢筋混凝土（或钢管）　顶撑和１～２道钢支撑组成。围护结构的形式主要有　２种，如图１所示。　基坑开挖深度内地层由上至下依次为粉质黏土　（层厚６．２～７．６　ｍ）、卵石土。地层的物理力学参数如　表１所示。　表１地层物理力学参数表　土层　重度ｙ　（ｋＮ／ｍ　）　测资料深入分析的基础上，结合施工情况对围护结构　的应力、位移变化规律，影响围护结构应力、位移分布　的主要因素及其影响规律进行分析，在此基础上得出　的一些结论无疑对类似工程的设计、施工具有较强的　借鉴意义。　２　工程概况　双流机场隧道全长５　５２７　ｍ，穿越成都市武侯城　区、双流县航空港，采用明挖暗埋、顺作法施工，其中　４　０４７　ｍ采用排桩围护结构进行基坑支护。基坑上部　收稿日期：２０１１－０１－０９　内聚力ｃ　（ｋＰａ）　内摩擦角ｐ　（。）　粉质黏土　卵石土　２０．０　２１０　．２０．Ｏ　０　１２　４５（水上）　４０（水下）　基坑开挖前进行了降水，降水后基坑内稳定地下　水位在坑底以下０．５～１．０　ｍ。　作者简介：王鹏（１９７７一），男，工程师。　第２期　王鹏，等：双流机场隧道排桩围护结构的应力及变形特点　【Ⅲ一世撂　卜．ｎ　０．ｎ　２０１１年４月　０．ｎ．０．ｎ　．０．ｎ　．　．　≥　ｌ。　６Ｏ９钢支撑，第１排　ｆｎＪ￣５ｍ　’　　Ｊｒ　：：：：　～、　，／，，　第２排、、　、　一　、质　黏　土　，０　Ｉｎ　——　一　／，　６Ｏ９钢支撑，间距Ｓ　、　第３排　６０９钢支撑．间距５　ｍ　寸　ｒ　●　、ＯＯ　一…　……一　卵　石　呈Ｌ县　——————号　－一一———一　——　十０　ｎ　。。　寸　土　一　１　４００　１　２０　（ａ）ＤＫ１７３＋９５５　（ｂ）ＤＫ１７７＋０２０　图１　双流机场隧道典型断面围护结构示意图（单位：ｃｍ）　３　围护桩应力及侧向位移分布规律　对围护结构而言，围护桩的内力及侧向位移直接　反映了围护结构的变形及稳定　，因此对其分布规　律进行分析具有重要实际意义。　冠梁顶面　选取ＤＫ１７３＋９５５断面进行分析。该断面的围护　结构如图１（ａ）所示，左侧围护桩桩身侧向位移（由测　斜仪及围护桩内预埋的测斜管测得）、主筋应力（由围　护桩主筋上预埋的钢筋计测得）大小及分布如图２　Ｏ　２　４　６　８　Ｏ　２　４　６　８　一Ｉｕ）　燧　幕　所示。　侧向位移（ｍｍ）　０　１　２　３　４　５　曩　开挖侧　迎土侧　（ｂ）侧向位移　（ａ）主筋应力（单位：ＭＰａ，“一”为压应力）　图２　ＤＫ１７３＋９５５断面围护桩桩身主筋应力及侧向位移分布图　由图２可看出：　放坡开挖的斜坡荷载。　４．１　支撑及底板施作　（１）桩身侧向位移呈顶、底部小，中上部相对较大　的特点；最大值出现在开挖深度的中部附近；　（２）桩身同一截面的主筋应力压应力略大于拉应　力，这主要是因为围护桩既承受土压力、内支撑反力等　横向力，又承受自重竖向力，属于压弯构件的缘故；　选取支撑架立、底板浇筑时问间隔较明确的典型　断面ＤＫ１７３＋９５５进行分析。该断面的围护结构如图　１（ａ）所示，施工情况如表２所示。各工况下围护桩主　筋应力、桩身侧向位移的变化情况如图３、图４所示。　表２　ＤＫ１７３＋９５５断面施工简况表　序号　１　（３）围护桩由开挖段的迎土侧受压、开挖侧受拉　逐渐过渡为嵌固段的迎土侧受拉、开挖侧受压。　主要工序　开挖　开挖深度（ｍ）　７．Ｏ　天数（ｄ）　９　４　围护桩应力／位移的主要影响因素　掌握影响围护桩内力、变形的主要因素及影响规　律对保证围护结构施工期间的安全及设计、施工优化　具有重要意义　６　Ｊ。监测结果表明，影响围护桩内力、　２　３　支撑　开挖　７．０　１Ｏ．Ｏ　１２　４ｌ　４　５　支撑　开挖　１０．０　ｌ２．Ｏ　５１　５３　６　７　支撑　浇筑底板　１２．０　１２．０　５５　６５　侧向位移的主要因素为：支撑及底板施作、开挖深度、　第２期　王鹏，等：双流机场隧道排桩围护结构的应力及变形特点　２０１１年４月　由图３可看出：　（３）第１道钢支撑的架立对１０　ｍ深度内的桩身　应力有明显抑制效果；第２道钢支撑的架立对６～　（１）基坑开挖过程中，桩身迎土侧、开挖侧主筋应　力均出现明显增长，压应力的增长速率比拉应力的大；　支撑架立后，围护桩主筋应力增长速率明显变缓。　１０　ｍ深度内桩身应力增长的控制能力有限，但对１３　ｍ　加　５　ｏ　邶　珈　附近桩身应力增长起到很好的抑制作用；第３道钢支　（２）桩身主筋应力对基坑的初始开挖并不敏感，　但当基坑开挖至开挖总深度的一半及以下时，桩身主　撑的架立非常有效地抑制了桩身应力的增长。　（４）桩身主筋应力在底板施作后逐渐趋于稳定。　筋应力迅速增长。　山　一　倒　溢　时间（ｄ）　时间（ｄ）　（ａ）７　ｍ处桩身主筋麻力时程曲线　ｆｂ）１０　ｒｎ处桩身主筋应力时程曲线　ａ＿　茎　一　一　毯　Ｒ　溢　溢　０　１０　２０　３０　４０　５Ｏ　６Ｏ　７０　时问（ｄ）　时间（ｄ）　（ｃ）１３　ｍ处桩身主筋应力时程曲线　（ｄ１　１６　ｍ处桩身主筋应力时程曲线　图３支撑架立对桩身主筋应力的影响图（虚线箭头指向时间为支撑架立及底板浇筑时间）　由图４可看出：　（１）在基坑悬臂开挖阶段，桩身侧向位移表现为　桩顶最大，向下逐渐减小的特点，围护桩的变形主要为　弹性挠曲；悬臂开挖阶段，即使基坑没有继续开挖，桩　身侧向位移仍会继续增长，变形具有一定的滞后性，滞　后时间为２～４　ｄ；　底板４　ｄ　底板　（２）第１道钢支撑架立后，桩顶水平位移增长得　ｉ道撑　二道撑　到有效抑制；第２道钢支撑对限制桩身侧向位移有一　道撑　定作用，该支撑上下１．５　ｍ高度内限制效果最明显；　开挖　（３）随着各道支撑的依次架立，桩身侧向位移最　大值逐渐向下转移；　图４主要工序下桩身侧向位移图　（４）围护桩的侧向位移主要由下列３部分组成：　①未架立第１道钢支撑进行基坑开挖条件下，围　护桩绕桩底转动向基坑内侧倾斜的位移；　第２期　王鹏，等：双流机场隧道排桩围护结构的应力及变形特点　２０１１年４月　②钢支撑架立后围护桩本身的挠曲变形；　围护桩应力、位移的变化情况如图５所示。　③围护桩的整体水平位移。　表３　ＤＫ１７７＋０２０断面施工简况表　上述３项位移中第①、②项位移所占比重相对较　序号　主要工序　开挖深度（ｍ）　天数（ｄ）　大，其中第①项位移随未架立第１道钢支撑条件下的　ｌ　开挖　５．０　２　２　支撑　５．０　３　开挖深度、放置时间的增加而增大。　３　开挖　９．Ｏ　４　４．２开挖深度　４　开挖　ｌ１．５　７　选取ＤＫ１７７＋０２０断面进行分析。该断面的围护　５　基底平整　１１．５　８　ｄ后　结构如图１（ｂ）所示，施工情况如表３所示。各工况下　一　溢　时阃（ｄ）　最大侧向位移（ｍｍ）　（ａ）桩身主筋应力　（ｂ）桩身侧向位移　图５　各工况下围护桩应力、位移变化情况图（虚线箭头指向分层开挖时间）　由图５可看出：　形主　（１）在基坑开挖、支撑架立过程中，桩身主筋应力　②随着基坑向下开挖，挖，桩身最大侧向位移的出现　潮一　桩身最大侧向位移的出现　口及侧向位移均有明显增长；　位置逐渐向下转移；　（２）桩身主筋应力及侧向位移在开挖至基底３　ｄ　③基底附近土层的开挖对桩身侧向位移影响很　后达到相对稳定，其后仅呈小幅增长；由图５（ａ）可　大，该部分土体开挖引起的侧向位移占基坑稳定时最　看出：　大侧向位移的５５．６％。　①基坑开挖至冠梁顶面以下５．０　ｍ时，最大主筋　４．３放坡开挖段的斜坡荷载　应力为４．０２　ＭＰａ（拉应力），占基坑稳定时最大主筋应　选取ＤＫＩ７７＋０２０断面进行斜坡荷载对围护结构　力的７．２％，增长幅度不大；　的影响分析。该断面的围护结构如图１（ｂ）所示。左、　②钢支撑架立后，桩身主筋应力增长速率明显　右侧斜坡坡脚距围护桩外侧的水平距离分别为　减缓；　１．５　ｍ、６．０　ｍ。本断面桩身侧向位移及主筋应力分布　③基坑开挖至冠梁顶面以下９．０　ｍ时，最大主筋　如图６所示。　应力增至９．２５　ＭＰａ（压应力），占基坑稳定时最大主筋　按照朗肯土压力理论，左、右侧斜坡土体荷载的影　应力的２３．９％，增长幅度较大；　响起始深度　、日　分别为：　④基坑开挖至冠梁顶面以下１１．５　ｍ时，最大主　Ｂｚ＝　１．５　＝　：　筋应力增至４９．８２　ＭＰａ（压应力），占基坑稳定时最大　主筋应力的７３．０％，应力增长幅度很大；　ｔｇ（４５一予）　ｔｇ（４５—４５）　⑤基坑开挖至基底３　ｄ后桩身主筋应力达到相　Ｂ　：—　＝　鱼：　对稳定；　ｔｇ（４５一詈）　ｔｇ（４５一萼）　（３）基坑施工过程中，桩身侧向位移变化规律　由图６可看出：　如下：　（１）左侧围护桩的主筋应力、桩身侧向位移明显　①基坑悬臂开挖阶段，桩顶侧向位移最大，向下　比右侧桩的大，冠梁顶面以下１０　ｍ以内尤甚；　逐渐减小，围护桩主要向基坑内侧发生整体倾斜；钢支　（２）桩身侧向位移最大值出现深度因斜坡荷载的　撑架立后，桩顶侧向位移得到了有效抑制，其后桩身变　影响向下转移；左、右侧围护桩最大侧向位移（分别为　　第２期　土鹏，等：双流机场隧道排桩围护结构的应力及变形特点　２０１１年４月　冠梁顶面　０　４３　５　３０　４　一　吕ｎ　一　５１．６ｌ　２８．５７　９　ｎ　啦　１３　９７　９　ｎ　８．６１　２Ｏ　４６　９．３６　．３．６６　２　３２　开挖侧　迎土侧　最大侧向位移（ｍｍ）　（ｂ）侧向位移　（ａ）主筋应力（单位：ＭＰａ，“”为压应力）　图６　ＤＫ１７７＋０２０断面围护桩桩身主筋应力及侧向位移分布图　５．５２　ｍｍ、３．１５　ｍｍ）分别出现在冠梁顶面以下６．５　ｍ、　当基坑开挖至设计深度的一半及以下时，桩身主筋应　力迅速增长；底板浇筑后，桩身主筋应力仅有少量增长　随后逐渐超于稳定；　③桩身应力、侧向位移均呈顶部、底部较小，中上　８．５　ｍ。这主要是由于右侧斜坡土体荷载影响的起始　深度比左侧深的缘故。　５提高基坑稳定性的措施　在上述监测成果的基础上提出下列提高基坑施工　期间稳定性的措施：　部较大的特点，最大侧向位移出现在开挖深度的中部　附近；随着开挖进行桩身最大侧向位移的出现位置逐　渐向下转移。　＿护桩　盏　篓曩　及管线的情况下尤应如此；　（２）基坑开挖至基底后及时施作底板以控制围护　结构变形及围护桩主筋应力的增长，确保基坑的长时　（２）第１道支撑的及时架立对控制桩顶水平位移　有十分明显的作用，最下一道支撑对抑制桩身应力的　增长有十分明显的效果。在地表变形控制严格地段应　及时架立第ｌ道支撑。　（３）放坡开挖段的斜坡土体荷载对围护桩主筋应　力、侧向位移有直接影响，随着边坡平台宽度的减少，　斜坡荷载使主筋应力、侧身位移明显变大，桩身最大侧　向位移的出现位置逐渐上移。　（４）基底附近土层的开挖对桩身侧向位移影响很　间稳定；　（３）加强钢支撑的检查、拼装及架设管理，严禁使　用存在明显原始弯曲的钢支撑并采取措施确保轴线平　直以防由于原始弯曲、自重弯曲导致的过大压弯变形　和失稳。　双流机场隧道基坑施工过程中对围护结构及周边　大，开挖至基底后有条件时宜尽快施作底板，以保证基　坑的长期稳定、减小基坑变形。　地表、建筑等实施严格的现场监测并采取上述措施提　高基坑施工期间的稳定性，取得了很好的实施效果，施　工过程中未发生一起基坑失稳的事故。　参考文献：　［１］刘国彬，王卫东基坑工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版　社，２００９．　６　结论　通过对双流机场隧道基坑排桩围护结构地段监测　［２］ＧＢ　５０４９７—２００９，建筑基坑工程监测技术规范［ｓ］．　［３］　田宪国．地铁车站深基坑开挖同护结构与施工技术研究［Ｊ］．铁道　建筑，２０１０（６）：６１—６３．　资料的深入分析，得出如下主要结论：　（１）围护结构应力、位移呈现下列主要特点：　［４］　仟建喜，冯晓光，刘慧，等．地铁车站深基坑围护结构变形规律监　测研究［Ｊ］．铁道工程学报，２００９（３）：８９—９２．　①桩身主筋应力、侧向位移的增长主要是由基坑　开挖引起的，钢支撑对桩身应力、位移的增长具有明显　的抑制作用；　［５］杨有海，王建军，武进广，等，杭州地铁秋涛路车站深基坑信息化　施工监测分析［Ｊ］．岩土工程学报，２００８（１０）：１５５０—１５５４．　［６］林刚，徐长节，蔡袁强．不平衡堆载作用下深基坑开挖支护结构性　状研究『Ｊ］．岩土力学．２０１０（８）：２５９２—２５９８．　②桩身主筋应力对基坑的初始开挖并不敏感，但