1、-. z.地鐵車站深基坑混凝土支撐軸力監測分析及研究摘 要：結合地鐵3號線中興路站基坑工程的設計和施工方案， 對混凝土支撐軸力監測的原理進行介紹。 在對基坑施工過程中軸力監測數據變化進行分析的基礎上， 對其形成原因進行了探討， 得到一些經驗性規律， 供類似工程參考。關鍵詞： 鋼筋混凝土； 支撐軸力； 監測； 分析引言我國基礎建設的快速發展， 深基坑工程的建設也越來越多， 在深基坑施工過程中， 深基坑的支護起著舉足輕重的作用。 只有對基坑支護結構、 基坑周圍的土體和相鄰的構筑物進行全面、系統的監測， 才能對基坑工程的安全性和對周圍環境的影響程度有全面的了解， 支撐結構軸力的監測是基坑工程現場監測

2、的主要容之一。 通過對軸力的監測， 可準確掌握支護結構的受力狀況，從而對基坑的安全性狀進行分析， 在出現異常情況時及時反饋， 并采取必要的工程應急措施， 甚至調整施工工藝或修改設計方案， 從而保證基坑本身和周圍建筑物、 構筑物的安全， 以確保工程的順利進行。 結合地鐵3號線基坑工程的設計方案和監測數據， 對基坑的混凝土支撐軸力變化進行初步分析。 1工程概況中興路站為5號線與3號線換乘站，為地下三層島式車站，車站設置在心怡路與商都路交叉路口，沿商都路東西向布置。 心怡路規劃道路紅線寬50m，商都路規劃道路紅線寬100m，周邊規劃以居住、行政辦公用地為主,車站東北象限地塊為中晟國際廣場，其地下室邊

3、線均距離車站基坑較遠，影響較小；東南象限為市交警指揮中心，距離車站基坑約123m；西南象限為正巖大廈，其地下室邊線距離車站基坑約46m，西北象限為海馬公園小區，其地下室邊線距離車站基坑約72m。地下管線主要有電力管、燃氣管、給水管、雨水管、污水管、通信光纜及熱力管等；控制性管線為：沿車站方向直徑為500的污水管；埋深4.15 m左右，擬永久遷到車站施工影響圍外；垂直于車站方向的110kv高壓線（端部入地埋深5.65m），擬永久遷到車站施工影響圍外；沿車站方向2400*1400、2000*1200埋深1.2m的雨水箱涵等，擬臨時改遷，待車站施工完畢后回遷。 中興路站有效站臺中心里程右CK25+6

4、12.708, 有效站臺長度140m，站臺寬度14m，車站外包長度324.74 m，標準段寬23.50 m，盾構井段及換乘節點段寬27.60 m，標準段基坑深度24.75 m，盾構井段及換乘節點段基坑深度約26.05 m，中心里程處中心覆土3.20 m，車站主體為地下三層雙柱三跨，箱型框架結構，采用明挖順筑法施工，車站大小里程段均設盾構接收井，車站主體圍護結構采用1000mm厚地下連續墻+支撐方案；標準段設置四道支撐及一道換撐，盾構井設置五道支撐及一道換撐。中興路站第一道混凝土支撐平面示意圖由于基坑開挖深度較大，主體結構為換乘節點基坑，站位商都路與心怡路交叉口，開挖深度在超過25m的基坑為級風

5、險源。換乘段基坑深度約25.95m。風險等級為級，風險控制措施：加強基坑支護結構設計，設置止水帷幕，共設5道支撐+一道換撐；加強對基坑圍護結構及周邊建筑物的監測。 必須通過監測隨時掌握土層和支護結構的力變化情況， 將監測數據與設計預估值進行分析對比， 以判斷前一步施工工藝和施工參數是否符合預期值， 以確定優化下一步施工參數， 以此達到信息化施工的目的， 確保工程安全。2、監測意義及目的市軌道交通5號線工程周圍各類建筑物多、粉土、細砂層施工難度大。在地鐵施工期間對地鐵結構工程及施工沿線周圍重要的地下、地面建(構)筑物、地面道路等實施變形、力等方面的監測，為相關單位提供及時、可靠的信息用以評定地鐵

6、工程在施工期間的安全性及施工對周邊環境的影響，并對可能發生的危及施工、周邊環境安全的隱患或事故及時、準確的預報，以便及時采取有效措施消除隱患，避免事故的發生。監測的數據和資料主要滿足以下幾方面的要求：（1）使相關單位能完全客觀真實地了解工程安全狀態和質量程度，掌握工程各主體部分的關鍵性安全和質量指標，確保地鐵工程能按照預定的要求順利完成；（2）按照安全預警位發出報警信息，既可以對安全和質量事故做到防患于未然，又可以對各種潛在的安全和質量隱患做到心中有數；（3）通過監測，掌握施工對圍巖及既有建筑物的影響程度，用以修改設計參數，達到信息化設計目的。從*種意義來看，地鐵施工對周圍建筑物的影響比地鐵工

7、程本身安全更需關注，因此對周圍建筑物的安全監測工作，應放在工作的首位；（4）可以豐富設計人員和專家對類似工程的經驗，以利專家解決工程中所遇到的難題。3、軸力監測的原理混凝土支撐的測點布置主要由平面、立面、斷面三方面因素所決定。平面即同一標高、同一道支撐量測桿件的選擇，原則上應參照支護設計方案中各道支撐力計算結果，選擇軸力最大的桿件予以跟蹤監測。在缺乏計算資料的情況下，通常可選擇平面凈跨較大的支撐桿件布設測點。立面是指不同標高處各道支撐的測試選擇。對于鋼筋混凝土支撐，為了能真實反映出支撐桿件的受力狀況，測試斷面一般應配置4個鋼筋應力計，位置分別選擇在四側的中間。對于混凝土支撐， 目前實際工程采用

8、較多的是鋼弦式應力計方法測量鋼筋的應力， 其基本原理是利用振動頻率與其應力之間的關系建立的。 受力后， 鋼筋兩端固定點的距離發生變化， 鋼弦的振動頻率也發生變化， 根據所測得的鋼弦振動頻率變化即可求得弦應力的變化值。 其計算公式如下： PgK ( ) + b Pg 平均= (P1+P2+P3+P4+Pn) /n g=Pg 平均/Sg P混凝土=gS混凝土E混凝土/Eg 式中 Pg鋼筋計軸力； Pg 平均鋼筋計荷載平均值； g鋼筋計應力值； Sg鋼筋計截面積； P混凝土混凝土樁荷載值； E混凝土混凝土彈性模量； Eg鋼筋彈性模量 ；S混凝土混凝土樁橫截面積。混凝土支撐力計算F Fi / Ai （

9、AsAc Ec/Es）其中：Fi 為鋼筋計的平均力，單位為KN。多個鋼筋計可以取其平均值。FiK （fo2fi2）K為鋼筋計標定系數，單位為KNHz2。fo為傳感器初始零位，單位Hz。fi為測量值，單位為Hz。Ai：鋼筋計標稱面積；As：支撐鋼筋總面積；Ac：混凝土面積；Ec：混凝土彈性模量；Es：支撐鋼筋彈性模量。在監測中由于外部溫差變化以及混凝土徐變特性會使鋼筋應力計產生一定的伸縮變形， 引起其自振動頻率變化， 因此必須采取必要的修正參數進行溫差改正， 以提高監測結果的可靠性。4、 測點的布置本工程混凝土支撐設計強度等級為 C30， 彎曲抗壓強度為 16 MPa， 抗拉力為 1.75 MP

10、a， 采用鋼弦式鋼筋計進行軸力監測。 監測點位埋設在混凝土支撐中部位置， 應力計安裝位置如圖 2 所示，分別對應所在的支撐編號后加編 1、 2、 3、 4 予以區分。5、 監測方法和要求測量儀器的選型，要考慮最大可能需要的量程并根據基坑工程只在地下施工期使用的性質選用滿足安全監測要求、合適的儀器。盡量做到測量定人，定儀器；觀測數據不得隨意涂改，測量數據有疑問時， 應做到反復觀測尋找問題原因。 傳感器安裝埋設前要進行檢驗和率定，繪制監測點安裝埋設詳圖，并按照方案和埋設要求做好埋設準備。傳感器埋設時，核定傳感器的位置是否正確，埋設的準備是否符合技術要求，按監測的位置和方向埋設傳感器。所有監測點安裝

11、埋設完成后，及時繪制監測點位置圖，并加強對現場測點保護，以防監測點被破壞。各監測項目變形量或測量值接近或到達報警值時，應反復核實、及時發出 預警報告或報警，并提請業主及有關單位注意。由于混凝土初期澆筑會產生水化熱， 為了減少溫度的影響， 在混凝土澆筑 24 h 以后進行量測，在以后的幾天混凝土散熱漸次進行， 可認為混凝土的收縮是產生應力計中應力的主要來源。 現場條件下， 為了控制無外荷條件， 在混凝土澆筑后 47 d ， 未進行挖土的條件下， 連續測得應力計讀數與時間的關系， 讀得應力計讀數基本穩定時的值， 作為修正后應力計值， 以此作為初始值進行應力量測。6、支撐軸力測試與計算初始值測試：混

12、凝土鋼筋應力計初始頻率應當在開挖前混凝土凝固后取初值，鋼支撐初頻應該在施壓前取值。對于埋設鋼筋應力計的混凝土支撐軸力，測量初始值的爭議較大，有人認為應該取未安裝狀態下的值為初始值，或直接用標定系數中的初始值，也有人認為應該取基坑開挖前的值為初始值。在混凝土支撐澆筑后，混凝土的硬化收縮而導致鋼筋計產生一定量的附加壓力，入采用標定系數的初始值，則后續監測過程中所測算的軸力值就必然包含了這種附加壓力，但其并不是因為基坑開挖所引起的，這樣就會導致測算軸力顯然比設計軸力偏大，而采用第2種初值的選取方案則可有效避免附加壓力對支撐綜合軸力的影響。支撐軸力的測試是了解圍護結構受力特性、監測結構物安全性的重要依

13、據。 在監測過程中首先通過采集鋼筋計的讀數， 按照上述公式編制相應的程序進行軸力結果自動計算， 然后在支撐澆筑初期計入混凝土齡期對彈性模量的影響。 在室外溫度變化幅度較大的季節， 通過相應的溫度改正， 避免暴冷暴熱溫差對測試結果的干擾影響測試精度。 圖 3 是部分支撐軸力測試值隨時間的變化曲線圖。圖3.支撐軸力變化值總的來看， 從 10號初期基坑開挖施工開始，隨著基坑逐步分區域開挖的進行與開挖深度的加大， 支撐結構的支撐軸力逐漸加大， 到19號開挖至坑底時， 支撐軸力逐漸趨于穩定。 圖 3 中盾構始發井和所在區域的監測點ZCL06 最終支撐軸力接近903 kN，ZCL01 最終支撐軸力接近71

14、5 kN， 也都大于設計值 700 kN 的。所有的混凝土支撐曲線形狀基本類似， 只是處于盾構始發井鋼筋混凝土支撐的最終軸力比明挖段的最終軸力大，可以認為是由于開挖深度不同導致。4監測數據分析4.1 監測數據異常分析監測初期， ZCL03、 ZCL05 測點的支撐軸力實測值為負值， 隨開挖深度的加大， 支撐軸力由負變正， 即由理論上的軸向拉力變為軸向壓。出現負值的原因， 筆者認為是埋設在支撐上的鋼筋計、 應變計等元件所測到的鋼筋或混凝土應力并非全部是由荷載產生的， 還有多種非荷載因素產生的附加應力， 而引起非荷載應力的主要原因有混凝土的干縮、 濕脹、 徐變和構件溫度變化等。混凝土支撐未出現裂縫

15、等不安全、 失穩跡象。 同步監測的支護結構墻 （樁） 頂水平位移和沉降、 支護結構 （墻體）側向位移也沒有突然變化加大的趨勢， 一直處于變形比較穩定的狀態。 由于基坑場地圍砂質地層厚度大， 砂層含水豐富、 滲透性強， 為了確保基坑安全施工， 基坑安全應急處理專家在 11 月 18日采取停止基坑開挖和加強監測頻率的應急預案。通過后來連續 2 天的監測結果表明基坑各項變形暫時比較緩慢， 觀察支撐未出現裂縫等不安全、失穩跡象。 通過檢查驗證監測方法和監測數據的計算后， 綜合分析同步監測的支護結構墻 （樁）頂水平位移和沉降、 支護結構 （墻體） 側向位移監測數據， 基坑安全應急處理專家小組集體判斷認為

16、基坑暫時處于安全狀態。 混凝土支撐系統的軸力監測結果普遍異常一直到基坑開挖結束， 而支撐系統一直處于正常的工作狀態。4.2 原因分析在實際工程施工過程中， 出現混凝土軸力監測異常的原因是多方面的， 主要有以下幾個：a） 由于基坑工程設置于力學性質相當復雜的地層中， 基坑圍護結構支撐的空間受力是三維的，而在基坑圍護結構設計和變形預估時， 一方面，基坑圍護體系所承受的土壓力等荷載存在著較大的不確定性； 另一方面， 對地層和圍護結構支撐一般都作了較多的簡化和假定， 與工程實際有一定的差異。 因此現階段在基坑工程設計時，對結構力計算以及結構和土體變形的預估與工程實際情況有較大的差異， 并在相當程度上仍

17、依靠經驗。 b） 在鋼筋混凝土支撐開始受荷進入工作狀態后， 有兩個方面應該引起注意： 混凝土材料本身的復雜性。 混凝土是存在微裂縫及空隙的多相材料， 不是理想的彈性材料， 彈性模量等力學參數隨時間而變化， 存在徐變、 松弛、 熱脹冷縮、濕脹干縮等現象， 骨料分離可能導致的不均勻性等。 混凝土一直存在體積收縮和徐變， 收縮和徐變的發生都會增大結構的變形， 也都會使混凝土的彈性模量降低， 同時造成結構力重分布，即產生次力。 鋼筋不發生收縮， 但存在徐變，其徐變速率不及混凝土， 當軸力荷載作用在鋼筋混凝土桿件時， 由于收縮和徐變的發生， 混凝土軸向變形速率高于鋼筋， 鋼筋的變形和軸力在混凝土與鋼筋間

18、的粘結力的作用下會明顯地增加，導致發生更大的彈性壓縮， 尤其是在混凝土徐變和收縮發展較快的初期。 因此， 鋼筋混凝土支撐中存在的這兩個現象， 導致混凝土在荷載下的變形比在理論上進行分析、 計算、 設計時要大。c） 在監測中測量軸力的應力計正是通過量測鋼筋的變形， 認為鋼筋與混凝土的彈性變形是完全協調同步， 從而反算支撐力的， 所以測得過大的鋼筋變形， 必然反算而得到過大的支撐力。5 結束語通過實例分析， 在混凝土收縮和徐變發展速度較快的相當長一段時間， 測得的鋼筋混凝土支撐力大于實際力， 實際力并非有監測得到的異常結果則大。在實際工程中， 大部分出現此類情況的基坑支撐系統是處于安全狀態的。 經過以上的分析監測結果， 得出以下幾個方面的結論：a） 根據工程經驗對現有的監測方法得到的監測結果進行合理的修正。b） 由于目前缺乏能直接觀測混凝土應力的有效實用儀器， 在監測中主要利用應變計觀測混凝土的應變， 然后