基坑混凝土支撐軸力監測數據異常情況分析與探討

張　哲

(中鐵十四局集團有限公司， 山東 濟南　250014)

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基坑混凝土支撐軸力監測數據異常情況分析與探討

張哲

(中鐵十四局集團有限公司， 山東 濟南250014)

為研究混凝土支撐軸力監測數據中出現的異常情況，探討其解決方法，依托正處于主體結構開挖階段的武漢市軌道交通8號線徐家棚站，深入分析施工過程中發生的一次混凝土支撐軸力監測數據報警事件，研究監測報警數據的合理性，結合其他監測項目并與類似工程案例對比，得到：1)建議選取混凝土澆筑并養護完畢、基坑開挖之前的軸力值作為初始應力值； 2)溫度對軸力有較大影響，應結合其他監測項目協同分析； 3)目前采用鋼筋計進行混凝土支撐軸力監測的方法在準確度上還有所欠缺。結合分析，給出了應對措施和建議。

地鐵車站； 基坑工程； 混凝土支撐軸力監測； 監測數據報警； 異常數據分析

0　引言

明挖基坑在地鐵車站建設中應用廣泛，南方軟土地區基坑工程通常采用排樁+內支撐或地連墻+內支撐的支護結構形式。地鐵車站基坑工程通常采用信息化施工，而支撐結構的受力情況則是重點要監測的項目[1]。

混凝土支撐由于其高強度和強穩定性的優點，經常被當作基坑工程的支撐結構。基坑工程施工過程中，軸力值作為混凝土支撐工作狀態判斷的重要指標備受重視，目前混凝土支撐軸力通常采用鋼筋計或應變計進行監測。監測方法的準確性對工程的安全判斷至關重要，而混凝土支撐軸力當前監測方法的準確性備受質疑[2-4]，在施工過程中經常會出現混凝土支撐軸力遠超控制值的現象[5]。

在基坑工程中，監測的工程價值主要體現在以監測數據反饋施工與設計[6-9]，而在科學研究中，監測則往往作為基坑變形規律和力學行為研究的重要手段[10-11]。對于監測技術本身，監測方法的合理性和在現有監測方法的限制條件下，如何獲取更加科學的監測數據值得分析和討論。

因為混凝土支撐軸力監測項目在技術方法上仍不完備，相比其他監測項目，受到了較為廣泛地關注。學者和工程人員主要通過現場測試和室內試驗的方法對監測項目的準確性和影響準確性的原因進行了探討。現場測試認為環境溫度和混凝土收縮徐變是導致混凝土支撐軸力偏高的主要原因[12-14]。室內試驗得到了混凝土支撐在加、卸載過程中的軸力和溫度變化數據，量化了溫度對軸力的影響比例，并對鋼筋計的焊接和布設方法進行了探討[15]。然而，在監測報警發生后，如何在既定監測準確度限制下對監測數據進行科學分析和解讀，缺乏相關案例報道和研究成果。

以武漢地鐵徐家棚站為工程背景，通過對施工過程中發生的一次混凝土支撐軸力監測數據報警事件進行研究和分析，闡述了對該類報警事件的分析方法，并得出了關于混凝土支撐軸力監測項目的相關結論，以期能夠為類似基坑工程報警事件的分析和處理有所指導，對混凝土支撐軸力監測項目的科學實施有所推動。

1　工程概況

徐家棚站為武漢市軌道交通8號線的中間站點，是武漢市軌道交通5、7、8號線換乘車站。8號線徐家棚站沿秦園路設置，下穿和平大道，擬建工程場地距長江大堤最近距離約600 m，距離四美塘公園約200 m。

徐家棚站為地下3層側式站臺車站，車站頂板覆土2.3～2.6 m，車站站臺中心里程處底板埋深約為24.49 m。車站長約575 m，寬13.9～66.7 m，有效站臺總長約186 m。

車站主體結構為雙層兩跨局部三層四跨矩形框架結構，本站點采用明挖法施工，圍護結構采用地下連續墻+內支撐，車站主體結構外側設附加防水層。

車站1—15軸主體圍護結構采用1 000 mm厚地連墻+4道內支撐(第1、2、3道為混凝土支撐，第4道為鋼支撐)；16—42軸主體圍護結構采用1 000 mm厚地連墻+4道混凝土支撐。

1.1工程地質條件

徐家棚站地貌單元為長江一級階地全新統沖積區。沿線上覆土層主要為近代人工填土層(Qml)、第四系全新統河流沖積土層、砂層(Q4al)，下部基巖為第三系砂質泥巖及礫巖。

車站基坑開挖范圍內自上而下依次穿越的地層及其物理力學參數如表1所示。

表1　主要物理力學性質統計

1.2水文地質條件

根據含水介質和地下水的賦存條件，場區內地下水可劃分為上層滯水、松散巖類孔隙水、基巖裂隙水3種類型。

1)上層滯水。主要賦存于兩岸的人工填土中，無統一自由水面，接受大氣降水和供、排水管道滲漏水垂直下滲補給，水量有限。

2)松散巖類孔隙水。主要賦存于第四系砂土層中，為本場區主要含水層，與長江水力聯系密切，補給主要來源于長江水，水量豐富；由于場區砂土層多低于長江水面，故其內孔隙水多具承壓性，承壓水頭與長江水位相近。

3)基巖裂隙水。主要賦存于中—微風化基巖裂隙中，補給方式主要為上覆含水層的下滲補給，具承壓性；因場區基巖巖質較軟，基巖裂隙多為密閉型或被泥質充填，基巖裂隙水貧乏。

兩岸一級階地的砂土層中的孔隙式承壓水受江水影響明顯，在長江豐水期，江水補給地下水，反之地下水補給江水，年變幅隨著與長江距離的增大而減小。

2　基坑監測情況

自2015年4月10日車站基坑開始施工至2015年8月1日，二期段從8—17軸至8—34軸之間的冠梁及第1道混凝土支撐已澆筑完成，8—17軸至8—29軸的第2道混凝土支撐已澆筑，8—17軸至8—34軸之間已開挖完畢。

基坑開挖前，監測點已根據規范要求布設完畢。斷面監測項目有圍護樁頂水平/豎向位移、地表沉降、立柱沉降、混凝土支撐軸力、地下水位6項。基坑開挖過程中，依據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》和設計文件中對監測頻率的要求對監測點進行連續監測，與數據分析相關的監測點布設情況和周邊環境如圖1所示。

圖1　徐家棚站監測點布設情況及周邊環境示意圖

監測期間發生多次數據報警，其中以2015年7月25日至8月2日混凝土支撐軸力報警較為典型，具有重要的分析價值。

3　監測報警異常情況分析

監測報警處為8—18軸第1道支撐的ZCL10點和

8—32軸第1道支撐的ZCL16點。8—18軸至8—32軸區域的支撐體系自上而下為4道混凝土支撐結構，每道支撐依據監測規范要求位置布設鋼筋計進行軸力監測，報警區域混凝土支撐軸力監測點布設如圖2所示。

圖2　報警區域混凝土支撐軸力監測點布設

3.1監測數據變化情況

2015年7月30日監測數據顯示(見圖3)，報警監測點為點ZCL16與ZCL10，最大報警值分別為6 428 kN和2 290.88 kN，超出報警值2 018.8 kN(設計控制值的70%，設計控制值為2 884 kN)，故選取監測數據較大值點ZCL16為代表點進行分析討論。

ZCL16監測點于2015年7月4日進行埋設，隨著混凝土澆筑完成并開始開挖，于7月15日對ZCL16監測點進行初始值采集，并進行正常監測工作。

至2015年7月30日，ZCL16監測點的軸力值為9 411.47 kN，累計變化量為6 428.00 kN，超出設計控制值(2 884 kN)，其監測數據近期變化規律見圖3。

由圖3可以看出，在2015年7月15日ZCL16初始值采集完畢后至7月30日期間，ZCL16的累計變化量在7月21日超出報警之后，于7月30日一直增大至6 428.00 kN，7月31日累計變化量回落至3 402.41 kN。

圖3　混凝土支撐軸力監測數據隨工況變化規律(2015年)

3.2監測數據異常情況分析

針對基坑開挖尚淺，但支撐軸力值異常情況，對ZCL16監測點從以下幾方面進行分析和討論。

3.2.1對初始頻率如何取值的討論

混凝土支撐軸力

監測過程中，考慮到整個支撐結構架設至開挖后整個周期的變形，計算混凝土支撐軸力初始值采用混凝土支撐焊接后未進行澆筑時的軸力值作為初始軸力；而采用此時刻的軸力作為初始軸力時，混凝土支撐軸力值為從綁扎鋼筋至澆筑混凝土到開挖基坑的整個周期的軸力變化值，期間所產生的軸力值包括由于混凝土收縮徐變產生的軸力和由于混凝土支撐受側向土壓引起的軸力2部分。

若僅考慮由于混凝土支撐受側向土壓引起的軸力值變化，則鋼筋計初始應力值的計算應選取混凝土支撐澆筑完畢且開挖之前所測頻率值作為初始軸力值的計算頻率，用此初始頻率來計算后續軸力值，并與控制值進行對比判斷。

以2015年7月30日為例進行分析，不同初始頻率取算見表2。從表2可以看出：當f0采用鋼筋計出場頻率和焊接后頻率時，軸力值計算偏大；當f0采用混凝土澆筑至開挖前頻率時，軸力值為6 428.00 kN，累計變化量為3 444.53 kN；采用混凝土澆筑至開挖前頻率比采用焊接后頻率計算所得累計變化量小約3 000 kN。

表2　不同初始頻率取算

通過對比計算可以發現，選取何時的鋼筋計頻率值作為初始值計算的頻率，對于判斷混凝土支撐軸力監測數據是否超標非常關鍵。經分析，應該選取混凝土澆筑并養護完畢時的軸力值作為初始應力。

3.2.2與其他工程對比論證

在混凝土支撐軸力發生報警后，由于監測點布設和采集符合規范要求，但開挖尚淺，發生如此大的數據變化屬于異常情況。鑒于此，在進行分析時采用了工程類比法，查閱了部分類似案例。

將查閱的工程案例信息進行整理，如表3所示。從表3可以發現，徐家棚車站中混凝土支撐軸力監測項目遠超設計控制值的現象在基坑工程中不是個例，在支撐軸力監測項目超出報警值后支撐體系工作正常，表面未見裂縫和明顯變形。自出現該次報警后至今，徐家棚站支撐體系依舊完好，基坑施工安全。

3.2.3同一斷面其他監測項目情況

在ZCL16斷面的監測項目有圍護墻頂水平位移、圍護墻頂沉降、地表沉降和地下水位監測。

將同一斷面其他監測項目于2015年7月31日的監測數據進行統計，如表4所示。通過表4中的數據可以發現：

1)該斷面地表沉降監測數據很小，最大累計變化量僅為-2.71 mm，說明圍護結構后土體未發生明顯沉陷。

2)該斷面的立柱沉降、圍護墻頂沉降、地下水位監測項目的累計變化量比較小，變化趨勢也較平緩，說明此范圍的圍護結構較穩定。

3)圍護墻頂水平位移與第1層混凝土支撐(ZCL16)的軸力值有較強的相關性，根據監測數據，報警期間前后ZCL16斷面處圍護墻頂水平位移變化最大值為-1.37 mm，變化較小，可以看出圍護墻側向變形并不能給混凝土支撐軸力施加較大的壓力。

上述監測項目能較好地反映土體變形情況，通過分析整個斷面的變化數據，可以看出支護結構土體并未使支護結構產生較大的壓縮變形。

表3　類似工程案例信息

表4　同一斷面其他監測項目數據

3.2.4溫度對軸力的影響

2015年7月31日上午監測到ZCL16的軸力值累計變化量為2 402.41 kN，較7月30日中午的軸力值累計變化量3 444.53 kN減小了1 042.12 kN。分析該原因主要為外部溫度引起混凝土結構發生熱脹冷縮現象，導致混凝土支撐軸力忽大忽小。進行監測數據分析時，應考慮不同時間點溫差帶來的影響。

3.2.5現場巡視情況

現場巡視時，混凝土支撐軸力表面及結構連接處未產生裂縫、起皮等明顯拉壓痕跡，支撐整體未有明顯的彎曲現象，目前混凝土支撐處于良好的工作狀態。

3.3針對此類異常情況的建議措施

針對本次報警事件，采取了以下措施。

1)由于場地地質條件較差，易產生較大變形，施工單位和監測單位加強了對監測數據的分析，判斷其變化規律，變形較大且數據不收斂時應及時采取加固措施。

2)施工單位在施工過程中應加強對ZCL16監測點所在支撐的檢查和巡視工作，發現混凝土表面有裂縫或彎曲以及測斜急劇增大情況時，應立即停止施工，并采取相關加固措施。

3)由于混凝土支撐與冠梁或腰梁交界處的混凝土受力較復雜，不僅受壓而且受彎，混凝土支撐本身反而以受壓為主。鑒于混凝土抗壓強度大于抗彎、抗拉強度的特性，在混凝土支撐與冠梁或腰梁交接處的混凝土更容易受到破壞，施工單位和監測單位在現場巡視過程中不僅需要注意混凝土支撐本身，而且加強了對類似交接部位的觀察。

4　結論與討論

1)對于基坑工程，混凝土支撐軸力監測項目建議選取混凝土澆筑并養護完畢、基坑開挖之前的軸力值作為初始應力值，如此有利于將支撐的混凝土結構和鋼筋骨架作為一個整體來判斷軸力值的發展。

2)混凝土支撐軸力報警時應結合其他監測項目對工程的安全性進行綜合判斷，如此將有助于對報警數據進行正確認識。本工程同一斷面其他監測項目表明周邊土體和支護結構并未發生較大變形，工程處于安全穩定狀態，但軸力值異常增大的原因有待深入研究。

3)混凝土支撐軸力監測項目對混凝土支撐的安全狀態判斷至關重要，目前一般采用埋設鋼筋計的方法進行監測，但是本工程作為混凝土支撐軸力監測數據異常報警的案例和其他工程的異常報警情況，再次證明了目前采用鋼筋計進行混凝土支撐軸力監測的方法在準確度上還有所欠缺。

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Analysis and Discussion of Monitoring Data Anomaly of Axial Force for Concrete Support of Foundation Pit

ZHANG Zhe

(China Railway 14th Construction Bureau Co., Ltd., Jinan, Shandong 250014, China)

The analysis and discussion are made on monitoring data anomaly of axial force for concrete support of Xujiapeng Station on Line No. 8 of Wuhan Railway Transit. The rationality of monitoring data alarming is studied; comparison among similar projects is made; and some countermeasures are discussed. Some conclusions are drawn as follows: 1) The axial force of concrete support measured after concrete casting and curing and before foundation pit excavation should be taken as initial value. 2) The temperature affects the axial force obviously. 3) The precision of reinforced bar gauge used for concrete support axial force monitoring is not good. Finally, some countermeasures and suggestions are given.

Metro station; foundation pit; axial force monitoring of concrete support; monitoring data alarming; abnormal data analysis

2016-02-01;

2016-03-09

張哲(1973—)，男，山東鄒城人，1993年畢業于石家莊鐵道學院，工業與民用建筑專業，碩士，高級工程師，主要從事地下空間與隧道工程施工管理及科研工作。E-mail：853296932@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.013

U 455

B

1672-741X(2016)08-0976-06