基坑混凝土支撑轴力监测数据异常情况分析与探讨

张　哲

(中铁十四局集团有限公司， 山东 济南　250014)



基坑混凝土支撑轴力监测数据异常情况分析与探讨

张哲

(中铁十四局集团有限公司， 山东 济南250014)

为研究混凝土支撑轴力监测数据中出现的异常情况，探讨其解决方法，依托正处于主体结构开挖阶段的武汉市轨道交通8号线徐家棚站，深入分析施工过程中发生的一次混凝土支撑轴力监测数据报警事件，研究监测报警数据的合理性，结合其他监测项目并与类似工程案例对比，得到：1)建议选取混凝土浇筑并养护完毕、基坑开挖之前的轴力值作为初始应力值； 2)温度对轴力有较大影响，应结合其他监测项目协同分析； 3)目前采用钢筋计进行混凝土支撑轴力监测的方法在准确度上还有所欠缺。结合分析，给出了应对措施和建议。

地铁车站； 基坑工程； 混凝土支撑轴力监测； 监测数据报警； 异常数据分析

0　引言

明挖基坑在地铁车站建设中应用广泛，南方软土地区基坑工程通常采用排桩+内支撑或地连墙+内支撑的支护结构形式。地铁车站基坑工程通常采用信息化施工，而支撑结构的受力情况则是重点要监测的项目[1]。

混凝土支撑由于其高强度和强稳定性的优点，经常被当作基坑工程的支撑结构。基坑工程施工过程中，轴力值作为混凝土支撑工作状态判断的重要指标备受重视，目前混凝土支撑轴力通常采用钢筋计或应变计进行监测。监测方法的准确性对工程的安全判断至关重要，而混凝土支撑轴力当前监测方法的准确性备受质疑[2-4]，在施工过程中经常会出现混凝土支撑轴力远超控制值的现象[5]。

在基坑工程中，监测的工程价值主要体现在以监测数据反馈施工与设计[6-9]，而在科学研究中，监测则往往作为基坑变形规律和力学行为研究的重要手段[10-11]。对于监测技术本身，监测方法的合理性和在现有监测方法的限制条件下，如何获取更加科学的监测数据值得分析和讨论。

因为混凝土支撑轴力监测项目在技术方法上仍不完备，相比其他监测项目，受到了较为广泛地关注。学者和工程人员主要通过现场测试和室内试验的方法对监测项目的准确性和影响准确性的原因进行了探讨。现场测试认为环境温度和混凝土收缩徐变是导致混凝土支撑轴力偏高的主要原因[12-14]。室内试验得到了混凝土支撑在加、卸载过程中的轴力和温度变化数据，量化了温度对轴力的影响比例，并对钢筋计的焊接和布设方法进行了探讨[15]。然而，在监测报警发生后，如何在既定监测准确度限制下对监测数据进行科学分析和解读，缺乏相关案例报道和研究成果。

以武汉地铁徐家棚站为工程背景，通过对施工过程中发生的一次混凝土支撑轴力监测数据报警事件进行研究和分析，阐述了对该类报警事件的分析方法，并得出了关于混凝土支撑轴力监测项目的相关结论，以期能够为类似基坑工程报警事件的分析和处理有所指导，对混凝土支撑轴力监测项目的科学实施有所推动。

1　工程概况

徐家棚站为武汉市轨道交通8号线的中间站点，是武汉市轨道交通5、7、8号线换乘车站。8号线徐家棚站沿秦园路设置，下穿和平大道，拟建工程场地距长江大堤最近距离约600 m，距离四美塘公园约200 m。

徐家棚站为地下3层侧式站台车站，车站顶板覆土2.3～2.6 m，车站站台中心里程处底板埋深约为24.49 m。车站长约575 m，宽13.9～66.7 m，有效站台总长约186 m。

车站主体结构为双层两跨局部三层四跨矩形框架结构，本站点采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙+内支撑，车站主体结构外侧设附加防水层。

车站1—15轴主体围护结构采用1 000 mm厚地连墙+4道内支撑(第1、2、3道为混凝土支撑，第4道为钢支撑)；16—42轴主体围护结构采用1 000 mm厚地连墙+4道混凝土支撑。

1.1工程地质条件

徐家棚站地貌单元为长江一级阶地全新统冲积区。沿线上覆土层主要为近代人工填土层(Qml)、第四系全新统河流冲积土层、砂层(Q4al)，下部基岩为第三系砂质泥岩及砾岩。

车站基坑开挖范围内自上而下依次穿越的地层及其物理力学参数如表1所示。

表1　主要物理力学性质统计

1.2水文地质条件

根据含水介质和地下水的赋存条件，场区内地下水可划分为上层滞水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水3种类型。

1)上层滞水。主要赋存于两岸的人工填土中，无统一自由水面，接受大气降水和供、排水管道渗漏水垂直下渗补给，水量有限。

2)松散岩类孔隙水。主要赋存于第四系砂土层中，为本场区主要含水层，与长江水力联系密切，补给主要来源于长江水，水量丰富；由于场区砂土层多低于长江水面，故其内孔隙水多具承压性，承压水头与长江水位相近。

3)基岩裂隙水。主要赋存于中—微风化基岩裂隙中，补给方式主要为上覆含水层的下渗补给，具承压性；因场区基岩岩质较软，基岩裂隙多为密闭型或被泥质充填，基岩裂隙水贫乏。

两岸一级阶地的砂土层中的孔隙式承压水受江水影响明显，在长江丰水期，江水补给地下水，反之地下水补给江水，年变幅随着与长江距离的增大而减小。

2　基坑监测情况

自2015年4月10日车站基坑开始施工至2015年8月1日，二期段从8—17轴至8—34轴之间的冠梁及第1道混凝土支撑已浇筑完成，8—17轴至8—29轴的第2道混凝土支撑已浇筑，8—17轴至8—34轴之间已开挖完毕。

基坑开挖前，监测点已根据规范要求布设完毕。断面监测项目有围护桩顶水平/竖向位移、地表沉降、立柱沉降、混凝土支撑轴力、地下水位6项。基坑开挖过程中，依据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》和设计文件中对监测频率的要求对监测点进行连续监测，与数据分析相关的监测点布设情况和周边环境如图1所示。

图1　徐家棚站监测点布设情况及周边环境示意图

监测期间发生多次数据报警，其中以2015年7月25日至8月2日混凝土支撑轴力报警较为典型，具有重要的分析价值。

3　监测报警异常情况分析

监测报警处为8—18轴第1道支撑的ZCL10点和

8—32轴第1道支撑的ZCL16点。8—18轴至8—32轴区域的支撑体系自上而下为4道混凝土支撑结构，每道支撑依据监测规范要求位置布设钢筋计进行轴力监测，报警区域混凝土支撑轴力监测点布设如图2所示。

图2　报警区域混凝土支撑轴力监测点布设

3.1监测数据变化情况

2015年7月30日监测数据显示(见图3)，报警监测点为点ZCL16与ZCL10，最大报警值分别为6 428 kN和2 290.88 kN，超出报警值2 018.8 kN(设计控制值的70%，设计控制值为2 884 kN)，故选取监测数据较大值点ZCL16为代表点进行分析讨论。

ZCL16监测点于2015年7月4日进行埋设，随着混凝土浇筑完成并开始开挖，于7月15日对ZCL16监测点进行初始值采集，并进行正常监测工作。

至2015年7月30日，ZCL16监测点的轴力值为9 411.47 kN，累计变化量为6 428.00 kN，超出设计控制值(2 884 kN)，其监测数据近期变化规律见图3。

由图3可以看出，在2015年7月15日ZCL16初始值采集完毕后至7月30日期间，ZCL16的累计变化量在7月21日超出报警之后，于7月30日一直增大至6 428.00 kN，7月31日累计变化量回落至3 402.41 kN。

图3　混凝土支撑轴力监测数据随工况变化规律(2015年)

3.2监测数据异常情况分析

针对基坑开挖尚浅，但支撑轴力值异常情况，对ZCL16监测点从以下几方面进行分析和讨论。

3.2.1对初始频率如何取值的讨论

混凝土支撑轴力

监测过程中，考虑到整个支撑结构架设至开挖后整个周期的变形，计算混凝土支撑轴力初始值采用混凝土支撑焊接后未进行浇筑时的轴力值作为初始轴力；而采用此时刻的轴力作为初始轴力时，混凝土支撑轴力值为从绑扎钢筋至浇筑混凝土到开挖基坑的整个周期的轴力变化值，期间所产生的轴力值包括由于混凝土收缩徐变产生的轴力和由于混凝土支撑受侧向土压引起的轴力2部分。

若仅考虑由于混凝土支撑受侧向土压引起的轴力值变化，则钢筋计初始应力值的计算应选取混凝土支撑浇筑完毕且开挖之前所测频率值作为初始轴力值的计算频率，用此初始频率来计算后续轴力值，并与控制值进行对比判断。

以2015年7月30日为例进行分析，不同初始频率取算见表2。从表2可以看出：当f0采用钢筋计出场频率和焊接后频率时，轴力值计算偏大；当f0采用混凝土浇筑至开挖前频率时，轴力值为6 428.00 kN，累计变化量为3 444.53 kN；采用混凝土浇筑至开挖前频率比采用焊接后频率计算所得累计变化量小约3 000 kN。

表2　不同初始频率取算

通过对比计算可以发现，选取何时的钢筋计频率值作为初始值计算的频率，对于判断混凝土支撑轴力监测数据是否超标非常关键。经分析，应该选取混凝土浇筑并养护完毕时的轴力值作为初始应力。

3.2.2与其他工程对比论证

在混凝土支撑轴力发生报警后，由于监测点布设和采集符合规范要求，但开挖尚浅，发生如此大的数据变化属于异常情况。鉴于此，在进行分析时采用了工程类比法，查阅了部分类似案例。

将查阅的工程案例信息进行整理，如表3所示。从表3可以发现，徐家棚车站中混凝土支撑轴力监测项目远超设计控制值的现象在基坑工程中不是个例，在支撑轴力监测项目超出报警值后支撑体系工作正常，表面未见裂缝和明显变形。自出现该次报警后至今，徐家棚站支撑体系依旧完好，基坑施工安全。

3.2.3同一断面其他监测项目情况

在ZCL16断面的监测项目有围护墙顶水平位移、围护墙顶沉降、地表沉降和地下水位监测。

将同一断面其他监测项目于2015年7月31日的监测数据进行统计，如表4所示。通过表4中的数据可以发现：

1)该断面地表沉降监测数据很小，最大累计变化量仅为-2.71 mm，说明围护结构后土体未发生明显沉陷。

2)该断面的立柱沉降、围护墙顶沉降、地下水位监测项目的累计变化量比较小，变化趋势也较平缓，说明此范围的围护结构较稳定。

3)围护墙顶水平位移与第1层混凝土支撑(ZCL16)的轴力值有较强的相关性，根据监测数据，报警期间前后ZCL16断面处围护墙顶水平位移变化最大值为-1.37 mm，变化较小，可以看出围护墙侧向变形并不能给混凝土支撑轴力施加较大的压力。

上述监测项目能较好地反映土体变形情况，通过分析整个断面的变化数据，可以看出支护结构土体并未使支护结构产生较大的压缩变形。

表3　类似工程案例信息

表4　同一断面其他监测项目数据

3.2.4温度对轴力的影响

2015年7月31日上午监测到ZCL16的轴力值累计变化量为2 402.41 kN，较7月30日中午的轴力值累计变化量3 444.53 kN减小了1 042.12 kN。分析该原因主要为外部温度引起混凝土结构发生热胀冷缩现象，导致混凝土支撑轴力忽大忽小。进行监测数据分析时，应考虑不同时间点温差带来的影响。

3.2.5现场巡视情况

现场巡视时，混凝土支撑轴力表面及结构连接处未产生裂缝、起皮等明显拉压痕迹，支撑整体未有明显的弯曲现象，目前混凝土支撑处于良好的工作状态。

3.3针对此类异常情况的建议措施

针对本次报警事件，采取了以下措施。

1)由于场地地质条件较差，易产生较大变形，施工单位和监测单位加强了对监测数据的分析，判断其变化规律，变形较大且数据不收敛时应及时采取加固措施。

2)施工单位在施工过程中应加强对ZCL16监测点所在支撑的检查和巡视工作，发现混凝土表面有裂缝或弯曲以及测斜急剧增大情况时，应立即停止施工，并采取相关加固措施。

3)由于混凝土支撑与冠梁或腰梁交界处的混凝土受力较复杂，不仅受压而且受弯，混凝土支撑本身反而以受压为主。鉴于混凝土抗压强度大于抗弯、抗拉强度的特性，在混凝土支撑与冠梁或腰梁交接处的混凝土更容易受到破坏，施工单位和监测单位在现场巡视过程中不仅需要注意混凝土支撑本身，而且加强了对类似交接部位的观察。

4　结论与讨论

1)对于基坑工程，混凝土支撑轴力监测项目建议选取混凝土浇筑并养护完毕、基坑开挖之前的轴力值作为初始应力值，如此有利于将支撑的混凝土结构和钢筋骨架作为一个整体来判断轴力值的发展。

2)混凝土支撑轴力报警时应结合其他监测项目对工程的安全性进行综合判断，如此将有助于对报警数据进行正确认识。本工程同一断面其他监测项目表明周边土体和支护结构并未发生较大变形，工程处于安全稳定状态，但轴力值异常增大的原因有待深入研究。

3)混凝土支撑轴力监测项目对混凝土支撑的安全状态判断至关重要，目前一般采用埋设钢筋计的方法进行监测，但是本工程作为混凝土支撑轴力监测数据异常报警的案例和其他工程的异常报警情况，再次证明了目前采用钢筋计进行混凝土支撑轴力监测的方法在准确度上还有所欠缺。

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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

张哲(1973—)，男，山东邹城人，1993年毕业于石家庄铁道学院，工业与民用建筑专业，硕士，高级工程师，主要从事地下空间与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