基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況分析與探討

張　哲

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南　250014)

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基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況分析與探討

張哲

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南250014)

為研究混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常情況，探討其解決方法，依托正處于主體結(jié)構(gòu)開挖階段的武漢市軌道交通8號(hào)線徐家棚站，深入分析施工過程中發(fā)生的一次混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警事件，研究監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)的合理性，結(jié)合其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目并與類似工程案例對(duì)比，得到：1)建議選取混凝土澆筑并養(yǎng)護(hù)完畢、基坑開挖之前的軸力值作為初始應(yīng)力值； 2)溫度對(duì)軸力有較大影響，應(yīng)結(jié)合其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目協(xié)同分析； 3)目前采用鋼筋計(jì)進(jìn)行混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的方法在準(zhǔn)確度上還有所欠缺。結(jié)合分析，給出了應(yīng)對(duì)措施和建議。

地鐵車站； 基坑工程； 混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)； 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警； 異常數(shù)據(jù)分析

0　引言

明挖基坑在地鐵車站建設(shè)中應(yīng)用廣泛，南方軟土地區(qū)基坑工程通常采用排樁+內(nèi)支撐或地連墻+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。地鐵車站基坑工程通常采用信息化施工，而支撐結(jié)構(gòu)的受力情況則是重點(diǎn)要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目[1]。

混凝土支撐由于其高強(qiáng)度和強(qiáng)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被當(dāng)作基坑工程的支撐結(jié)構(gòu)?；庸こ淌┕み^程中，軸力值作為混凝土支撐工作狀態(tài)判斷的重要指標(biāo)備受重視，目前混凝土支撐軸力通常采用鋼筋計(jì)或應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性對(duì)工程的安全判斷至關(guān)重要，而混凝土支撐軸力當(dāng)前監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性備受質(zhì)疑[2-4]，在施工過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)混凝土支撐軸力遠(yuǎn)超控制值的現(xiàn)象[5]。

在基坑工程中，監(jiān)測(cè)的工程價(jià)值主要體現(xiàn)在以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋施工與設(shè)計(jì)[6-9]，而在科學(xué)研究中，監(jiān)測(cè)則往往作為基坑變形規(guī)律和力學(xué)行為研究的重要手段[10-11]。對(duì)于監(jiān)測(cè)技術(shù)本身，監(jiān)測(cè)方法的合理性和在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法的限制條件下，如何獲取更加科學(xué)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值得分析和討論。

因?yàn)榛炷林屋S力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在技術(shù)方法上仍不完備，相比其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，受到了較為廣泛地關(guān)注。學(xué)者和工程人員主要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的準(zhǔn)確性和影響準(zhǔn)確性的原因進(jìn)行了探討?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試認(rèn)為環(huán)境溫度和混凝土收縮徐變是導(dǎo)致混凝土支撐軸力偏高的主要原因[12-14]。室內(nèi)試驗(yàn)得到了混凝土支撐在加、卸載過程中的軸力和溫度變化數(shù)據(jù)，量化了溫度對(duì)軸力的影響比例，并對(duì)鋼筋計(jì)的焊接和布設(shè)方法進(jìn)行了探討[15]。然而，在監(jiān)測(cè)報(bào)警發(fā)生后，如何在既定監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度限制下對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和解讀，缺乏相關(guān)案例報(bào)道和研究成果。

以武漢地鐵徐家棚站為工程背景，通過對(duì)施工過程中發(fā)生的一次混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警事件進(jìn)行研究和分析，闡述了對(duì)該類報(bào)警事件的分析方法，并得出了關(guān)于混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的相關(guān)結(jié)論，以期能夠?yàn)轭愃苹庸こ虉?bào)警事件的分析和處理有所指導(dǎo)，對(duì)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)實(shí)施有所推動(dòng)。

1　工程概況

徐家棚站為武漢市軌道交通8號(hào)線的中間站點(diǎn)，是武漢市軌道交通5、7、8號(hào)線換乘車站。8號(hào)線徐家棚站沿秦園路設(shè)置，下穿和平大道，擬建工程場(chǎng)地距長(zhǎng)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(cè)式站臺(tái)車站，車站頂板覆土2.3～2.6 m，車站站臺(tái)中心里程處底板埋深約為24.49 m。車站長(zhǎng)約575 m，寬13.9～66.7 m，有效站臺(tái)總長(zhǎng)約186 m。

車站主體結(jié)構(gòu)為雙層兩跨局部三層四跨矩形框架結(jié)構(gòu)，本站點(diǎn)采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐，車站主體結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)附加防水層。

車站1—15軸主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地連墻+4道內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地連墻+4道混凝土支撐。

1.1工程地質(zhì)條件

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

車站基坑開挖范圍內(nèi)自上而下依次穿越的地層及其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　主要物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)

1.2水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水介質(zhì)和地下水的賦存條件，場(chǎng)區(qū)內(nèi)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(tǒng)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(bǔ)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(chǎng)區(qū)主要含水層，與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切，補(bǔ)給主要來源于長(zhǎng)江水，水量豐富；由于場(chǎng)區(qū)砂土層多低于長(zhǎng)江水面，故其內(nèi)孔隙水多具承壓性，承壓水頭與長(zhǎng)江水位相近。

3)基巖裂隙水。主要賦存于中—微風(fēng)化基巖裂隙中，補(bǔ)給方式主要為上覆含水層的下滲補(bǔ)給，具承壓性；因場(chǎng)區(qū)基巖巖質(zhì)較軟，基巖裂隙多為密閉型或被泥質(zhì)充填，基巖裂隙水貧乏。

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

2　基坑監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)點(diǎn)已根據(jù)規(guī)范要求布設(shè)完畢。斷面監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有圍護(hù)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(xiàng)?；娱_挖過程中，依據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和設(shè)計(jì)文件中對(duì)監(jiān)測(cè)頻率的要求對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，與數(shù)據(jù)分析相關(guān)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況和周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1　徐家棚站監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況及周邊環(huán)境示意圖

監(jiān)測(cè)期間發(fā)生多次數(shù)據(jù)報(bào)警，其中以2015年7月25日至8月2日混凝土支撐軸力報(bào)警較為典型，具有重要的分析價(jià)值。

3　監(jiān)測(cè)報(bào)警異常情況分析

監(jiān)測(cè)報(bào)警處為8—18軸第1道支撐的ZCL10點(diǎn)和

8—32軸第1道支撐的ZCL16點(diǎn)。8—18軸至8—32軸區(qū)域的支撐體系自上而下為4道混凝土支撐結(jié)構(gòu)，每道支撐依據(jù)監(jiān)測(cè)規(guī)范要求位置布設(shè)鋼筋計(jì)進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)，報(bào)警區(qū)域混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2　報(bào)警區(qū)域混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況

2015年7月30日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示(見圖3)，報(bào)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)為點(diǎn)ZCL16與ZCL10，最大報(bào)警值分別為6 428 kN和2 290.88 kN，超出報(bào)警值2 018.8 kN(設(shè)計(jì)控制值的70%，設(shè)計(jì)控制值為2 884 kN)，故選取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較大值點(diǎn)ZCL16為代表點(diǎn)進(jìn)行分析討論。

ZCL16監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2015年7月4日進(jìn)行埋設(shè)，隨著混凝土澆筑完成并開始開挖，于7月15日對(duì)ZCL16監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行初始值采集，并進(jìn)行正常監(jiān)測(cè)工作。

至2015年7月30日，ZCL16監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力值為9 411.47 kN，累計(jì)變化量為6 428.00 kN，超出設(shè)計(jì)控制值(2 884 kN)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)近期變化規(guī)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(jì)變化量在7月21日超出報(bào)警之后，于7月30日一直增大至6 428.00 kN，7月31日累計(jì)變化量回落至3 402.41 kN。

圖3　混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨工況變化規(guī)律(2015年)

3.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況分析

針對(duì)基坑開挖尚淺，但支撐軸力值異常情況，對(duì)ZCL16監(jiān)測(cè)點(diǎn)從以下幾方面進(jìn)行分析和討論。

3.2.1對(duì)初始頻率如何取值的討論

混凝土支撐軸力

監(jiān)測(cè)過程中，考慮到整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)至開挖后整個(gè)周期的變形，計(jì)算混凝土支撐軸力初始值采用混凝土支撐焊接后未進(jìn)行澆筑時(shí)的軸力值作為初始軸力；而采用此時(shí)刻的軸力作為初始軸力時(shí)，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(gè)周期的軸力變化值，期間所產(chǎn)生的軸力值包括由于混凝土收縮徐變產(chǎn)生的軸力和由于混凝土支撐受側(cè)向土壓引起的軸力2部分。

若僅考慮由于混凝土支撐受側(cè)向土壓引起的軸力值變化，則鋼筋計(jì)初始應(yīng)力值的計(jì)算應(yīng)選取混凝土支撐澆筑完畢且開挖之前所測(cè)頻率值作為初始軸力值的計(jì)算頻率，用此初始頻率來計(jì)算后續(xù)軸力值，并與控制值進(jìn)行對(duì)比判斷。

以2015年7月30日為例進(jìn)行分析，不同初始頻率取算見表2。從表2可以看出：當(dāng)f0采用鋼筋計(jì)出場(chǎng)頻率和焊接后頻率時(shí)，軸力值計(jì)算偏大；當(dāng)f0采用混凝土澆筑至開挖前頻率時(shí)，軸力值為6 428.00 kN，累計(jì)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(jì)算所得累計(jì)變化量小約3 000 kN。

表2　不同初始頻率取算

通過對(duì)比計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，選取何時(shí)的鋼筋計(jì)頻率值作為初始值計(jì)算的頻率，對(duì)于判斷混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否超標(biāo)非常關(guān)鍵。經(jīng)分析，應(yīng)該選取混凝土澆筑并養(yǎng)護(hù)完畢時(shí)的軸力值作為初始應(yīng)力。

3.2.2與其他工程對(duì)比論證

在混凝土支撐軸力發(fā)生報(bào)警后，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和采集符合規(guī)范要求，但開挖尚淺，發(fā)生如此大的數(shù)據(jù)變化屬于異常情況。鑒于此，在進(jìn)行分析時(shí)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(jìn)行整理，如表3所示。從表3可以發(fā)現(xiàn)，徐家棚車站中混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)控制值的現(xiàn)象在基坑工程中不是個(gè)例，在支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超出報(bào)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(xiàn)該次報(bào)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(jiān)測(cè)項(xiàng)目情況

在ZCL16斷面的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有圍護(hù)墻頂水平位移、圍護(hù)墻頂沉降、地表沉降和地下水位監(jiān)測(cè)。

將同一斷面其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目于2015年7月31日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示。通過表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1)該斷面地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)很小，最大累計(jì)變化量?jī)H為-2.71 mm，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)后土體未發(fā)生明顯沉陷。

2)該斷面的立柱沉降、圍護(hù)墻頂沉降、地下水位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的累計(jì)變化量比較小，變化趨勢(shì)也較平緩，說明此范圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

3)圍護(hù)墻頂水平位移與第1層混凝土支撐(ZCL16)的軸力值有較強(qiáng)的相關(guān)性，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，報(bào)警期間前后ZCL16斷面處圍護(hù)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(hù)墻側(cè)向變形并不能給混凝土支撐軸力施加較大的壓力。

上述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目能較好地反映土體變形情況，通過分析整個(gè)斷面的變化數(shù)據(jù)，可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)土體并未使支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)

3.2.4溫度對(duì)軸力的影響

2015年7月31日上午監(jiān)測(cè)到ZCL16的軸力值累計(jì)變化量為2 402.41 kN，較7月30日中午的軸力值累計(jì)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(jié)構(gòu)發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土支撐軸力忽大忽小。進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)，應(yīng)考慮不同時(shí)間點(diǎn)溫差帶來的影響。

3.2.5現(xiàn)場(chǎng)巡視情況

現(xiàn)場(chǎng)巡視時(shí)，混凝土支撐軸力表面及結(jié)構(gòu)連接處未產(chǎn)生裂縫、起皮等明顯拉壓痕跡，支撐整體未有明顯的彎曲現(xiàn)象，目前混凝土支撐處于良好的工作狀態(tài)。

3.3針對(duì)此類異常情況的建議措施

針對(duì)本次報(bào)警事件，采取了以下措施。

1)由于場(chǎng)地地質(zhì)條件較差，易產(chǎn)生較大變形，施工單位和監(jiān)測(cè)單位加強(qiáng)了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，判斷其變化規(guī)律，變形較大且數(shù)據(jù)不收斂時(shí)應(yīng)及時(shí)采取加固措施。

2)施工單位在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)ZCL16監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在支撐的檢查和巡視工作，發(fā)現(xiàn)混凝土表面有裂縫或彎曲以及測(cè)斜急劇增大情況時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并采取相關(guān)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(fù)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(qiáng)度大于抗彎、抗拉強(qiáng)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(jiān)測(cè)單位在現(xiàn)場(chǎng)巡視過程中不僅需要注意混凝土支撐本身，而且加強(qiáng)了對(duì)類似交接部位的觀察。

4　結(jié)論與討論

1)對(duì)于基坑工程，混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建議選取混凝土澆筑并養(yǎng)護(hù)完畢、基坑開挖之前的軸力值作為初始應(yīng)力值，如此有利于將支撐的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋骨架作為一個(gè)整體來判斷軸力值的發(fā)展。

2)混凝土支撐軸力報(bào)警時(shí)應(yīng)結(jié)合其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)工程的安全性進(jìn)行綜合判斷，如此將有助于對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行正確認(rèn)識(shí)。本工程同一斷面其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表明周邊土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大變形，工程處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，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(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)混凝土支撐的安全狀態(tài)判斷至關(guān)重要，目前一般采用埋設(shè)鋼筋計(jì)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是本工程作為混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常報(bào)警的案例和其他工程的異常報(bào)警情況，再次證明了目前采用鋼筋計(jì)進(jìn)行混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的方法在準(zhǔn)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(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，工業(yè)與民用建筑專業(yè)，碩士，高級(jí)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