地铁车站基坑开挖混凝土支撑轴力监测分析及研究

地铁车站深基坑混凝土支撑轴力监测分析及研究摘要：结合郑州地铁3号线中兴路站基坑工程的设计和施工方案，对混凝土支撑轴力监测的原理进行介绍。在对基坑施工过程中轴力监测数据变化进行分析的基础上，对其形成原因进行了探讨，得到一些经验性规律，供类似工程参考。关键词：钢筋混凝土；支撑轴力；监测；分析引言我国基础建设的快速发展，深基坑工程的建设也越来越多，在深基坑施工过程中，深基坑的支护起着举足轻重的作用。只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测，才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解，支撑结构轴力的监测是基坑工程现场监测的主要内容之一。通过对轴力的监测，可准确掌握支护结构的受力状况，从而对基坑的安全性状进行分析，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计方案，从而保证基坑本身和周围建筑物、构筑物的安全，以确保工程的顺利进行。结合郑州地铁3号线基坑工程的设计方案和监测数据，对基坑的混凝土支撑轴力变化进行初步分析。1工程概况中兴路站为5号线与3号线换乘站，为地下三层岛式车站，车站设置在心怡路与商都路交叉路口，沿商都路东西向布置。心怡路规划道路红线宽50m，商都路规划道路红线宽100m，周边规划以居住、行政办公用地为主,车站东北象限地块为中晟国际广场，其地下室边线均距离车站基坑较远，影响较小；东南象限为市交警指挥中心，距离车站基坑约123m；西南象限为正岩大厦，其地下室边线距离车站基坑约46m，西北象限为海马公园小区，其地下室边线距离车站基坑约72m。地下管线主要有电力管、燃气管、给水管、雨水管、污水管、通信光缆及热力管等；控制性管线为：沿车站方向直径为500的污水管；埋深4.15m左右，拟永久迁到车站施工影响范围外；垂直于车站方向的110kv高压线（端部入地埋深5.65m），拟永久迁到车站施工影响范围外；沿车站方向2400*1400、2000*1200埋深1.2m的雨水箱涵等，拟临时改迁，待车站施工完毕后回迁。中兴路站有效站台中心里程右CK25+612.708,有效站台长度140m，站台宽度14m，车站外包长度324.74m，标准段宽23.50m，盾构井段及换乘节点段宽27.60m，标准段基坑深度24.75m，盾构井段及换乘节点段基坑深度约26.05m，中心里程处中心覆土3.20m，车站主体为地下三层双柱三跨，箱型框架结构，采用明挖顺筑法施工，车站大小里程段均设盾构接收井，车站主体围护结构采用1000mm厚地下连续墙+内支撑方案；标准段设置四道支撑及一道换撑，盾构井设置五道支撑及一道换撑。中兴路站第一道混凝土支撑平面示意图由于基坑开挖深度较大，主体结构为换乘节点基坑，站位商都路与心怡路交叉口，开挖深度在超过25m的基坑为Ⅰ级风险源。换乘段基坑深度约25.95m。风险等级为Ⅰ级，风险控制措施：加强基坑支护结构设计，设置止水帷幕，共设5道支撑+一道换撑；加强对基坑围护结构及周边建筑物的监测。必须通过监测随时掌握土层和支护结构的内力变化情况，将监测数据与设计预估值进行分析对比，以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期值，以确定优化下一步施工参数，以此达到信息化施工的目的，确保工程安全。2、监测意义及目的郑州市轨道交通5号线工程周围各类建筑物多、粉土、细砂层施工难度大。在地铁施工期间对地铁结构工程及施工沿线周围重要的地下、地面建(构)筑物、地面道路等实施变形、内力等方面的监测，为相关单位提供及时、可靠的信息用以评定地铁工程在施工期间的安全性及施工对周边环境的影响，并对可能发生的危及施工、周边环境安全的隐患或事故及时、准确的预报，以便及时采取有效措施消除隐患，避免事故的发生。监测的数据和资料主要满足以下几方面的要求：（1）使相关单位能完全客观真实地了解工程安全状态和质量程度，掌握工程各主体部分的关键性安全和质量指标，确保地铁工程能按照预定的要求顺利完成；（2）按照安全预警位发出报警信息，既可以对安全和质量事故做到防患于未然，又可以对各种潜在的安全和质量隐患做到心中有数；（3）通过监测，掌握施工对围岩及既有建筑物的影响程度，用以修改设计参数，达到信息化设计目的。从某种意义来看，地铁施工对周围建筑物的影响比地铁工程本身安全更需关注，因此对周围建筑物的安全监测工作，应放在工作的首位；（4）可以丰富设计人员和专家对类似工程的经验，以利专家解决工程中所遇到的难题。3、轴力监测的原理混凝土支撑的测点布置主要由平面、立面、断面三方面因素所决定。平面即同一标高、同一道支撑内量测杆件的选择，原则上应参照支护设计方案中各道支撑内力计算结果，选择轴力最大的杆件予以跟踪监测。在缺乏计算资料的情况下，通常可选择平面净跨较大的支撑杆件布设测点。立面是指不同标高处各道支撑的测试选择。对于钢筋混凝土支撑，为了能真实反映出支撑杆件的受力状况，测试断面内一般应配置4个钢筋应力计，位置分别选择在四侧的中间。对于混凝土支撑，目前实际工程采用较多的是钢弦式应力计方法测量钢筋的应力，其基本原理是利用振动频率与其应力之间的关系建立的。受力后，钢筋两端固定点的距离发生变化，钢弦的振动频率也发生变化，根据所测得的钢弦振动频率变化即可求得弦内应力的变化值。其计算公式如下：Pg＝K()+b⑴Pg平均=(P1+P2+P3+P4+…+Pn)/n⑵δg=Pg平均/Sg⑶P混凝土=δg·S混凝土·E混凝土/Eg⑷式中Pg———钢筋计轴力；Pg平均———钢筋计荷载平均值；δg———钢筋计应力值；Sg———钢筋计截面积；P混凝土———混凝土桩荷载值；E混凝土———混凝土弹性模量；Eg———钢筋弹性模量；S混凝土———混凝土桩横截面积。混凝土支撑内力计算F＝Fi/Ai∙（As＋Ac∙Ec/Es）其中：Fi为钢筋计的平均力，单位为KN。多个钢筋计可以取其平均值。Fi＝K∙（fo2－fi2）K为钢筋计标定系数，单位为KN∕Hz2。fo为传感器初始零位，单位Hz。fi为测量值，单位为Hz。Ai：钢筋计标称面积；As：支撑钢筋总面积；Ac：混凝土面积；Ec：混凝土弹性模量；Es：支撑钢筋弹性模量。在监测中由于内外部温差变化以及混凝土徐变特性会使钢筋应力计产生一定的伸缩变形，引起其自振动频率变化，因此必须采取必要的修正参数进行温差改正，以提高监测结果的可靠性。4、测点的布置本工程混凝土支撑设计强度等级为C30，弯曲抗压强度为16MPa，抗拉力为1.75MPa，采用钢弦式钢筋计进行轴力监测。监测点位埋设在混凝土支撑中部位置，应力计安装位置如图2所示，分别对应所在的支撑编号后加编1、2、3、4予以区分。5、监测方法和要求⑴测量仪器的选型，要考虑最大可能需要的量程并根据基坑工程只在地下施工期内使用的性质选用满足安全监测要求、合适的仪器。⑵尽量做到测量定人，定仪器；观测数据不得随意涂改，测量数据有疑问时，应做到反复观测寻找问题原因。⑶传感器安装埋设前要进行检验和率定，绘制监测点安装埋设详图，并按照方案和埋设要求做好埋设准备。传感器埋设时，核定传感器的位置是否正确，埋设的准备是否符合技术要求，按监测的位置和方向埋设传感器。⑷所有监测点安装埋设完成后，及时绘制监测点位置图，并加强对现场测点保护，以防监测点被破坏。⑸各监测项目变形量或测量值接近或到达报警值时，应反复核实、及时发出预警报告或报警，并提请业主及有关单位注意。由于混凝土初期浇筑会产生水化热，为了减少温度的影响，在混凝土浇筑24h以后进行量测，在以后的几天内混凝土散热渐次进行，可认为混凝土的收缩是产生应力计中应力的主要来源。现场条件下，为了控制无外荷条件，在混凝土浇筑后4~7d内，未进行挖土的条件下，连续测得应力计读数与时间的关系，读得应力计读数基本稳定时的值，作为修正后应力计值，以此作为初始值进行应力量测。6、支撑轴力测试与计算初始值测试：混凝土钢筋应力计初始频率应当在开挖前混凝土凝固后取初值，钢支撑初频应该在施压前取值。对于埋设钢筋应力计的混凝土支撑轴力，测量初始值的争议较大，有人认为应该取未安装状态下的值为初始值，或直接用标定系数中的初始值，也有人认为应该取基坑开挖前的值为初始值。在混凝土支撑浇筑后，混凝土的硬化收缩而导致钢筋计产生一定量的附加压力，入采用标定系数的初始值，则后续监测过程中所测算的轴力值就必然包含了这种附加压力，但其并不是因为基坑开挖所引起的，这样就会导致测算轴力显然比设计轴力偏大，而采用第2种初值的选取方案则可有效避免附加压力对支撑综合轴力的影响。支撑轴力的测试是了解围护结构受力特性、监测结构物安全性的重要依据。在监测过程中首先通过采集钢筋计的读数，按照上述公式编制相应的程序进行轴力结果自动计算，然后在支撑浇筑初期计入混凝土龄期对弹性模量的影响。在室外温度变化幅度较大的季节，通过相应的温度改正，避免暴冷暴热温差对测试结果的干扰影响测试精度。图3是部分支撑轴力测试值随时间的变化曲线图。图3.支撑轴力变化值总的来看，从10号初期基坑开挖施工开始，随着基坑逐步分区域开挖的进行与开挖深度的加大，支撑结构的支撑轴力逐渐加大，到19号开挖至坑底时，支撑轴力逐渐趋于稳定。图3中盾构始发井和所在区域的监测点ZCL06最终支撑轴力接近903kN，ZCL01最终支撑轴力接近715kN，也都大于设计值700kN的。所有的混凝土支撑曲线形状基本类似，只是处于盾构始发井钢筋混凝土支撑的最终轴力比明挖段的最终轴力大，可以认为是由于开挖深度不同导致。4监测数据分析4.1监测数据异常分析监测初期，ZCL03、ZCL05测点的支撑轴力实测值为负值，随开挖深度的加大，支撑轴力由负变正，即由理论上的轴向拉力变为轴向压。出现负值的原因，笔者认为是埋设在支撑上的钢筋计、应变计等元件所测到的钢筋或混凝土应力并非全部是由荷载产生的，还有多种非荷载因素产生的附加应力，而引起非荷载应力的主要原因有混凝土的干缩、湿胀、徐变和构件温度变化等。混凝土支撑未出现裂缝等不安全、失稳迹象。同步监测的支护结构墙（桩）顶水平位移和沉降、支护结构（墙体）侧向位移也没有突然变化加大的趋势，一直处于变形比较稳定的状态。由于基坑场地范围砂质地层厚度大，砂层含水丰富、渗透性强，为了确保基坑安全施工，基坑安全应急处理专家在11月18日采取停止基坑开挖和加强监测频率的应急预案。通过后来连续2天的监测结果表明基坑各项变形暂时比较缓慢，观察支撑未出现裂缝等不安全、失稳迹象。通过检查验证监测方法和监测数据的计算后，综合分析同步监测的支护结构墙（桩）顶水平位移和沉降、支护结构（墙体）侧向位移监测数据，基坑安全应急处理专家小组集体判断认为基坑暂时处于安全状态。混凝土支撑系统的轴力监测结果普遍异常一直到基坑开挖结束，而支撑系统一直处于正常的工作状态。4.2原因分析在实际工程施工过程中，出现混凝土轴力监测异常的原因是多方面的，主要有以下几个：a）由于基坑工程设置于力学性质相当复杂的地层中，基坑围护结构支撑的空间受力是三维的，而在基坑围护结构设计和变形预估时，一方面，基坑围护体系所承受的土压力等荷载存在着较大的不确定性；另一方面，对地层和围护结构支撑一般都作了较多的简化和假定，与工程实际有一定的差异。因此现阶段在基坑工程设计时，对结构内力计算以及结构和土体变形的预估与工程实际情况有较大的差异，并在相当程度上仍依靠经验。b）在钢筋混凝土支撑开始受荷进入工作状态后，有两个方面应该引起注意：①混凝土材料本身的复杂性。混凝土是存在微裂缝及空隙的多相材料，不是理想的弹性材料，弹性模量等力学参数随时间而变化，存在徐变、松弛、热胀冷缩、湿胀干缩等现象，骨料分离可能导致的不均匀性等。②混凝土一直存在体积收缩和徐变，收缩和徐变的发生都会增大结构的变形，也都会使混凝土的弹性模量降低，同时造成结构内力重分布，即产生次内力。钢筋不发生收缩，但存在徐变，其徐变速率不及混凝土，当轴力荷载作用在钢筋混凝土杆件时，由于收缩和徐变的发生，混凝土轴向变形速率高于钢筋，钢筋的变形和轴力在混凝土与钢筋间的粘结力的作用下会明显地增加，导致发生更大的弹性压缩，尤其是在混凝土徐变和收缩发展较快的初期