城市特深基坑支撑轴力实测规律及其报警控制技术

城市特深基坑支撑轴力实测规律及其报警控制技术

【摘 要】以广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程中山三路竖井特深基坑施工为工程依托，针对基坑开挖至埋深38.4m时测点ZL4-3支撑轴力超过预警值的问题，通过现场支撑轴力实测数据对支撑轴力变化规律进行分析，提出了影响支撑轴力过大的影响因素，并制定了相应的施工方案，实践表明：“支撑表面降温+施加钢支撑+岩体卸荷”的综合技术措施可对现场轴力增加起到控制作用。该基坑轴力报警控制技术可为类似情况基坑施工提供借鉴。

【关键词】特深基坑；支撑轴力报警；现场实测；控制技术

【中图分类号】TU473 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）06-0081-04

引言

随着我国城市化进程的快速发展，各种“城市病”集中凸显，其中城市内涝问题尤为突出[1]。为缓解中心城区内涝及溢流污染状况，更好落实住建部提出的排水防涝标准要求，具有提高流域排水标准和控制溢流污染双重功能的全国首项深层隧道排水系统东濠涌试验段工程应运而生，作为深层隧道建设的“排头兵”，前期的竖井基坑建设尤为重要。对基坑工程而言，支撑轴力监测对地铁基坑开挖具有重要的工程指导意义，它是分析支护结构受力情况的重要参数，同时也是判断基坑安全的重要信息。由于地铁基坑施工边界的复杂性以及存在非荷载因素的影响，基坑支撑结构轴力的实测值与设计值存在不同程度差异[2-5]。本文以广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段中山三路竖井特深基坑施工为依托，针对深基坑支撑轴力报警的问题，通过现场实测数据对基坑支撑轴力变化规律进行分析，分

析了轴力过大的影响因素，并制定了相应的施工方案，实践表明：“支撑表面降温+施加钢支撑+岩体卸荷”的综合技术措施可对现场轴力增加起控制作用。该基坑轴力报警控制技术可为类似深基坑轴力报警提供借鉴。

1.工程背景

1.1 工程概况

中山三路竖井位于中山三路、东濠涌高架和越秀中路的交界旁，北侧为中山三路，西侧为越秀中路、东平大押博物馆及广东省实验中学，东侧为东濠涌及东濠涌高架桥。作为盾构始发井（如图1所示），其内尺寸为37.0m×15.0m×41.45m（长×宽×高）。基坑上部围护结构采用“钻孔灌注桩+四道内支撑”支护方式，基坑埋深22.1m以下为岩石喷锚支护方式；基坑防水采用Φ500mm单管旋喷桩桩间止水；中山三路竖井施工场地共7085m2，场地包括办公生活区及施工区，其中施工区场地面积4700m2。

图1 始发井及周边环境示意图

1.2 工程地质及水文概况

中山三路竖井基坑地层从上到下分别为：人工杂填土、海陆交互相沉积层、河流相冲积层、残积土层、全～微风化泥岩，其中海陆交互相沉积层、河流相冲积层中分布透水性较好的淤泥质粉、细砂层，粉、细砂层，含丰富孔隙潜水及承压水；同时中、微风化岩层裂隙发育或稍发育，局部发育溶蚀裂隙，含一定量的基岩裂隙承压水。具体中山三路竖井工程地质情况如表1所示。

1.3 支撑轴力报警概况

中山三路竖井自2014年9月30日开始基坑开挖，2015年2月14日第四道混凝土支撑浇筑完毕；2015年3月3日开挖第五层土方；随着第四道支撑以下土方的开挖施工，第三、四道支撑轴力开始出现急剧增大趋势，截止2015年4月23日晚中山三路竖井基坑累计开挖深度为38.4m，此时ZL4-3支撑轴力最大值达到24831.4kN，超过了设计提出的红色预警值21999.90kN，并呈继续增大趋势。根据国标《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）表8.0.4所示，支撑内力报警值为构件承载能力设计值的60%～80%。经计算，ZL4-3轴力值尚未超过钢筋混凝土支撑承载能力设计值（约84.6%），但基坑钢筋砼支撑轴力的持续增大已经开始影响到基坑的正常安全开挖，为确保后续基坑安全开挖，先暂停基坑开挖施工，亟需提出一个从根本上解决该基坑轴力报警的技术方案。

2.深基坑围护结构变形实测规律

2.1 基坑钢筋混凝土支撑轴力量测原理及安装方法

在钢筋混凝土支撑横梁浇筑前，将钢筋应力计焊接在钢筋笼的主筋上，基于混凝土浇筑后钢筋与混凝土共同变形与协调原理，以钢筋计的变形代表钢筋混凝土全截面的变形，计算后获得钢筋混凝土支撑轴力。钢弦式应变计现场监测值单位为赫兹，通过厂家标定的系数转化为应变，再根据应变和应力的转化公式及应力与力的转化关系最终通过公式得到轴力值。关于温度修正方面：在监测中由于混凝土支撑内外部温差变化以及混凝土徐变特性也会使混凝土应变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度修正，以提高监测结果的可靠性。其钢筋混凝土支撑轴力的计算公式如下：

式中：N—混凝土支撑轴力(kN)；K—应变计标定系数(kN/HZ2)；F1—初始频率值(HZ)；Fi—当天频率值(HZ)；E混—混凝土弹性模量(kPa)；A混—混凝土截面积(m2)；E钢—钢筋弹性模量(kPa)；A钢—钢筋截面积(m2)；Tb—应变计的温度修正系数（kN/℃）；Ti—本次测试温度值（℃）；T1—初始测试温度值（℃）。

安装方法：绑扎混凝土支撑钢筋笼时安装钢弦式混凝土应变计，埋设位置在混凝土支撑总长度的1/3处，应变计绑扎在钢筋主筋上平行于主筋轴线方向，分别埋设在混凝土支撑截面4个面的中间位置，如图2所示。

图2 钢筋应力计的安装与布设

2.2 基坑监测方案

结合中山三路竖井地质情况及周边环境保护要求，根据规范要求本基坑支护结构的安全等级为一级。为确保基坑支护结构的安全施工，最大限度减少对周边环境的影响，根据设计图纸以及相关规范，通过对围护结构墙顶水平及竖向位移、土体侧向位移、支撑轴力、地下水位、地下管线及道路沉降、建（构）筑物沉降等项目对基坑安全进行实时监控，准确判断基坑围护支撑体系稳定情况及安全性，以便更好指导基坑安全施工。具体各监测项目的监测频率、测点布设、监测仪器及控制值根据相关规范及设计文件要求进行确定。具体中山三路竖井基坑各监测项目及部分监测布点示意图如表2和图3~图4所示。

图3 中山三路竖井基坑支撑轴力、测斜等项目各测点布置平面图

图4 明挖结构基坑横断面测点布置示意图

2.3 支撑轴力实测规律

中山三路竖井基坑共设置四道混凝土支撑，在每道混凝土支撑施工完毕后立即对其支撑轴力进行监测（详见图2）。随着基坑开挖深度的增加，除支撑轴力达到报警值外，其余监测项目（如地面沉降、周边建筑物沉降、支撑竖向位移、地下水位、结构侧向位移、土体侧向位移、围护结构墙顶水平位移）监测结果均在安全稳定范围内。随着基坑开挖深度的增加，中山三路竖井基坑第一道支撑各测点（ZL1-1~ZL1-10）支撑轴力、第二道支撑各测点（ZL2-1~ZL2-6）支撑轴力、第三道支撑部分测点（ZL3-1、ZL3-2、ZL3-5、ZL3-6）及第四道支撑部分测点（ZL4-1、ZL4-2、ZL4-5、ZL4-6）支撑轴力均处于稳定状态，但第三道支撑测点（ZL3-3~ZL3-4）和第四道支撑测点（ZL4-3~ZL4-4）呈现不同程度的增加趋势。截至2015年4月24日，中山三路竖井基坑开挖深度在37.5m~38.4m之间，由于ZL4-3监测点混凝土支撑轴力值过大，已于2015年4月23日晚停止基坑开挖施工。结合现场监测数据，第三道和第四道支撑支撑受力较大，根据现场实际情况，选择测点ZL3-3、ZL4-3、ZL3-4和ZL4-4为代表进行研究。下面就结合现场施工情况对支撑轴力变化规律作一一分析。

2.3.1 支撑轴力随温度及基坑开挖深度变化规律

图6 部分测点支撑轴力随开挖深度变化曲线

从图5可以看出：①随着室外气温的突然升高（或降低），中山三路竖井基坑第三道、第四道支撑各测点支撑轴力呈不同程度的突增（或突减）趋势；②在室外气温变化不大时（连续两天的监测气温差不超过3℃）其砼支撑轴力监测数据基本趋于稳定。

从图6可以看出：中山三路竖井基坑随开挖深度的不断增大，ZL3-3、ZL4-3、ZL3-4及ZL4-4砼支撑轴力不断增大，在暂停基坑开挖施工期间，其砼支撑轴力监测值趋于稳定，其砼支撑轴力稳定具有一定的“滞后性”；

从图5和图6可以明显看出：支撑轴力与温度及基坑开挖深度的变化呈非线性关系，因此支撑轴力的变化可能为多种影响因素综合作用的结果，但不容置疑的是，温度及基坑开挖深度却是影响支撑轴力值的重要因素，另外从图5和图6也可以看出随着时间的推移，支撑轴力也会缓慢增加。

2.3.2 支撑轴力随围护结构对应位置水平位移变化规律

图8 第四道支撑围护结构水平位移与支撑轴力对应关系曲线图

从图7和图8可以看出：在中山三路竖井基坑向下开挖的过程中，第三和第四道砼支撑轴力随着相应支撑位置测点对应的桩体水平位移的变化趋势一样但并不拟合，由此可以判定通过测斜仪测定的相应支撑位置测点对应的桩体水平位移除了桩体水平变形位移外还应包括支撑混凝土轴向变形位移。在支撑混凝土浇筑前期（支撑下方基坑尚未开挖），支撑轴力主要由于混凝土收缩产生的轴向力，随着基坑的不断向下开挖，支撑基坑土体卸荷引起桩体水平位移并将作用力传递给支撑，从而引起支撑轴力的增加。

下面就分别从不同方面对钢筋混凝土支撑轴力报警的影响因素进行一一分析。

3.钢筋混凝土支撑轴力的影响因素

支撑轴力的大小是了解围护结构的受力特性、监测结构物安全性的最重要的依据之一。基坑实测支撑轴力主要由荷载作用及非荷载作用两部分组成。由于基坑向下开挖而引起基坑周边岩（土）体向基坑方向水平移动，通过围护结构（排桩或连续墙等）、围檩（腰梁或冠梁等）等将基坑向下开挖卸荷所产生的水土压力传递至钢筋混凝土支撑；而按常规方法进行实测的轴力经常是大大超出设计值，但基坑并未出现不安全工作的迹象，直至支撑

拆除，引起这种异常现象的主要原因有混凝土的徐变、收缩、温度变化以及不同开挖方式等。

3.1 混凝土徐变的影响

徐变是混凝土材料本身所固有的特征，它是指在持续荷载作用下，混凝土的应变随时间增长的现象。在长期荷载作用下，混凝土体内水泥胶体微空隙中的游离水将从毛细管里挤出并蒸发，使胶体缩小形成了徐变。工程实践表明：混凝土的徐变大小将受到混凝土配合比（骨料、水泥品种、掺和料）、环境条件（周围介质的温度及湿度、养护条件、含水量、荷载）、构件尺寸、配筋 、混凝土龄期、构件厚度以及时间长短等因素的综合影响[6]，其中时间是其中最直观的一个影响因素徐变应变是随持荷时间的增长而增加的，但其增加的速度又是随时间递减的。研究表明：混凝土徐变可以持续非常长的时间，一般在5~20年后其增长逐渐达到一个极限值，但大部分徐变却在1~2年内完成。若以持荷20年的徐变为准，则持续1年的徐变约为持荷20年的76％[7]。

3.2 混凝土收缩的影响

在钢筋混凝土支撑开始受荷进入工作状态后，混凝土在一直发生体积收缩。混凝土收缩是混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发，而使其本身体积缩小的一种物理化学现象。影响混凝土收缩的主要因素是环境的相对空气湿度和混凝土龄期，同时还与构件的厚度、水灰比以及环境温度等因素有关。收缩的影响与徐变的影响相似，混凝土在收缩时会产生收缩变形，而钢筋混凝土结构中的钢筋不会收缩，考虑到变形协调，钢筋会在阻碍混凝土收缩变形，在阻碍过程中钢筋就会发生变形，产生附加的压应力。随时间增大混凝土收缩会产生持续增大的收缩变形，因此钢筋的附加压应力会随着时间的增大而持续增大，这主要是由于混凝土收缩引起，从而导致通过钢筋计的频率反算出的混凝土的轴力偏大。影响混

凝土初期收缩的因素主要有温度、湿度及风速。水泥用量增多，养护温度提高，增大风速，均能使混凝土早期收缩增大。研究表明：混凝土的收缩往往持续很长时间，甚至在28年以后还在继续收缩。长期收缩中有一部分是由于碳化，收缩的速度则随时间而急剧降低。若以20年的总收缩值为标准，则在15天内完成14%~34％，在90天内完成40%~80％，在1年内完成66%~85％[8]。另外，相关文献显示[9]：由收缩引起的支撑轴力可以达到整个支撑轴力的1/3。

3.3 温度影响

混凝土像其他大多数的工程材料一样，受温度影响具有热胀冷缩的性质。暴露在外界的混凝土结构会受到日照、昼夜温差及季节变换带来的热量变化，从而产生热胀冷缩现象[10]。由于混凝土的热传导性能差，导致结构内部温度仍处于原来状态，在混凝土结构中形成比较大的温度梯度。若混凝土内外温度存在差别(产生内部约束应力)，混凝土整体温度下降引起的收缩受到限制(产生外部约束应力)，同时钢筋的热膨胀系数稍大于混凝土的膨胀系数，这都将引起温度应力。研究表明：在基坑不受开挖及外界环境的影响，混凝土支撑轴力值随着温度的升高而增大。另外在同一天不同时间段监测下，温度差异很大，因此造成同一天的监测结果有很大差异[11]。温度的影响表现在使混凝土支撑热胀冷缩，改变支撑的应力状态，其影响贯穿于整个监测过程。

3.4 不同开挖方式的影响

泥岩具有弹性、塑性及流变性特征，是一种粘弹塑性体。不同的开挖方式和速率对基坑变形影响不同[12]。在基坑向下开挖过程中，基坑内外土体的应力状态、工程桩的受力状态等随之发生改变，引起坑内土体发生隆起变形、坑外地表发生沉降、工程桩发生变形和位移，而在开挖间歇期内基坑变形通常是由于土体的固结和蠕变所引起的。这些都将引起

支撑轴力的增加。研究表明，因泥岩的流变特性，基坑变形具有明显的时间效应，尤其是在讨论不同开挖方式对支撑轴力影响时，更应该考虑开挖间歇期内由于土体的蠕变所引起的基坑变形。由表1可知，中山三路竖井基坑埋深30m及以下地层主要为中~微风化泥岩，含钙质，铰接良好，岩石闭合裂隙发育，岩质较新鲜。在基坑开挖工程中，土体处于逐步卸荷的情况，同时，土体所具有的流变特性使位于流变性地层的基坑工程具有明显的时间效应，若开挖层厚大，开挖速度快，基坑围岩应力会因来不及释放导致基坑支护体系应力重新分布，从而引起支撑轴力增加。

4.中山三路竖井轴力报警处理技术方案

根据前文分析，混凝土支撑轴力值受混凝土徐变、混凝土收缩、外界温度、基坑开挖深度及基坑开挖方式等因素超过报警值，然而，其它基坑监测项目(如土体测斜、地表沉降、桩顶水平位移、及周边建（构）筑物沉降等)监测结果的累计值及单次测量变化值均较小，远未达到报警值，现场勘查混凝土围护结构也未见任何裂缝等异常情况，但为确保基坑安全稳定，先暂停基坑继续向下开挖施工，采取“支撑表面降温+施加钢支撑+岩体卸荷”的综合技术措施对支撑轴力增加进行控制。

4.1 降温措施

第三、四道混凝土支撑采用混凝土应变计，混凝土应变计对温度比较敏感。根据前文实测数据分析，支撑轴力的变化与温度的变化有很大的关系，轴力的变化随着温度的升高而增大，随着温度降低而减少，根据温度的变化，结合以往施工经验，拟在第三、四道混凝土支撑梁盖麻布并洒水保证梁表面常处于湿润状态，从而达到砼表面降温目的，从温度影响角度通过降低混凝土支撑温度在一定程度上可以减小混凝土支撑内力。

4.2 支护措施

为防止原钢筋混凝土支撑发生破坏，确保基坑围护结构安全稳定，通过增设钢支撑以分担部分支撑受力。研究表明[13]：围护桩变形最大的地方为基坑中部到三分之二基坑深度处，钢支撑对深基坑变形有明显的限制作用，有利于基坑的稳定。结合中山三路竖井基坑支撑受力特征，在原基坑第三道（埋深14m）和第四道(埋深21m)混凝土支撑上方增加两道钢支撑（共8根），支撑采用Φ609mm及壁厚16mm钢管支撑，支撑围檩采用2根I50c型钢，支撑跨度约为16m。安装钢支撑后确保钢支撑和混凝土支撑共同受力。

图10 中山三路竖井增设钢支撑平面示意图

4.3 泄压措施

实践证明，采用不同的开挖方式对基坑变形影响不同。 应力控制理论[14]也称为卸压法，其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，以此来提高围岩的稳定性。结合中山三路竖井基坑支护体系特点，鉴于基坑开挖至底板后将进行14根抗拔桩（L7500mm×Φ1400）施工，人工抗拔桩进行开挖的过程也即基坑应力释放及向深层转移的过程。因此，可先不开挖坑底剩余部分（3m），在现有基坑底标高基础上继续施工中山三路竖井抗拔桩，待抗拔桩施工完毕再进行剩余部分的基坑土方开挖。

5.现场实践效果

上述技术方案实施后，经后续连续加密监测，数据分析表明：随着后续抗拔桩施工、底板封闭、主体结构施工完毕，基坑支撑轴力基本处于稳定趋势，其它各监测项目(如土体

测斜、地表沉降、桩顶水平位移、及周边建（构）筑物沉降等)监测结果的累计值及单次测量变化值均较小，远未达到报警值，现场勘查混凝土围护结构也未见任何裂缝等异常情况，因此可以确定基坑处于安全稳定状态，上述方案可以有效控制支撑轴力继续增加。

6.结论

（1）依托广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段中山三路竖井特深基坑施工工程为依托，针对基坑开挖至埋深38.4m时测点ZL4-3支撑轴力超过预警值的问题，通过对现场支撑轴力实测数据进行分析得到：支撑轴力会随着室外温度、基坑开挖深度的增加呈不同程度的增加，但支撑轴力的增加是受到混凝土收缩、混凝土徐变、室外温度、时间、开挖方式等综合作用的结果；

（2）制定了“支撑表面降温+施加钢支撑+岩体卸荷”的综合技术施工方案，实践表明：该技术措施可对现场轴力增加起控制作用。本文基坑轴力报警控制技术可为类似基坑轴力报警提供技术参考。

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