对地铁基坑混凝土支撑轴力监测精准性的探讨
2010-01-10 23:48
对地铁基坑混凝土支撑轴力监测精准性的探讨
李文峰
（苏州轨道交通有限公司, 苏州 215006）
摘 要：混凝土支撑在深基坑支护系统中应用十分广泛，在基坑施工监测中常综合支撑轴力变化情况判断基坑稳定性，但诸多原因导致了支撑实测轴力和设计轴力存在较大的差异。根据苏州轨道交通一号线广济路站基坑混凝土支撑轴力监测数据综合基坑的围护形式、开挖形式和实时工况，对混凝土支撑轴力监测计算结果进行了详细的分析，总结了影响实测轴力变化较大的主要因素，提出了混凝土支撑轴力计算的优化建议。
关键词：基坑监测 钢筋混凝土支撑 支撑轴力 钢筋应力计 初始值
中图分类号： 文献标识： 文章编号：
Concrete foundation to support the MTR to monitor the axial force of accuracy
LI Wen-feng
（Suzhou Rail Transit Co., Ltd. ,Suzhou 215006,china.）
Abstract: The concrete support is widely used in the system of deep excavation. In foundation construction monitoring is often integrated to support the changes in axial force to determine the stability of foundation, but led to a number of reasons for supporting the design of the measured axial force and a large axial force differences. According to Rail Transit Line in Suzhou Guangji Station Concrete Foundation axial force monitoring data to support comprehensive foundation of retaining the form of excavation work and real-time status of the form of concrete support to monitor the results of axial force carried out a detailed analysis, concluding the measured axial force of the impact of changes in the larger main factors put forward a concrete calculation of axial force to support the proposed optimization.
Key words: Foundation monitoring, reinforced concrete support, support shaft, steel stress, initial value
0 引言
在深基坑开挖的施工监测过程中，基坑工程往往处于力学性质相当复杂的地层中，由于地下工程存在较大的不确定性和工程设计估算的简化、假定法的自身缺点，以及地下工程施工过程中，存在着时诸多偶然因素的作用，使得对基坑支护结构监测所获得的数据和设计预算的数值存在一定的差异，在类似监测工程中经常出现混凝土支撑实测轴力远大于设计轴力的情况，对此许多学者基于工程实例对产生这一情况的原因进行了初步的研究和讨论[1]~[7]，本文结合苏州轨道交通一号线广济路站施工监测的具体情况，并在前人研究、分析的基础上，提出了混凝土支撑轴力计算的优化建议。
1 工程概况
苏州轨道交通一号线广济路站位于苏州市干将路与广济路交叉路口，沿干将路呈东西走向，为1、2号线地下换乘车站，基坑开挖采用半盖挖法施工，标准段深约16米，盾构井段约17.7米，全部采用三道混凝土支撑，支撑截面为1000*1000，上下各11根φ22钢筋，左右各7根φ22钢筋。
2 计算分析
2.1 监测结果与计算结果的差异分析
在实际监测过程中发现随着基坑开挖深度的加深，基坑支撑的监测轴力值变化较快并远大于设计值，有的甚至好几倍，以标准段8-2道混凝土支撑轴力为例，最大监测轴力值接近15000KN，远远超过该段8700KN的设计值。
根据监测方案，编号8-2道混凝土支撑内共埋设了2根钢筋计，左右对称布设。在实际监测过程中，两根钢筋计的变形曲线如图1：
图1:钢筋计读数变化时程曲线图
Figure 1: Reinforcement of reading time-curve of change
由上图中可以看出：钢筋计内力增加（钢筋计测量读数减小为支撑受压、轴力增加的结果）与施工工况联系紧密，在基坑土方开挖至下层混凝土支撑浇筑之间的时段，为混凝土支撑轴力增长较快阶段；第三层混凝土支撑浇筑完毕后，第二层混凝土支撑轴力变化速率明显降低。
目前，国内对混凝土支撑轴力的计算公式普遍采用刘建航主编的《基坑工程手册》中：
（1）
（2）
N—支撑轴力（kN）；
Ab、As—支撑截面面积和钢筋截面面积（㎡）；
Ec、Es—混凝土、钢筋弹性模量（kPa）；
fi—应力计的本次读数（Hz）；
f0—应力计的初始读数（Hz）；
Ks—应力计的标定系数（kN/Hz2）；
Tb—应力计的温度修正系数（10-6/℃）；
Ti—应力计的本次测试温度值（℃）；
T0—应力计的初始测试温度值（℃）；
Ai—钢筋计截面面积（㎡）。
公式（1）为先算各个应力计平均值，然后把得到的平均应变扩散到整个钢筋混凝土截面上得出该截面受力情况，公式（2）为用各个应力计测得的值计算截面受力情况，然后取其平均，得出该截面受力情况，两种计算结果及意义存在一定的差别。公式（1）更能反应该截面局部受力情况，所以目前混凝土支撑的轴力计算一般采用公式（1），而在实际计算过程中一般不进行温度的修正。
但是通过计算公式可以看出：通过等应变计算混凝土支撑轴力，如果钢筋计的测试存在误差，则会被放大很多倍，8-2支撑就被放大约425倍，造成最后的轴力值存在较大的误差。但国内目前还没有更先进的理论和方法。
2.2 影响轴力变化的主要因素
混凝土支撑轴力为水泥混凝土及内部钢筋的综合力，应从各个角度分析其轴力变化机理，分析影响轴力变化的主要因素：
（1）钢筋应力计的灵敏度；
测试系统的灵敏度高意味着它能检测到被测物理量极微小的变化，但灵敏度越高，往往测量范围愈窄，对外界干扰也就越敏感，在实际监测过程中，如何选择合理的传感器对所测的物理量差异也存在一定的影响。
（2）混凝土支撑配筋；
目前普遍应用的混凝土轴力计算公式是根据每个应力计测量的平均值计算钢筋单位截面积所受应力值，将混凝土截面积按其和钢筋弹性模量关系折算成钢筋的截面积，再根据单位截面积的应力值，计算换算后的整个支撑截面的应力值，而换算后的计算结果和实际值必然存在一定的误差，因此混凝土支撑配筋、截面积以及弹性模量指标也是衡量支撑轴力监测值是否精确的一个重要指标。
（3）温度；
由本文中上述公式所示，混凝土支撑轴力的监测值和温度的变化存在直接的关系，测试温度和初测温度差距越大，所测算的轴力和实际轴力偏差也就越大。
（4）混凝土的收缩和徐变；
混凝土的硬化过程实际就是水泥拌合物的水化反应，反应过程中会混凝土本身会产生一定收缩，而混凝土和钢筋计之间的徐变协调差异也易导致钢筋计产生一定量的附加压力。
（5）基坑开挖后围护结构位移及立柱隆沉；
基坑开挖后，基底土体的卸载回弹，基坑内外的土体由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变，应力状态的改变引起立柱隆沉、围护结构承受荷载产生变形，而围护结构、立柱之间的变形差异导致支撑受力并不是单纯的轴向受力，存在必然的扭矩，所测得应力分布不均，计算的轴力也和设计预算值存在一定的差异。
2.3 混凝土支撑轴力计算的优化建议
综上所述各方面的因素影响，测算的混凝土支撑轴力与设计预算值存在较大差异是肯定存在的，甚至差异更大，因此在实际的监测过程中，混凝土支撑所测算的轴力不能简单的作为最后的报警依据，需结合工程经验对轴力计算进行优化，其结果结合基坑其他监测项目数据综合分析基坑及周边环境安全情况。以下针对混凝土支撑轴力的计算提出几点优化：
（1）钢筋应力计的选择。钢筋应力计的选择时应事先查阅工程设计图纸、设计计算书和有关说明，了解所测支撑轴力在监测期间的最大值和变化范围，合理选择相应量程、灵敏度的钢筋应力计。一般来说，对传感器的基本要求是：
a．输入与输出之间成比例关系，直线性好，灵敏度高。
b．滞后、漂移误差较小。
c．不因其接入而使测试对象受到影响。
d．抗干扰能力强。
（2）钢筋应力计的布设。目前钢筋混凝土支撑杆件是通过钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件反算支撑的轴力。当监测断面选定后监测传感器应布置在该断面的4个角上或4条边上以便必要时可计算轴力的偏心距，且在求取平均值时更可靠，以防止个别传感器埋设失败或遭施工破坏等情况。
（3）温度。在日常监测过程中应选取每天同一时段温度接近的时候进行测读钢筋应力计的读数，温差变化较大的区域应进行必要的温度修正。
（4）初始值的选取。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，如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里这种附加压力，但其并不是因基坑开挖所引起的，这样就会导致测算的轴力显然比设计轴力偏大，而采用第二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。
（5） 同层混凝土支撑体系中建议在典型位置设置几道钢支撑，毕竟钢支撑的支撑轴力是直接的、精准的，这样可以印证校核混凝土撑监测轴力误差。
3 结论
（1）基坑混凝土支撑实测轴力和设计轴力存在较大的差异是深基坑施工监测工程中经常出现的情况，系受多种因素控制的，只要综合考虑这些影响因素，制定合理的优化方案，便能将这种差异降低到最小。
（2）钢筋应力计的布设是影响轴力计算的关键因素，因此每个混凝土支撑轴力监测点应在该断面的4个角上或4条边上对称布置钢筋应力计。
（3）混凝土支撑轴力的初始值应在混凝土支撑浇注完毕达28天强度后、基坑开挖前进行采集，这样可有效剔除因混凝土的硬化收缩而使钢筋计产生的附加压力。
（4）由于目前国内仍缺乏可直接测量混凝土支撑轴力的有效实用仪器以及更先进、更近于实际的理论计算方法，因此仍需进一步加强对混凝土支撑轴力的研究和探讨。
（5）在实际的监测工作中，不能简单根据单根混凝土支撑轴力平均累计值作为最后的报警依据，在关注平均轴力累计值的同时，需要结合施工工况关注其变化趋势，并应结合围护结构的水平位移等其他监测项目数据对支撑轴力的变化进行分析。
参考文献
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[9] 《土木工程监测技术》 中国建筑工业出版社
[10] 《岩土工程安全监测手册》 辽宁科学技术出版社
[11] 《城市地下工程施工监测与信息反馈技术》 科学出版社。
作者简介：
李文峰（1976-），男，山西吕梁人，2000年毕业于兰州铁道学院铁道工程专业，大学本科，工程师，参与了南京地铁1号线鼓楼站施工、北京地铁奥运支线BT项目管理，现主要从事苏州轨道交通建设设计管理工作。
