浅谈城际铁路超深圆形竖井围护结构内环梁支撑轴力监测

刘自强 ,乌志猛

摘要：随着粤港澳大湾区建设发展，城市地下工程建设规模越来越大，为经济适用圆形超深基坑的适用越来越多，所处的地质条件越来越复杂，技术难度及施工难度随之越来越大。施工监测是指导基坑开挖和围护结构支撑施工的有力保障，环梁支撑轴力更是其中一个重要指标，其监测数据将直接反映基坑围护结构的受力状态与稳定性。鉴于圆形工作井的受力体系及轴力监测方法，监测过程中如何减小结构自身及外部影响因素所导致的误差，获取更加准确的监测数据是施工监测的重中之重。

关键词：监测原理；监测方法；异常数据分析

1 工程概况

深圳机场至大亚湾城际深圳机场至坪山段工程（以下简“深大城际”）是粤港澳大湾区城际铁路网的重要组成部分，线路全长69.2公里，采用全地下敷设方式。深大城际石龙区间1#工作井及出碴井位于深圳市龙华区，作为石龙区间四台盾构始发工作井，其中1#工作井为圆形工作井，工作井基坑内径36m，深约63.7m，围护结构均采用800mm厚吊脚地下连续墙+内环梁。

2 轴力监测原理

本工程采用振弦式钢筋应力计进行内环梁应力监测，其基本原理是当钢筋计受轴力时，引起弹性钢弦的张拉拢变化，改变钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小，换算而得混凝土结构所受的力。其计算公式如下：

⑴ 

⑵

⑶ 

⑷ 

式中：——钢筋计轴力； ——钢筋计荷载平均值；——钢筋计应力值; ——钢筋计截面积；——混凝土桩荷载；——混凝土弹性模量；——钢筋弹性模量；——混凝土桩截面积

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，并根据季节变化情况以每天固定时刻采集数值，以提高监测结果的可靠性、准确性。

3 监测方法与分析

（1）监测点布设：本工程环梁混凝土设计强度等级为C30，弯曲抗压强度为16 MPa，抗拉力为 1.75 MPa，采用振弦式钢筋应力计进行轴力监测。

（2）监测频率：本工程采用NB振弦采集器进行自动化数据采集。数据采集以每日0:00开始，间隔2h采集一组数据。

（3）初始值确定：本工程内环梁随基坑开挖同步施做。根据设计要求，内环梁混凝土强度需达到设计强度后方可进行后续土方开挖。结合混凝土水化热对振弦钢筋应力计的影响，初始值需待混凝土强度达到设计强度，并于基坑开挖前测取初始值。

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以后安装自动监测设备NB振弦采集器，并设置采集频率每天0:00开始每2小时采集一次数据，直到混凝土散热达到设计强度100%，在混凝土达到设计强度期间用内应力的变化，可认为混凝土的收缩是产生钢筋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3～7d内，未进行挖土的条件下，根据不同时间固定时刻测得钢筋计读数与时间（混凝土内热释放）的关系，读得钢筋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。

3.3 环梁支撑轴力测试与计算

环梁轴力验证围护结构设计，了解施工围护结构受力特性、监测结构物安全性的重要依据，进一步指导基坑开挖和围护结构的施工预防出现基坑失稳。

（4）监测数据采集：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，然后在环梁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3.3-1冠梁（环梁）支撑轴力测试值随时间的变化曲线图。

总体来看，从2022年9月开始基坑开挖，直至圆形竖井开挖到50m，环梁支撑本身是一个整体，但从各个部位轴力数据显示过程中部分部位存在受拉，并且通过数据曲线可以看出环梁局部受拉增大时其他部位所受压力有减小的趋势，整体受力体系存在一种平衡。

环梁支撑刚开始挖的时，会出现一个压力释放过程，这个节点过后随着基坑开挖受力会有所上升。在下一道支撑增加后，上一道支撑明显受力状况明显稳定。下一道支撑达到设计强度开始下一层开挖过程时会出现同等情况，并在下一道支撑完成后受力再次稳定。

4 监测数据分析

4.1 监测数据异常分析

监测过程中，有ZLC07、ZLC08、ZLC02-2和ZLC07-3测点的支撑轴力在有一段时间内实测值为负值，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，个人认为是主要原因是环梁式支撑在受力过程中圆曲面收到土压力后会对压力进行分解，靠近基坑内侧部位的确存在受拉的情况，次要原因埋设在支撑上的钢筋计元件所测到的钢筋或混凝士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、钢筋的复原和构件温度变化等。混凝土环梁支撑系统的轴力监测在基坑开挖2022年10月01日至2023年03月29日期间，冠梁部位ZLC02受力波动较大，整体受力相对其他部位较大，但所有测点均未超过设计允许值。

随着开挖的进行，到2023年3月底，轴力监测值最大监测点ZLC02处达到4855kN，并未超过设计规定值20000KN。支撑一直处于安全工作中，未出现裂缝等不安全、失稳迹象。同步监测的围护结构墙(桩)顶水平位移和沉降、围护结构(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。由于竖井开挖深度深，并且围护结构并未超过基坑底部，所有地连墙都处于吊脚的状况；为了确保基坑安全施工，本项目的围护结构深层水平位移、环梁轴力、地下水位全部采用自动化监测；监测项目排除了人为误差。

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:

1）由于圆形竖井设置于力学性质相当复杂的地层中，基坑周边的原始土压力不同基坑一面临山，一面为坡原始地面荷载相差巨大，其次本项目基坑为圆形竖井，支撑为环梁，受力模式与常规支撑有所不同，环梁两次分别承受的力来源不同。

2）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，与工程实际施工有一定的差异，同时除固定土压力外还有各种设备工作过程中形成的动荷载是无法准确计算的。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。

3）在钢筋混凝土环梁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混凝士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，也都会使混凝士的弹性模量降低，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。

③圆形环梁钢筋圆弧是后期加工成弧，加工过程中弧度并不能达到设计的弧度，

在钢筋绑扎加工完成、混凝土建筑过程中，钢筋会出现复原，在复原工程中钢筋计会出现一个力。这个力会直接影响读取的实际受力。因此，钢筋混凝士支撑中存在的这几个现象，导致混凝土在荷载下的变形比在理论上进行分析、计算、设计时要大。

5结束语

通过实例分析，圆形竖井环梁受力，当受力均匀时竖井是处于受压状态，当手机不均时，圆井存在局部的受拉。根据统计得出混凝土收缩和徐变发展时间持续时间较长这段时间测得的钢筋混凝土环梁内力；将大于实际环梁内力，监测得到的异常结果大于实际受力。而且大量的相似施工工程实践也支持着这一结论:例如深大城际石龙区间1号工作井, 1道冠梁混凝土支撑（C30  1500*1000），第2—7道环梁支撑(C30 1500mm*1000mm)轴力监测值最大处4855kN，支撑一直安全工作，未出现裂缝等不安全、失稳迹象;同时在受力数据监测过程中前期监测数据随着开挖深度加大理应持续增加，但实际监测过程中，当混凝土收缩和徐变随着时间的增加逐渐减小后。受压的支撑结构手里存在减小，直至收缩和徐变影响可忽略时环梁内力受力变化更贴切实际。

在实际工程中,大部分出现此类情况的圆形竖井是处于安全状态的。经过以上的分析监测结果，得出以下几个方面的结论:

1)根据相似工程经验对现有的监测方法得到的监测结果进行合理的数据修正。

2)由于目前缺乏能直接观测混凝士应力的有效实用仪器，在监测中主要利用钢筋计观测混凝士的应变，然后利用混凝土的弹性模量及徐变等试验资料，其间需要做相当程度的简化和必要的理论上的假定，通过计算间接得到混凝士的应力。因此,有必要研究、采用新的更为准确的混凝土支撑内力监测手段。

2)环梁轴力监测值不大时，监测值可以作为较保守的内力值供工程参考。

3)在基坑工程中对设计计算分析和施工质量控制中可以考虑适当将环梁整体受力作为实际受力，部位受力作为参看依据。

4）在基坑开挖设备长期占压、出土所影响部位的轴力监测因多增加并同该部位的其他监测项目同步判断该位置的结构稳定和安全性。

5）在受力不均的情况下圆形竖井可能存在受拉，在对圆形竖井受力安全设计时应考虑混凝土受拉，预防当周边受力差异交大时受拉部位拉力较大，影响结构安全。

6）环梁内力受温度影响较大，当监测数据采集采用自动化监测时，应根据当地气温变化的规律性选取不同时段的监测数据；当采用人工监测时，应尽量控制现场采集的时间，减少温度对监测数据的影响。

参考文献

1黄万强.浅谈深基坑监测.,2022-06.

2周永彪.浅谈深基坑监测技术.建筑设计及理论,2018-12.

3沈启龙,徐汉忠.浅谈深基坑变形监测技术.文化科学,2021-11.

[作者简介]

乌志猛 男 中国葛洲坝集团市政工程有限公司 工程师 湖北宜昌市 443000

刘自强 男 中国葛洲坝集团市政工程有限公司 助理工程师 湖北宜昌市 443000