1 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下空間的利用將有著非常廣闊的前景。特別是受全球金融危機(jī)的影響，國(guó)家拉動(dòng)內(nèi)需，地下空間的利用發(fā)展空前。但是，要利用地下空間，沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)支持是不行的。最典型的莫過(guò)于地鐵、輕軌地下?lián)Q乘車站的明挖深基坑，它常常出現(xiàn)在大城市中的人口密集、市場(chǎng)繁華的區(qū)域，地面高層建筑多；加之設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中新技術(shù)新工藝的采用，規(guī)劃、施工和運(yùn)營(yíng)的線路多且在一段時(shí)期內(nèi)同時(shí)并存，因此在建設(shè)運(yùn)營(yíng)中遇到了很多安全問(wèn)題。深入開展重大事故安全保障技術(shù)研究，加強(qiáng)的安全管理，關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定、構(gòu)建和諧社會(huì)的大事。所以，直接關(guān)系到深基坑安全的監(jiān)測(cè)技術(shù)就有了用武之地，它也將是21世紀(jì)的一個(gè)重大的技術(shù)領(lǐng)域[1]。
2 地質(zhì)條件與工程概況
該市輕軌地下?lián)Q乘車站擬建場(chǎng)地地勢(shì)西高東低。場(chǎng)地地貌類型為松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶，地貌單元為波狀臺(tái)地，勘察高程測(cè)量采用該市城市高程。沿線地面標(biāo)高為208.114～204.50米，最大高差3.614米�？辈旖衣蹲畲笊疃�40.0米，勘察結(jié)果表明，擬建場(chǎng)地地層沉積具有一定的規(guī)律性，場(chǎng)地地層主要由三部分組成：地表一般分布有道路結(jié)構(gòu)層和人工堆積雜填土層、第四系沖積粘性土和沖洪積砂土、下伏白堊系泥巖組成。實(shí)測(cè)地下水位埋深3.90～5.50m，水位高程介于201.34～202.21m。擬建場(chǎng)地地下水賦存于第四系粘性土和砂土層中，含水層的厚度在10.0~15.0米。其下部的泥巖為不透水層。擬建場(chǎng)地地下水類型屬第四系孔隙潛水，由于含水巖組透水性及富水性的差異，在一定條件下砂土層中的孔隙水可表現(xiàn)出一定的微承壓性。地下水補(bǔ)給及排泄方式主要有大氣降水入滲、給排水管線滲漏以及區(qū)外徑流補(bǔ)給，其流向與地形總體坡度一致，主要流向東；潛水排水方式主要為徑流排泄、人工開采及蒸發(fā)消耗等。隧道位于地下水位以下，應(yīng)做好防滲設(shè)計(jì)，施工時(shí)做好排水工作。
圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)段平面簡(jiǎn)圖
Fig.1 Simple plan of monitoring section
該地下車站是某市輕軌三期工程地下隧道段地下?lián)Q乘車站之一，是該市軌道3號(hào)線與4號(hào)線的換乘站，站址位于兩條城市道路的交叉路口南側(cè)，3號(hào)線與4號(hào)線在車站內(nèi)平行，均呈南北走向。車站起點(diǎn)里程為K2+694.45，中心里程為K2+768.0，終點(diǎn)里程為K2+858.05，長(zhǎng)163.6m。車站位于城市道路正下方，東側(cè)為單線既有線路，西側(cè)為某歷史展覽館，見圖1。車站為兩層四跨結(jié)構(gòu)，采用明挖順作法施工。基坑長(zhǎng)寬為163.6m標(biāo)準(zhǔn)寬度36m，入口處深度19.00m，出口處深度17.55m，基坑側(cè)壁的安全等級(jí)為一級(jí)。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1000@1200鉆孔灌注樁結(jié)合Φ609mm（t=16mm）鋼管支撐的形式，樁間土掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土保護(hù)。支護(hù)樁長(zhǎng)度32.56m。樁頂冠梁寬1200mm，高1000mm。冠梁上鋪設(shè)軌道以走行龍門吊�；又胁繛闄M撐體系，端部為斜撐體系，鋼支撐預(yù)加軸力。降水方式為基坑內(nèi)潛水泵降水，雙排高壓旋噴樁作止水帷幕，所有旋噴樁嵌入底板下5~6m截?cái)嗷觾?nèi)外水流。高壓旋噴樁有效樁徑0.6m，搭接長(zhǎng)度0.4m，支護(hù)結(jié)構(gòu)外緣距止水帷幕中心0.6m。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析將重點(diǎn)采用樁身深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和鋼管支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)說(shuō)明相關(guān)的問(wèn)題。
（1）樁身的深層水平位移監(jiān)測(cè)（測(cè)斜）：
1）測(cè)斜管的埋設(shè)
為了真實(shí)反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的撓曲情況，測(cè)斜管埋設(shè)在樁體之中，再灌注樁成孔之后將測(cè)斜管綁扎在鋼筋籠內(nèi)，同鋼筋籠一同放于孔內(nèi)，然后澆筑樁體。埋設(shè)時(shí)應(yīng)符合下列要求：
①埋設(shè)前應(yīng)檢查測(cè)斜管質(zhì)量，測(cè)斜管連接時(shí)，應(yīng)保證上、下管段的導(dǎo)槽相互對(duì)準(zhǔn)、順暢，各段接頭及管底應(yīng)保證密封。
②測(cè)斜管埋設(shè)時(shí)，應(yīng)保持?jǐn)?shù)值，防止發(fā)生上浮、斷裂、扭轉(zhuǎn)；測(cè)斜管中的一對(duì)導(dǎo)槽的方向應(yīng)與所需測(cè)量的位移方向保持一致。
2）測(cè)斜方法與步驟
采用進(jìn)口Sinco測(cè)斜儀觀測(cè)各深度處水平位移，精度不低于0.25mm/m，分辨率不低于0.02mm/500mm。量測(cè)程序符合規(guī)范規(guī)定：測(cè)斜儀測(cè)頭置入測(cè)斜管底后，應(yīng)待測(cè)頭接近管內(nèi)溫度時(shí)再測(cè)量，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均應(yīng)進(jìn)行正、反兩次量測(cè)。
Fig.2 Sketch of inclinometer instruments
（2）鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)：
鋼支撐軸力計(jì)設(shè)置于車站及區(qū)間段的明挖深基坑內(nèi)，用于了解鋼支撐的內(nèi)力，以及間接表征土體對(duì)護(hù)坡樁的側(cè)壓力情況。按照要求，水平向每隔五根鋼支撐（約15~20m）布置一個(gè)鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（全斷面縱向布設(shè)ZL-1型軸力計(jì)），在各個(gè)工序下，用以監(jiān)測(cè)縱向各道鋼支撐軸力。監(jiān)測(cè)時(shí)采用ZX-16振弦頻率儀測(cè)讀頻率值，根據(jù)標(biāo)定曲線的相關(guān)公式轉(zhuǎn)換成鋼支撐軸力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)頻率1次/d，降雨及基坑周圍荷載增大時(shí)增至2次/d。二次儀表采用ZX-16振弦式頻率儀。
圖3 頻率儀、軸力計(jì)簡(jiǎn)圖
Fig.3 Sketch of frequency instrument and dynamometer
4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程[2] [3]，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。由于本文主要采用樁身深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置圖也主要以這兩者為反映對(duì)象，其他的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目就不在圖中反映了。
測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見圖4（以CX為代號(hào)）；測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)與軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相互位置關(guān)系也可參照?qǐng)D4。
軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見圖5（圖中的鋼支撐上的黑三角）；剖面布置見圖7（圖中鋼支撐兩端的黑色裝置，由于布設(shè)時(shí)不固定在哪一端，故兩端都標(biāo)示了軸力計(jì)，事實(shí)上單側(cè)布設(shè)）。
4.2問(wèn)題的提出與背景
進(jìn)入秋季以來(lái)，氣溫總是很不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)對(duì)深基坑安全產(chǎn)生一定的影響；這個(gè)影響絕不僅僅是對(duì)鋼支撐而言的，而是對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言的。在整個(gè)秋季施工過(guò)程中，2010-9-19~2010-9-26這段時(shí)間氣溫變化幅度較大（見表1），軸力及測(cè)斜數(shù)據(jù)變化也較為典型，體現(xiàn)了此次基坑施工中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在較大的溫差的條件下的一些規(guī)律，故以此段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，作專項(xiàng)討論。
需要注意的是，在4.2節(jié)中，所有的測(cè)斜曲線均為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜儀導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后的顯示曲線圖，圖中“A Axis”指與樁墻平面垂直的方向（“B Axis”指與樁墻平面平行的方向，該方向數(shù)據(jù)未摘錄）；橫坐標(biāo)軸正向?yàn)槌蚩觾?nèi)的方向；橫坐標(biāo)軸的零點(diǎn)的位置為測(cè)斜孔的底部位
置；再有，該儀器顯示的曲線圖所反映的意義
是，實(shí)測(cè)之當(dāng)日相對(duì)于前一日的水平位移變化
量，即，每日水平位移變化量曲線，直接體現(xiàn)
樁身的深層水平位移變化速率大小。
針對(duì)溫差變化影響的典型數(shù)據(jù)，本文所取的測(cè)斜點(diǎn)為CX255，軸力觀測(cè)點(diǎn)為ZL25、ZL28、ZL33全斷面，其中軸力計(jì)ZL25-2、
表1 氣溫變化統(tǒng)計(jì)表（2010-9-19~2010-9-26）
Table.1 Schematic diagram of foundation pit support(2010-9-19~2010-9-26)
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日期
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9-19
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9-20
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9-21
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9-22
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9-23
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9-24
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9-25
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9-26
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氣溫
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12~20℃
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10~16℃
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2~11℃
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1~8℃
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0~12℃
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1~14℃
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9~15℃
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4~14℃
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均溫
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18℃
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15℃
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6℃
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4℃
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3℃
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5℃
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13℃
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10℃
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圖7 鋼支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置剖面圖
Fig.7 Cross section of strut axial forces measuring points
ZL25-4沒(méi)裝成，故就近于28全斷面補(bǔ)充水平同向的軸力計(jì)ZL28-2、ZL28-4，可是ZL28-2、ZL33-4壞了，所以未能形成全斷面觀測(cè)點(diǎn)；但ZL25、 ZL28、ZL33全斷面相距較近，見圖4~5，應(yīng)可以互補(bǔ)說(shuō)明這段時(shí)間的軸力變化過(guò)程，見圖6。本節(jié)將分三個(gè)時(shí)間段說(shuō)明較大溫差帶來(lái)的影響，絕不僅僅是對(duì)鋼支撐的，更是對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的。如果事先的設(shè)計(jì)未能考慮周全，則在一些特定條件下，可能出現(xiàn)一些不利情況（上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)參見圖4~5）。
4.3監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
本文將針對(duì)較大溫差的階段性變化，將監(jiān)測(cè)過(guò)程人為地分為三個(gè)階段，即，溫度驟降階段（2010-9-19~2010-9-22），溫度基本持平階段（2010-9-22~2010-9-24），溫度驟升階段（2010-9-24~2010-9-26）。
（1）溫度驟降階段（2010-9-19~2010-9-22）
9-19~9-20：溫度基本持平，軸力測(cè)斜都無(wú)明顯變化，不是討論要點(diǎn)。
9-20~9-21：9-21溫度突然降低，降幅較大，見表1；9-21鋼支撐受冷收縮，軸力實(shí)測(cè)數(shù)值都在減小，變化比較明顯，變化在22.44~74.04KN之間，見圖6；而排樁由于自身材質(zhì)的限制，受溫度影響較小，能影響它的，主要是受力變化。從受力的角度說(shuō)，鋼支撐由于溫度干擾，把自身的承擔(dān)的一部分土壓力轉(zhuǎn)移給排樁，從而使樁的受力加大，因?yàn)槌袚?dān)樁后土壓力的，除了樁就是鋼支撐，現(xiàn)在鋼支撐的軸力驟降，雖然排樁的內(nèi)力沒(méi)能測(cè)出來(lái)，但是依據(jù)受力分析，不難推測(cè)排樁內(nèi)力一定會(huì)激增�？墒牵�9-21的測(cè)斜曲線卻沒(méi)有明顯的變化（相對(duì)于9-20），見圖8，說(shuō)明樁的設(shè)計(jì)是安全可靠的，它本身具有較好的自立性與穩(wěn)定性，即使在受力激增的條件下，尚可保持形態(tài)的穩(wěn)定。
所以，在溫度突降的當(dāng)天，由于護(hù)坡樁本身的優(yōu)良性能以及鋼支撐受冷后的收縮，使排樁水平位移變化和鋼支撐受力變化成為了兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。
9-21~9-22：9-22溫度繼續(xù)降低，幅度不大，見表1。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，9-22測(cè)斜曲線有了明顯的變化，見圖8，排樁向坑內(nèi)發(fā)生明顯的傾斜，經(jīng)仔細(xì)對(duì)照，水平位移日均變化量的最大值已達(dá)3.61mm/d，絕對(duì)值超過(guò)控制值（2~3mm/d），比較不利，而反觀軸力的實(shí)測(cè)變化曲線，數(shù)值有升有降，見圖6，說(shuō)明鋼支撐依然受到溫度降低的干擾，在關(guān)鍵時(shí)刻，無(wú)法全部發(fā)揮其應(yīng)有的支護(hù)作用。
鑒于日均變化量已超過(guò)控制值，監(jiān)測(cè)方當(dāng)即向施工方預(yù)警，并建議：
1）立即減緩開挖進(jìn)度，加快加撐速度，嚴(yán)禁超挖。
2）加密樁頂及樁身水平位移的觀測(cè)頻率為2次/天；當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步異常時(shí)，增加至3~4次/天。
3）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，特別注意冠梁后部的土體是否出現(xiàn)裂縫，冠梁是否與周圍土體脫開。
隨著施工的及時(shí)調(diào)整，只是在9-22樁墻朝向坑內(nèi)的位移較大，之后情況逐漸好轉(zhuǎn)。
在9-20~9-22這段時(shí)間，由于溫度驟然降低，致使鋼支撐受冷收縮，工作效能降低，將原來(lái)所分擔(dān)的樁后土壓力的一部分轉(zhuǎn)移給了排樁，可以說(shuō)，在這段時(shí)間，樁成了維系基坑安全的關(guān)鍵的因素。
（2）溫度持平階段（2010-9-22~2010-9-24）
9-22~9-23：溫度基本持平，9-23溫度略有降低，見表1。9-23測(cè)斜曲線較為穩(wěn)定，見圖9，但是軸力曲線回彈明顯，變化在26.30~105.70KN之間，見圖6。說(shuō)明此時(shí)鋼支撐已基本擺脫溫度下降的干擾，承擔(dān)了它應(yīng)承擔(dān)的土壓力。
9-23~9-24：溫度基本持平，9-24溫度略有上升，見表1；9-24軸力值有升有降，見圖6；9-24測(cè)斜曲線穩(wěn)定，見圖9。
（3）溫度驟升階段（2010-9-24~2010-9-26）
9-24~9-25：9-25溫度驟然升高，見表1，軸力值又有上升，變化在30.20~70.12KN之間，見圖6；測(cè)斜曲線顯示，相對(duì)于9-24，9-25的測(cè)斜曲線有部分向坑外變化的情況，見圖10。原因：在溫度較快上升的驅(qū)動(dòng)下，鋼支撐受熱伸長(zhǎng)，而排樁及樁后土體反應(yīng)不明顯，仍延續(xù)向坑內(nèi)傾斜的趨勢(shì)，致使鋼支撐的伸長(zhǎng)受阻，在鋼支撐與樁墻的相互作用的情況下，軸力明顯上升；另一方面，在受到鋼支撐明顯的作用力之后，樁墻的有些位置自然會(huì)相對(duì)于前一日彈向坑外。但是，必須指出的是，這個(gè)回彈量是很小的、局部的、相對(duì)的，排樁總體上的累計(jì)深層水平位移量仍是向坑內(nèi)傾斜。
9-25~9-26：溫度基本持平，9-26溫度略有降低，見表1，軸力值下降，幅度不大，見圖6；測(cè)斜曲線回到穩(wěn)定安全的范圍內(nèi)，相對(duì)于9-25，恢復(fù)了向坑內(nèi)傾斜的情況，見圖10。這是因?yàn)椋簻囟炔辉偕仙�，鋼支撐也就失去了�?nèi)在的動(dòng)因；而又因?yàn)殇撝屋^長(zhǎng)（36m），屬于細(xì)長(zhǎng)偏心受壓桿件，而且內(nèi)部連接部件較多，容易發(fā)生不規(guī)則變形，進(jìn)而會(huì)有應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，在溫度略降的背景下，軸力自然容易下降。另一方面， 9-25由于軸力上升明顯，導(dǎo)致樁墻局部向坑外變化（相對(duì)于9-24），使土壓力增大，到9-26溫度不再上升，略微降低，鋼支撐難以保持9-25的伸長(zhǎng)趨勢(shì)，而由于土體的自身一些特性（彈塑性、蠕變性），無(wú)法做出迅速反應(yīng)，客觀上造成了土壓力變化相對(duì)遲緩的后果，即，土壓力數(shù)值仍然較大，這樣一來(lái)，樁體在較大土壓力的擠壓下，就向坑內(nèi)傾斜（相對(duì)于9-25），這樣，土壓力逐漸由最初的較大的被動(dòng)土壓力變?yōu)樽詈蟮妮^小的主動(dòng)土壓力，與下降后的軸力達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，這個(gè)平衡狀態(tài)使樁體的水平位移變化曲線處于一個(gè)比較安全的范圍內(nèi)。
4.4啟示與反思
通過(guò)這一段時(shí)間（2010-9-19~2010-9-26）的全程監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)：
在溫度驟降的9-21，鋼支撐軸力明顯下降，而樁的測(cè)斜曲線變化滯后于軸力變化。
到了9-22，排樁的測(cè)斜曲線最為不利，最大日均水平位移量已超過(guò)報(bào)警值，而此時(shí)由于溫度干擾，鋼支撐仍是無(wú)法提供及時(shí)有效的支持，仍由樁系統(tǒng)（排樁與旋噴樁，偏指排樁）承擔(dān)維系基坑安全穩(wěn)定的主要任務(wù)，這充分暴露了鋼支撐的缺陷：易受溫度變化影響，工作效能不穩(wěn)定；而且，尤其在溫度驟降時(shí)，其防護(hù)作用比較被動(dòng)。另一方面，在軸力驟降時(shí)，是排樁承擔(dān)了主要的土壓力，可見在實(shí)際變化無(wú)常的條件下，護(hù)坡樁的作用是多么巨大。
而在溫度驟降這段時(shí)間，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)配合施工方，以防不測(cè)。另外在設(shè)計(jì)施工中，也應(yīng)考慮，在北方較為寒冷的地區(qū)，秋冬季溫差較大，上述情況時(shí)有發(fā)生，為了應(yīng)對(duì)不測(cè)局面，是否可以適當(dāng)加大排樁的安全儲(chǔ)備，同時(shí)也不應(yīng)將一般情況下的鋼支撐的工作狀態(tài)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。
另外，在溫差較大，測(cè)斜軸力數(shù)值變化有時(shí)較為劇烈，在此情況下，應(yīng)注意加密樁頂及樁身水平位移的觀測(cè)頻率至2次/天。
在秋冬季溫差較大的背景下進(jìn)行深基坑施工，鋼支撐與護(hù)坡樁組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基本就是處于這樣一個(gè)周而復(fù)始的動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程中，只是表現(xiàn)得不想上述情況那樣劇烈罷了，但畢竟較大的溫差總是有的，難免不會(huì)有類似的較為特殊情況發(fā)生，持續(xù)的時(shí)間一旦變長(zhǎng)，每日較大的變化量一旦積累起來(lái)，問(wèn)題就嚴(yán)重了，即使再怎么處理，先期累積的水平位移由于時(shí)空效應(yīng)已經(jīng)不可能恢復(fù)了[4]。所以，切不可掉以輕心。
在設(shè)計(jì)與施工時(shí)，千萬(wàn)要保證排樁嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。必要時(shí)，在比較特殊的地區(qū)，在比較特殊的溫度下，應(yīng)適當(dāng)加大安全系數(shù)，作為在較大溫差來(lái)臨時(shí)，鋼支撐工作效率較低，排樁在一定時(shí)間內(nèi)要承擔(dān)主要土壓力的安全儲(chǔ)備。另一方面，只要遇到溫度突變的天氣無(wú)論是施工還是監(jiān)測(cè)，都必須提高警惕，特別是開挖方式必須要科學(xué)合理，建議還是采用小面積分塊開挖，對(duì)于基坑的安全比較有利[5]。
參考文獻(xiàn)：
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[5] 任建喜，劉杰. 森林公園地鐵車站深基坑變形規(guī)律有限元分析[A] .第九屆全國(guó)巖土力學(xué)數(shù)值分析與解析方法討論會(huì)論文集[C] . 2007年
作者介紹：
郝森（1983-），男，山西太原人，碩士研究生，主要從事巖土工程、地下空間等領(lǐng)域的科研工作。
聯(lián)系方式手機(jī)：13693225753E-mail：stephenhoiison@126.com
通訊地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)北三環(huán)東路30號(hào)中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所
郵編：100013
李顯忠（1965-），男，山東蓬萊人，清華大學(xué)博士后，研究員，主要從事環(huán)境巖土工程、地下空間與工程等領(lǐng)域的科研及教學(xué)工作。E-mail：lixianzhong@sina.com
申偉（1983-），男，陜西渭南人，助理工程師，主要從事市政交通、高速公路、鐵路的施工設(shè)計(jì)工作。E-mail：m15159949@163.com
