張楨樹，薛 飛，張 勱，廖建軍，王世杰，廖成西

（1. 杭州天恒投資建設管理有限公司，浙江 杭州 310004；2. 杭州市城市基礎設施建設管理中心，浙江 杭州 311103；3. 騰達建設集團股份有限公司，浙江 臺州 318050；4. 中國中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引 言

隨著現(xiàn)代城市建設的快速發(fā)展，地下空間的立體開發(fā)是未來發(fā)展的大趨勢。而基坑作為地下空間開發(fā)過程中的主要通道，由于工程地質條件、周邊環(huán)境及施工技術管理等原因，基坑變形、坍塌等安全事故時有發(fā)生。為了確保深基坑工程施工作業(yè)中的安全可靠，基坑動態(tài)監(jiān)測是十分必要的。在當前基坑施工監(jiān)測實踐中，基坑工程的混凝土（鋼）支撐軸力受測量儀器制造精度、安裝工藝水平、自然溫差、初始值測取以及知識水平等諸多因素影響，導致實際測試結果與設計理論值之間有很大的差異，普遍存在實際測試結果大于設計控制值的現(xiàn)象。本文通過對之江路工程2號盾構工作井及始發(fā)段土巖組合地層中深基坑工程的混凝土支撐軸力施工監(jiān)測實例的分析研究，認為基坑支撐軸力設計與施工監(jiān)測時應根據工程實際工況條件，通過采用“一井一值”的精細化管理，科學合理地確定土巖組合基坑的監(jiān)測指標，以此達到既安全施工，又節(jié)約經濟的工程建設管理目標。

1 工程概況

之江路工程（梅靈南路—水澄路）全長約6.3 km，沿線布設有1～7號共7個盾構工作井，根據施工總進度計劃安排，2號工作井及始發(fā)段先行施工。2號工作井及始發(fā)段深基坑長 163 m（樁號 SK1+382～SK1+545），基坑寬度22.4～25.5 m，開挖深度 23.63～26.38 m?；訃o采用Φ1 200@1 000鉆孔咬合樁，共設3道混凝土支撐（第1、2、4道）+1道鋼支撐（第3道）。主線與匝道高低跨位置的坑中坑采用1∶0.2放坡開挖。咬合樁有筋樁長度為地面至基底以下3.0 m，無筋樁長度為地面至中風化巖層1.0 m（吊腳樁）。因盾構始發(fā)施工需要，洞門范圍內有筋樁用等截面玻璃纖維筋代替鋼筋?；庸こ贪踩燃墳橐患?，重要性系數取1.1，環(huán)境保護等級為一級。采用明挖順作法施工。2號盾構工作井及始發(fā)段基坑總平面布置圖見圖1。

圖1 2號工作井及始發(fā)段基坑總平面布置圖Fig.1 General layout of No. 2 foundation pit

本文選取 2號工作井及始發(fā)段 SK1+485～SK1+545節(jié)段（長約 60 m）基坑作為分析研究對象，對應的橫斷面為5-5與6-6剖面圖，其圍護結構形式及相關參數見表1。

表1 2號工作井SK1+485～SK1+545節(jié)段基坑圍護結構形式一覽表Table 1 List of retaining and protection structure for No. 2 foundation pit retaining in segments SK1+485～SK1+545

2 工程地質及水文地質條件

（1）工程地質

根據本工程的巖土工程勘察報告，2號盾構井及始發(fā)段基坑開挖施工主要涉及5個土（巖）層，典型地質剖面圖見圖2和圖3（地質柱狀圖）。其工程特征自上而下分述如下：

圖2 基坑5-5橫剖面圖Fig. 2 Cross section 5-5

圖3 基坑6-6橫剖面圖Fig. 3 Cross section 6-6

①1碎石填土：雜色，稍密為主，主要由碎石、碎磚、混凝土塊等建筑垃圾及少量生活垃圾組成，表部30 cm左右多為混凝土路面，硬雜質粒徑約2～10 cm，最大粒徑50 cm以上，含量占55%～65%，夾黏性土和砂土，巖性成分較雜，均一性差。層厚約2.13～3.09 m。

②1粉質黏土（al-mQ43）：灰色，松散-稍密，濕-很濕，含云母、氧化鐵。層厚約0.5～1.21 m。

④1淤泥質粉質黏土：灰色，流塑，含少量有機質。屬高壓縮性土。層厚約0～4.20 m。

?a-1全風化泥質粉砂巖：紫紅色，粉砂質、泥質結構，原巖結構基本破環(huán)，已風化成砂狀、黏土狀。層厚約1.2～2.9 m。

?c-2強風化凝灰質含礫砂巖：紫紅色，碎屑結構，礦物成分已大部分風化，呈碎塊狀，含有中風化狀的礫石。層厚約3.7～9.6 m。

?c-3中風化凝灰質含礫砂巖：紫紅、青灰色，碎屑結構，巖芯呈短柱狀、長柱狀，巖體較完整，礫石粒徑一般為1～3 cm，最大粒徑大于8 cm，礫石母巖成份主要以砂巖、凝灰?guī)r為主，鈣質膠結。RQD=25%～70%，屬軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ類，未發(fā)現(xiàn)空洞和軟弱夾層。天然單軸抗壓強度4.4～21.3 MPa，平均值8.5 MPa，標準值7.9 MPa。層厚約0～6.4 m。

?a-3中風化泥質粉砂巖：紫紅色，粉砂質、泥質結構，部分礦物成分風化，巖芯呈柱狀、短柱狀。裂隙不甚發(fā)育，錘擊聲稍清脆，可擊碎。巖芯采取率80%～90%，RQD=60%～85%，屬軟巖，巖體較完整，巖體基本質量等級為Ⅴ級。天然單軸抗壓強度 2.2～14.8 MPa，平均值5.9 MPa，標準值5.59 MPa。平均分布在基坑深度16.4 m以下。

（2）水文地質

該基坑工程涉及主要地下水為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。第四系松散巖類孔隙潛水的含水層具有埋藏淺、水量小、變幅大的特點。動態(tài)變幅一般在1.0～3.0 m 左右，實測潛水位埋深為1.40～5.80 m，相應高程1.81～7.41 m；風化基巖裂隙水由于裂隙張開和密集程度、連通及充填情況都很不均勻，具有各向異性，導致降水井出水量存在不確定性。其地下水主要受大氣降水入滲補給，向山下或以泉方式排泄或側向補給松散巖類孔隙水。泉水出露少，泉流量小于0.5 L/s，水量貧乏。2號井及始發(fā)段設計采用坑內積水明排，坑外設置應急降水井兼觀測井的排水方案。

綜合以上資料可知，2號盾構井及始發(fā)段基坑工程為典型的土巖組合基坑，基坑上部以碎石填土、軟巖為主，局部為較軟巖；基坑中下部以中風化凝灰質含礫砂巖、泥質粉砂巖為主，巖體較完整，未發(fā)現(xiàn)空洞和軟弱夾層，巖體質量基本等級為Ⅴ～Ⅳ級。基坑工程地質整體較好，水文地質條件較簡單。

3 基坑施工與監(jiān)測情況分析

2號盾構井及始發(fā)段深基坑 SK1+485～SK1+545節(jié)段第1道混凝土支撐于2021年01月03日澆筑完成，2021年01月15日首次對第1道支撐軸力進行監(jiān)測（見圖4），連續(xù)3 d采集完成初始值后開始第1層土方開挖施工。根據對第三方監(jiān)測單位提供的2021年01月15日—6月19日連續(xù)監(jiān)測的第1道混凝土支撐軸力數據統(tǒng)計分析，見表2與圖5，可以初步判斷混凝土支撐軸力變化基本規(guī)律，即隨著基坑開挖深度的增加，支撐的監(jiān)測軸力值有較大變化，表現(xiàn)為逐漸增大趨勢。

圖 4 基坑 SK1+485～SK1+545段第 1道混凝土支撐梁平面布置圖Fig. 4 Layout plan of the first concrete strut at SK1+485～SK1+545

圖5 SK1+485～SK1+545節(jié)段第1道混凝土支撐軸力監(jiān)測數據折線圖（2021-01-15—2021-06-19）Fig. 5 Axial force curve of the first concrete support at SK1+485～SK1+545 segments

表2 SK1+485～SK1+545節(jié)段第1道混凝土支撐軸力監(jiān)測數據摘錄（2021-01-15—2021-06-19）Table 2 Axial force of the first concrete bracing at SK1+485～SK1+545 segments

基坑按審批通過的專項施工方案進行分段分層開挖。開挖至2021年04月06日，基坑SK1+485～SK1+521段（長36 m）完成第3層土石方開挖，第4道混凝土圍檁及支撐也已完成，平均挖深約16.8 m；SK1+521～SK1+545端頭井段（長24 m）第3層土方開挖也基本完成（但第4道混凝土支撐暫未架設），平均挖深約19.1 m。基坑當日首次出現(xiàn)報警情況，具體警情如下：第1道混凝土支撐測點ZCL10-1軸力值達7 125 kN，首次累計超過黃色預警值（6 650 kN）；第2道混凝土支撐測點ZCL11-2軸力值達 9 423 kN，首次累計超過黃色預警值（8 400 kN）。參建各方迅速召開了基坑安全警情分析會，初步分析ZCL10-1、ZCL11-2兩個預警點處混凝土支撐軸力偏大的主要原因是因為第3道鋼支撐架設不規(guī)范（如未完全與鋼圍檁正交、偏心受力；軸力計與鋼支撐端頭的接觸面鋼墊板剛度不足，施加軸力后使得鋼墊板和圍檁變形嚴重，使軸力消散過快等），導致鋼支撐軸力偏小，未有效分擔基坑側壁主動土壓力。隨后通過采取加密鋼支撐、復加第3道鋼支撐軸力、控制坑邊附加荷載等一系列改正措施后，評估基坑安全處于總體穩(wěn)定狀況，可以恢復開挖施工。

再挖至4月15日，該段基坑局部已經開挖見底，但底板混凝土尚未澆筑。第2道混凝土支撐測點ZCL8-2、ZCL9-2實測軸力值分別達8 422 kN、8 512 kN，累計均超過黃色預警值（8 400 kN）；ZCL10-2、ZCL11-2實測軸力值分別達10 212 kN、10 425 kN，累計均超過橙色報警值（10 200 kN），見表3與圖6。經現(xiàn)場檢查各道混凝土支撐外觀，未發(fā)現(xiàn)有變形、裂縫等異常情況，基坑圍護結構變形、土體位移等其他監(jiān)測指標也均屬正常。參建各方再次召開基坑警情分析會，經專家及與會工程技術人員共同研究討論、綜合分析，以及設計重新復核并調整混凝土支撐軸力控制值，結論判定為基坑整體穩(wěn)定，安全可控。隨后采取分段快速施作混凝土底板，及時封底等主要施工技術措施。隨即于2021年4月26日率先完成中間節(jié)段（SK1+500～SK1+520）的底板澆筑，并于5月9日完成最后一塊主體結構底板混凝土澆筑。底板混凝土澆筑全部完成后，影響區(qū)域內圍護結構及周邊環(huán)境變形均趨于穩(wěn)定，未有異常安全情況發(fā)生。

圖6 SK1+485～SK1+545節(jié)段第2道混凝土支撐軸力監(jiān)測數據折線圖（2021-03-16—2021-06-05）Fig. 6 Axial force curve of the second concrete bracing at SK+485～SK1+545 segments

表3 SK1+485～SK1+545節(jié)段第2道混凝土支撐軸力監(jiān)測數據摘錄（2021-03-16—2021-06-05）Table 3 Axial force of the second concrete bracing at SK1+485～SK1+545 segments

經對該基坑工程第1、2、4道混凝土支撐軸力5個多月的連續(xù)跟蹤監(jiān)測，并對監(jiān)測獲取數據進行整理統(tǒng)計分析，見表2～4及折線圖5～7，初步得出如下結論：

（1）基坑第1道混凝土支撐ZCL10-1測點位于兩個開挖段的分界線平面位置（里程樁號為SK1+520）、第2道混凝土支撐ZCL11-2測點處于盾構工作井平面中間位置（見圖4），在第1、2層土方開挖過程中，第1、2道支撐軸力值均處于正常變動范圍。4月6日基坑第3層被動土已挖完，平均挖深16.8～19.1 m，第1、2道混凝土支撐實測軸力值首次分別超過6 650 kN、8 400 kN的黃色預警值（70%控制值）。分析主要原因是隨著開挖深度增加，基坑外側壁主動土壓力隨之增大，而第3道鋼支撐未及時有效分擔土壓力，坑側壁主動土壓力全部由第1、2道混凝土支撐承擔。因此基坑工程施工應充分合理利用地層土體的時空效應規(guī)律，開挖到位后快速跟進下一道支撐架設是十分重要的，正所謂“快挖快撐”。

（2）基坑第2道混凝土支撐最大軸力峰值出現(xiàn)在4月26日的ZCL11-2測點，最大值為11 874 kN；第 4道混凝土支撐最大軸力峰值也同日出現(xiàn)在ZCL10-4測點，最大值為10 321 kN（因第3道為鋼支撐，施加軸力一般不大于4 000 kN，故本文不再詳細討論）。支撐最大軸力均發(fā)生在基坑開挖已經見底（被動土全部挖完），但尚未完成底板混凝土澆筑及混凝土強度未形成之前的時間段，混凝土支撐軸力基本超過設計提供的報警值。

（3）本基坑屬于上土下巖的“上軟下硬”土巖組合基坑，同期同平面投影位置的第2道支撐與第4道混凝土支撐軸力比較，總體上表現(xiàn)為“上大下小”，如ZCL9-2與ZCL9-4、ZCL11-2與ZCL11-4監(jiān)測點之間均有明顯體現(xiàn)，基坑支撐軸力大小與地層土巖性質有密切的相關性。該基坑上部地層以碎石填土、粉質黏土或淤泥質粉質黏土為主，土層塑性大，自穩(wěn)能力差，產生的主動土壓力也大；而基坑下部地層主要以強、中風化凝灰質含礫砂巖、中風化泥質粉砂巖為主，強度高、巖體內摩擦角大，整體性好，巖層的主動土壓力也小。分析認為下部支撐結構設計參數有一定的優(yōu)化調整空間。

（4）實測混凝土支撐軸力值雖已大大超過報警值，但基坑圍護結構并未出現(xiàn)裂縫、變形等不安全或不穩(wěn)定等異常跡象，一直到支撐拆除，基坑始終處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。究其原因，實際上是支撐最大軸力尚未達到支撐自身的軸向極限承載力，即支撐結構體系強度、剛度及穩(wěn)定性未遭到外力破壞或失效。依據現(xiàn)行的相關設計施工規(guī)范估算，第1道800 mm×1 000 mm C35鋼筋混凝土支撐的正截面軸向承載力約為 14 320 kN；第 2、4道 1 000 mm×1 000 mm C35鋼筋混凝土支撐的正截面軸向承載力約為 16 650 kN；而本基坑混凝土支撐軸力出現(xiàn)的最大值（4月26日第2道混凝土支撐ZCL11-2測點11 874 kN）約為支撐正常使用極限承載力的71%左右，現(xiàn)澆混凝土支撐軸向承載力仍留有較多的安全儲備。

（5）基坑混凝土支撐軸力持續(xù)時間較長。主體結構施作完成，伴隨著主體結構混凝土強度提高，逐步分擔支撐部分壓應力，基坑內力體系也由圍護結構過渡到主體結構承擔，直至支撐全部拆除后完全替代?；有巫儯▋攘Γ┬枰^長一段時間重新達到平衡穩(wěn)定。

（6）基坑混凝土支撐軸力的初始值宜在支撐澆筑完成28 d后測取。由于實際基坑開挖施工都是以混凝土支撐是否達到設計規(guī)定強度作為主要的前置控制條件，如2號盾構井及始發(fā)段基坑按照設計要求，冠梁及第1道混凝土支撐達到設計強度的85%后可開挖施工。經同條件試驗測試，2號工作井基坑混凝土支撐達到85%設計強度約為12 d（受混凝土配合比、施工環(huán)境、工后養(yǎng)護等因素影響），支撐混凝土的硬化收縮還未完全穩(wěn)定。但受工程工期限制，難以等到28 d后支撐混凝土基本收縮變形穩(wěn)定后才開挖。而基坑支撐軸力初始值必須在開挖前采集完成，因而初始值一般也是在28 d之前完成采集的。這樣就無法有效剔除因混凝土的硬化收縮而使鋼筋應力計產生的附加壓應力。按此監(jiān)測得到的數值，結果勢必比實際值偏大，反映不出真實結果。

表4 SK1+485～SK1+545節(jié)段第4道混凝土支撐軸力監(jiān)測數據摘錄（2021-04-08—2021-05-30）Table 4 Axial force of the fourth concrete bracing at SK1+485～SK1+545 segments

圖7 SK1+485～SK1+545節(jié)段第4道混凝土支撐軸力監(jiān)測數據折線圖（2021-04-08—2021-05-30）Fig. 7 Axial force curve of the fourth concrete support at SK1+485～SK1+545 segments

4 目前基坑監(jiān)測普遍存在的問題

目前基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測中，大多采用埋設振弦式鋼筋應力計，通過手持式數顯頻率儀現(xiàn)場測試傳感器頻率，再換算成支撐軸力。由于受儀器制造精度、安裝工藝水平、自然溫差等客觀敏感因素影響，鋼筋應力計測得的數據未必是真實的支撐軸力值。

（1）對于埋設鋼筋應力計的混凝土支撐軸力初始值的測取方法，《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》（GB 50497—2019）第6.7.5條規(guī)定：“內力監(jiān)測宜取土方開挖前連續(xù)3 d獲得的穩(wěn)定測試數據的平均值作為初始值”?！稑藴省冯m有規(guī)定，但在實際監(jiān)測操作上尚不統(tǒng)一，還是存在一些理解偏差或爭議。該標準只規(guī)定“土方開挖前連續(xù)3 d獲得的穩(wěn)定測試數據”的單一初始值測取前置條件，筆者認為不夠全面明確，沒有涉及支撐混凝土的具體強度控制要求。因為應力計測得的初始值大小與混凝土支撐的澆筑完成時長有著密切關系。支撐混凝土在前期硬化收縮變形過程中，產生的壓應力逐漸增大，混凝土固化穩(wěn)定前測取獲得的支撐軸力，一般都偏大，故初始值測取時間的選擇非常重要。

（2）一般設計提供的支撐軸力控制值或報警值存在“模板化、格式化、通用化”，未能真正做到“一井一值”。筆者認為對于支撐軸力控制值的確定，需要在安全和經濟之間找到一個平衡。預（報）警值控制太嚴，會給施工帶來不便，施工技術要加強，經濟投入也會增加；反之如預（報）警值控制太寬，安全系數降低，風險等級也隨之升高，會對基坑支護結構和周邊環(huán)境安全帶來威脅。

（3）在實際施工監(jiān)測操作中，施工監(jiān)測或第三方監(jiān)測方往往出于“為了安全、數據寧可偏大，不可偏小”的觀念，提供的軸力監(jiān)測報告數據基本沒有扣除初始值。故隨著基坑開挖深度不斷增加，支撐軸力值短時間很快接近或超過設計報（預）警值，極易產生“假報警”或誤報。雖然是“假報警”，但參建主體各方又不得不及時組織召開基坑警情分析會，查找原因并采取有效措施，控制支撐軸力變化速率及累計控制值。如此，不但牽涉項目主要技術、管理人員的大量精力，也增加了人力、物力的投入。既不科學，也不經濟。

5 結論和建議

深基坑工程屬于地下工程，基坑處于力學性質相當復雜的地層中，且常位于周邊環(huán)境復雜的市區(qū)內，周邊地上及地下建（構）筑物保護要求高，存在較大的不確定性。加之工程設計參數選擇假定、估算簡化的自身缺點，以及地下工程施工過程中存在著諸多偶然因素的影響，使得對基坑支護結構監(jiān)測所獲得的數據和設計預算的數值存在很大的差異。筆者結合之江路工程2號盾構井及始發(fā)段基坑施工監(jiān)測的具體情況，提出混凝土支撐軸力設計與施工監(jiān)測的優(yōu)化建議。

（1）對于土巖組合或巖體基坑，因其地質條件和巖（土）層穩(wěn)定性均較良好，設計在確定混凝土支撐軸力控制值時，應根據基坑實際工況，科學合理確定支撐軸力控制值和預（報）警值。建議參考混凝土支撐標養(yǎng)試塊檢測值或現(xiàn)場回彈強度值，重新復核并調整混凝土支撐軸力控制值。如 2號盾構井及始發(fā)段基坑混凝土支撐原設計強度為 C35，經現(xiàn)場多次回彈檢測試驗，實際強度達到C40以上。經設計復核驗算后，將第2道1 000 mm×1 000 mm混凝土支撐軸力控制值由原來12 000 kN調整至13 700 kN，預警值由原來的70%提高到80%，報警值由85%提高到90%后，預（報）警頻率明顯降低。更好地解決混凝土支撐內力監(jiān)測中較為普遍出現(xiàn)的結果異常的問題，同時也大大縮短了基坑開挖施工工期。

（2）對于開挖面積較大或長條形基坑，建議保留一小段基坑（1～3道支撐間距）暫不開挖，作為該基坑混凝土支撐軸力試驗段，待該段支撐混凝土達到28 d后再綜合測取平均軸力值，作為其他鄰近混凝土支撐的參考初始值。

（3）在實際的監(jiān)測工作中，不能簡單根據單根混凝土支撐軸力平均累計值是否達到或超過設計提供的報警值作為報警依據。在關注平均軸力累計值的同時，需要結合施工工況關注其變化趨勢，并應結合圍護結構自身變形位移、基坑周邊土體位移等其他監(jiān)測數據，對支撐軸力的變化進行綜合分析判斷，才可得出可靠結論。建議由設計單位根據基坑工程現(xiàn)場實際工況進行復核驗算，提出綜合安全評估指標，經工程五方主體、施工監(jiān)測及第三方監(jiān)測單位共同研究后確定，達到既保證基坑安全，又經濟施工的效果。

（4）建議將《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》（GB 50497—2019）第6.7.5條修改為：“內力監(jiān)測宜取土方開挖前連續(xù)3 d獲得的穩(wěn)定測試數據的平均值作為初始值。若采用現(xiàn)澆混凝土支撐，其混凝土強度宜滿足設計規(guī)定強度值后方可開始測取”。

（5）由于目前國內仍缺乏可直接測量混凝土支撐軸力的有效實用儀器，以及更先進、更接近于實際的理論計算方法，因此，對混凝土支撐軸力變化與基坑變形關系，以及可能引發(fā)基坑安全風險等級變化的規(guī)律，還有待進一步的研究和探討。