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【摘要】：结合东莞市城市快速轨道交通R2线寮厦站基坑工程，对混凝土支撑轴力监测的原理进行介绍，在对基坑施工过程中轴力监测数据进行分析的基础上，对其存在的问题形成原因进行了探讨，得到一些总结意见，供类似工程参考。
【关键词】：混凝土支撑、轴力、监测、钢筋计、报警、影响因素
中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：
近年來，我国加快了城市轨道交通建设的步伐，明挖车站深基坑工程也相应越来越多，在深基坑施工过程中，只有对车站基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测，才能以信息化指导施工。支撑结构轴力的监测是深基坑工程监测的主要项目之一，通过对轴力的监测，可掌握支护结构的受力状况，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计方案，保证车站基坑工程及周围建构筑物的安全，以确保工程的顺利进行。本文结合东莞市城市快速轨道交通R2线寮厦站基坑混凝土支撑轴力的实际监测情况，分析混凝土支撑轴力的监测方法，对出现的相应问题进行探讨。
1、工程概况
东莞市城市快速轨道交通R2线寮厦站位于东莞市厚街镇莞太路与体育路交叉口，基坑长度198.5m、宽度19.7m、深度17.7m，主体围护结构形式为800mm厚地下连续墙+3道支撑（其中第一、二道为混凝土支撑、第三道为钢支撑），第一道支撑尺寸为700×1000mm，第二道支撑尺寸为800×1000mm，混凝土支撑设计强度为C30。根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)的要求，混凝土支撑轴力的监测为一级基坑的应测项目。
2、混凝土支撑轴力监测的原理及计算公式
对于混凝土支撑，目前实际工程采用较多的是钢弦式应力计方法测量钢筋的应力，其基本原理是利用振动频率与其应力之间的关系建立的，受力后，钢筋两端固定点的距离发生变化，钢弦的振动频率也发生变化，根据所测得的钢弦振动频率变化即可求得钢筋内应力的变化值，然后假定钢筋与混凝土的弹性变形完全协调同步，同时钢筋混凝土支撑满足平截面假定，从而计算得出混凝土支撑内力，其计算公式如下：
(1)
(2)
(3)
(4)
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； ——混凝土桩荷载值； ——混凝土弹性模量；
——钢筋弹性模量； ——混凝土支撑截面积； ——钢筋计个数。
3、混凝土支撑轴力监测点的埋设
东莞市城市快速轨道交通R2线混凝土支撑监测布点间距为15～20米，根据此设计要求，寮厦站两道混凝土支撑设置26个轴力监测点。轴力监测传感器采用钢弦式应力计，监测断面选定在混凝土支撑三分之一处。监测断面选定后，在截面四个角上，分别埋设与主筋相匹配的四个钢筋计（如图1所示）。钢筋计与受力主筋一般通过连杆电焊的方式连接，在安装钢筋计的位置上先截下一段不小于传感器长度的主筋，然后将连上连杆的钢筋计焊接在被测主筋上焊上。钢筋计连杆应有足够的长度，以满足规范对搭接焊缝长度的要求。在焊接时，为避免传感器受热损坏，要在传感器上包上湿布并不断浇冷水，直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止。在焊接过程中还应不断测试传感器，看看传感器是否处于正常状态。
图1应力计埋设位置示意图
4、混凝土支撑轴力监测情况及原因分析
4.1监测数据情况
（1）支撑轴力变化曲线分析：
图2寮厦站第一道支撑轴力变化曲线图
图3寮厦站第二道支撑轴力变化曲线图
图2与图3为寮厦站第一、二道混凝土支撑轴力变化曲线图，从图中我们可以读出两道支撑轴力的变化总体趋势：①第一道支撑轴力在土方开挖后呈稳定增长状态，在第二道支撑受力后，第一道支撑轴力呈缓慢减少状态。（第一道支撑轴力出现较多负值，这是由于第三方监测单位要求在土方开挖以后再测取支撑轴力的初始值，导致轴力初始值不为零的原因）；②第二道支撑轴力在底下土方开挖后呈稳定增长状态，在第三道支撑受力后，第二道支撑轴力呈减少状态。图中反映的轴力变化趋势能较好地符合支撑受力变化特性。
（2）支撑轴力极大值分析：
表1混凝土支撑轴力极大值表
从图2及表1可知，寮厦站“ZL13-1”轴力极大值达到2287kN，是设计报警值的4.7倍（限值的3.3倍）。为了确保基坑安全施工，业主组织召开分析讨论会，认为此监测点位于基坑南端的斜撑上，一定程度受到基坑外侧的旋喷桩地层加固施工影响，通过观察支撑，未出现裂缝等不安全、失稳迹象，同时综合分析同步监测的连续墙侧向位移、墙顶水平位移等监测数据，连续多天的监测结果表明基坑各项变形较为缓慢，与会各方均判断认为基坑是处于安全状态，可继续进行下步施工。
车站多个监测点的轴力监测值已大大超过支撑的设计报警值，而通过巡视观察支撑梁体裂缝情况，以及综合分析自身轴力的变化趋势（稳定收敛或持续减小）、其它监测项目数据，判断基坑均为安全状态。
了解其它车站的支撑轴力监测情况，普遍反映混凝土支撑轴力报警为常见现象，某标段甚至报警支撑数量达到70%，反映混凝土支撑轴力监测本身存在一定的问题。
4.2原因分析
在实际施工过程中，出现混凝土支撑轴力报警或异常的原因的多方面的，主要分析如下：
（1）钢筋计在埋设过程中存在不规范的操作。钢筋计本身是高灵敏度的传感器，它对安装埋设要求非常严格。钢筋计在埋设时候是用电焊焊接在支撑主筋上，在焊接的过程中按要求给钢筋计降温，但是工人焊接时候，很难把握降温的力度；另外，焊接的质量也对传感器的工作性能产生很大的影响。
（2）钢筋混凝土收缩徐变的影响。钢弦式钢筋应力计首先加工连接于支撑纵向主筋上，然后封模浇筑混凝土。混凝土在凝固过程中会产生收缩，支撑混凝土收缩量为每20m收缩4~5mm。这时候整个支撑尚未受力，但钢筋受混凝土收缩应力影响已经受压。此时，将钢筋应力计读到数据代进轴力计算公式，没有“受力”的支撑就能算出上百吨的压力，这监测数据显然没有反映支撑轴力的真实情况。解决办法是等待支撑混凝土凝固收缩完成后再对钢弦式钢筋应力计测取初始值，但混凝土的收缩徐变有一个较长的时间过程（一般需要4~6个月，60天完成90%），而施工过程中，大多由于工期原因，支撑混凝土浇筑3~5天即往下开挖土方，因此在支撑受力过程中，参混着混凝土收缩导致的钢筋应力计压力，导致所测支撑轴力偏大。
（3）支撑裂缝的影响。支撑属于混凝土构件，在受拉区（或在混凝土收缩作用下）混凝土容易产生裂缝，这对整体混凝土构件的受力是没有影响的。当裂缝出现后，穿越裂缝的钢筋所受拉力则与测点离裂缝的距离有关，且变化很大，而在实际施工过程中，我们不知道裂缝的位置、间距，也不知道监测点与裂缝的距离，在这种情况下，这根穿越混凝土裂缝的钢筋上的监测数据原则上都是不能采用的。
另外，截面中和轴位置随着裂缝的产生而发生了移动，应力产生重分布，这种复杂的应力变化情况显然与“简单的弹性受力构件假定”相违背，由监测数据套用公式计算的轴力结果自然不正确。
（4）天气温度对钢筋计及混凝土支撑轴力的影响。钢筋计出厂合格证上的数据是实验室中测得的，现场的温度与实验室的温度有很大差别，而混凝土支撑轴力计算公式中没有考虑钢筋计的温度修正系数。钢筋计的受热系数与钢筋的也不等同，它们受温度的影响也不相同。另外，混凝土支撑本身受温度的影响会有伸缩变化，温度每升高10度，20米长的混凝土支撑会产生2mm的伸长，轴力会增加2000KN左右。因此，在温度变化时候，轴力数据会出现异常。
（5）计算公式放大系数的影响。假设支撑截面为1000*800mm2，主筋规格为Φ25，同时钢筋、混凝土的弹性模量分别为ES=210kN/mm2、EC=30kN/mm2，则支撑轴力计算公式为：
由上式可知钢筋测力计算混凝土支撑轴力是233倍的放大推算关系，监测过程中的误差同样会被233倍地放大，这就导致混凝土支撑轴力监测结果容易出现不稳定的结果。
（6）设计给出报警值的问题。目前设计单位给的混凝土支撑轴力的报警值，是根据周边水土压力加上预计的基坑边动载进行计算的，但实际的地层条件及外加的施工荷载与设计条件肯定有所差别，支撑实际受力不同于设计理论计算值也属正常现象；另外设计报警值并不等同于混凝土构件的极限承载力（报警值一般远小于构件极限承载力）。因此，出现了轴力报警情况，也不代表基坑的稳定性受到破坏，而是应该根据支撑混凝土构件算出其自身的极限承载力，以判断支撑的“安全富余量”。
5、结论
（1）混凝土支撑轴力监测结果总体能正确反映轴力变化趋势。
（2）钢筋计埋设必须严格规范操作，焊接过程必须确保焊接质量，同时确实做好降温工作，埋设完成后必须多次测取振弦频率，检验钢筋计工作性能是否正常。
（3）在工期允许的条件下，支撑混凝土浇筑完成后，让其凝固收缩尽量长的时间（至少7天以上），再往下开挖土方，开挖前测取钢筋应力计的初始值，以尽量消除混凝土收缩徐变而导致钢筋应力计的初始压力。
（4）同一季度，每天早上6~8点温度较为固定，应在此时进行轴力数据采集，以避免天气温度对支撑轴力监测工作的影响。当出现较大温度变化时，在监测数据分析过程中必须考虑温度的影响，必要时采用温度修正系数进行支撑轴力监测结果的修正。
（5）由于混凝土支撑轴力监测结果的准确性存在较多的影响因素，当出现报警后，通过观察现场支撑是否出现裂纹，同时分析支撑轴力的变化速率，以及连续墙测斜、墙顶水平位移等其他监测项目的监测结果，综合判断基坑的安全状况。
（6）算出混凝土支撑构件破坏承载力，判断支撑轴力的真实“安全富余量”，同时参照《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)上对报警值的要求，建议设计综合考虑轴力计算值及支撑破坏承載力，适当提高支撑轴力报警值，以减少不必要的混凝土轴力报警情况。
参考文献
高德恒，王小刚，何振元，混凝土支撑轴力监测分析【J】，人民珠江，2008（6）；
李文峰，对地铁基坑混凝土支撑轴力监测精准性的探讨【J】，隧道设计，2009,29（4）；
建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009 ；
刘建航，基坑工程手册【M】，中国建筑工业出版社，1997 。
【关键词】：混凝土支撑、轴力、监测、钢筋计、报警、影响因素
中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：
近年來，我国加快了城市轨道交通建设的步伐，明挖车站深基坑工程也相应越来越多，在深基坑施工过程中，只有对车站基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测，才能以信息化指导施工。支撑结构轴力的监测是深基坑工程监测的主要项目之一，通过对轴力的监测，可掌握支护结构的受力状况，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，甚至调整施工工艺或修改设计方案，保证车站基坑工程及周围建构筑物的安全，以确保工程的顺利进行。本文结合东莞市城市快速轨道交通R2线寮厦站基坑混凝土支撑轴力的实际监测情况，分析混凝土支撑轴力的监测方法，对出现的相应问题进行探讨。
1、工程概况
东莞市城市快速轨道交通R2线寮厦站位于东莞市厚街镇莞太路与体育路交叉口，基坑长度198.5m、宽度19.7m、深度17.7m，主体围护结构形式为800mm厚地下连续墙+3道支撑（其中第一、二道为混凝土支撑、第三道为钢支撑），第一道支撑尺寸为700×1000mm，第二道支撑尺寸为800×1000mm，混凝土支撑设计强度为C30。根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)的要求，混凝土支撑轴力的监测为一级基坑的应测项目。
2、混凝土支撑轴力监测的原理及计算公式
对于混凝土支撑，目前实际工程采用较多的是钢弦式应力计方法测量钢筋的应力，其基本原理是利用振动频率与其应力之间的关系建立的，受力后，钢筋两端固定点的距离发生变化，钢弦的振动频率也发生变化，根据所测得的钢弦振动频率变化即可求得钢筋内应力的变化值，然后假定钢筋与混凝土的弹性变形完全协调同步，同时钢筋混凝土支撑满足平截面假定，从而计算得出混凝土支撑内力，其计算公式如下：
(1)
(2)
(3)
(4)
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； ——混凝土桩荷载值； ——混凝土弹性模量；
——钢筋弹性模量； ——混凝土支撑截面积； ——钢筋计个数。
3、混凝土支撑轴力监测点的埋设
东莞市城市快速轨道交通R2线混凝土支撑监测布点间距为15～20米，根据此设计要求，寮厦站两道混凝土支撑设置26个轴力监测点。轴力监测传感器采用钢弦式应力计，监测断面选定在混凝土支撑三分之一处。监测断面选定后，在截面四个角上，分别埋设与主筋相匹配的四个钢筋计（如图1所示）。钢筋计与受力主筋一般通过连杆电焊的方式连接，在安装钢筋计的位置上先截下一段不小于传感器长度的主筋，然后将连上连杆的钢筋计焊接在被测主筋上焊上。钢筋计连杆应有足够的长度，以满足规范对搭接焊缝长度的要求。在焊接时，为避免传感器受热损坏，要在传感器上包上湿布并不断浇冷水，直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止。在焊接过程中还应不断测试传感器，看看传感器是否处于正常状态。
图1应力计埋设位置示意图
4、混凝土支撑轴力监测情况及原因分析
4.1监测数据情况
（1）支撑轴力变化曲线分析：
图2寮厦站第一道支撑轴力变化曲线图
图3寮厦站第二道支撑轴力变化曲线图
图2与图3为寮厦站第一、二道混凝土支撑轴力变化曲线图，从图中我们可以读出两道支撑轴力的变化总体趋势：①第一道支撑轴力在土方开挖后呈稳定增长状态，在第二道支撑受力后，第一道支撑轴力呈缓慢减少状态。（第一道支撑轴力出现较多负值，这是由于第三方监测单位要求在土方开挖以后再测取支撑轴力的初始值，导致轴力初始值不为零的原因）；②第二道支撑轴力在底下土方开挖后呈稳定增长状态，在第三道支撑受力后，第二道支撑轴力呈减少状态。图中反映的轴力变化趋势能较好地符合支撑受力变化特性。
（2）支撑轴力极大值分析：
表1混凝土支撑轴力极大值表
从图2及表1可知，寮厦站“ZL13-1”轴力极大值达到2287kN，是设计报警值的4.7倍（限值的3.3倍）。为了确保基坑安全施工，业主组织召开分析讨论会，认为此监测点位于基坑南端的斜撑上，一定程度受到基坑外侧的旋喷桩地层加固施工影响，通过观察支撑，未出现裂缝等不安全、失稳迹象，同时综合分析同步监测的连续墙侧向位移、墙顶水平位移等监测数据，连续多天的监测结果表明基坑各项变形较为缓慢，与会各方均判断认为基坑是处于安全状态，可继续进行下步施工。
车站多个监测点的轴力监测值已大大超过支撑的设计报警值，而通过巡视观察支撑梁体裂缝情况，以及综合分析自身轴力的变化趋势（稳定收敛或持续减小）、其它监测项目数据，判断基坑均为安全状态。
了解其它车站的支撑轴力监测情况，普遍反映混凝土支撑轴力报警为常见现象，某标段甚至报警支撑数量达到70%，反映混凝土支撑轴力监测本身存在一定的问题。
4.2原因分析
在实际施工过程中，出现混凝土支撑轴力报警或异常的原因的多方面的，主要分析如下：
（1）钢筋计在埋设过程中存在不规范的操作。钢筋计本身是高灵敏度的传感器，它对安装埋设要求非常严格。钢筋计在埋设时候是用电焊焊接在支撑主筋上，在焊接的过程中按要求给钢筋计降温，但是工人焊接时候，很难把握降温的力度；另外，焊接的质量也对传感器的工作性能产生很大的影响。
（2）钢筋混凝土收缩徐变的影响。钢弦式钢筋应力计首先加工连接于支撑纵向主筋上，然后封模浇筑混凝土。混凝土在凝固过程中会产生收缩，支撑混凝土收缩量为每20m收缩4~5mm。这时候整个支撑尚未受力，但钢筋受混凝土收缩应力影响已经受压。此时，将钢筋应力计读到数据代进轴力计算公式，没有“受力”的支撑就能算出上百吨的压力，这监测数据显然没有反映支撑轴力的真实情况。解决办法是等待支撑混凝土凝固收缩完成后再对钢弦式钢筋应力计测取初始值，但混凝土的收缩徐变有一个较长的时间过程（一般需要4~6个月，60天完成90%），而施工过程中，大多由于工期原因，支撑混凝土浇筑3~5天即往下开挖土方，因此在支撑受力过程中，参混着混凝土收缩导致的钢筋应力计压力，导致所测支撑轴力偏大。
（3）支撑裂缝的影响。支撑属于混凝土构件，在受拉区（或在混凝土收缩作用下）混凝土容易产生裂缝，这对整体混凝土构件的受力是没有影响的。当裂缝出现后，穿越裂缝的钢筋所受拉力则与测点离裂缝的距离有关，且变化很大，而在实际施工过程中，我们不知道裂缝的位置、间距，也不知道监测点与裂缝的距离，在这种情况下，这根穿越混凝土裂缝的钢筋上的监测数据原则上都是不能采用的。
另外，截面中和轴位置随着裂缝的产生而发生了移动，应力产生重分布，这种复杂的应力变化情况显然与“简单的弹性受力构件假定”相违背，由监测数据套用公式计算的轴力结果自然不正确。
（4）天气温度对钢筋计及混凝土支撑轴力的影响。钢筋计出厂合格证上的数据是实验室中测得的，现场的温度与实验室的温度有很大差别，而混凝土支撑轴力计算公式中没有考虑钢筋计的温度修正系数。钢筋计的受热系数与钢筋的也不等同，它们受温度的影响也不相同。另外，混凝土支撑本身受温度的影响会有伸缩变化，温度每升高10度，20米长的混凝土支撑会产生2mm的伸长，轴力会增加2000KN左右。因此，在温度变化时候，轴力数据会出现异常。
（5）计算公式放大系数的影响。假设支撑截面为1000*800mm2，主筋规格为Φ25，同时钢筋、混凝土的弹性模量分别为ES=210kN/mm2、EC=30kN/mm2，则支撑轴力计算公式为：
由上式可知钢筋测力计算混凝土支撑轴力是233倍的放大推算关系，监测过程中的误差同样会被233倍地放大，这就导致混凝土支撑轴力监测结果容易出现不稳定的结果。
（6）设计给出报警值的问题。目前设计单位给的混凝土支撑轴力的报警值，是根据周边水土压力加上预计的基坑边动载进行计算的，但实际的地层条件及外加的施工荷载与设计条件肯定有所差别，支撑实际受力不同于设计理论计算值也属正常现象；另外设计报警值并不等同于混凝土构件的极限承载力（报警值一般远小于构件极限承载力）。因此，出现了轴力报警情况，也不代表基坑的稳定性受到破坏，而是应该根据支撑混凝土构件算出其自身的极限承载力，以判断支撑的“安全富余量”。
5、结论
（1）混凝土支撑轴力监测结果总体能正确反映轴力变化趋势。
（2）钢筋计埋设必须严格规范操作，焊接过程必须确保焊接质量，同时确实做好降温工作，埋设完成后必须多次测取振弦频率，检验钢筋计工作性能是否正常。
（3）在工期允许的条件下，支撑混凝土浇筑完成后，让其凝固收缩尽量长的时间（至少7天以上），再往下开挖土方，开挖前测取钢筋应力计的初始值，以尽量消除混凝土收缩徐变而导致钢筋应力计的初始压力。
（4）同一季度，每天早上6~8点温度较为固定，应在此时进行轴力数据采集，以避免天气温度对支撑轴力监测工作的影响。当出现较大温度变化时，在监测数据分析过程中必须考虑温度的影响，必要时采用温度修正系数进行支撑轴力监测结果的修正。
（5）由于混凝土支撑轴力监测结果的准确性存在较多的影响因素，当出现报警后，通过观察现场支撑是否出现裂纹，同时分析支撑轴力的变化速率，以及连续墙测斜、墙顶水平位移等其他监测项目的监测结果，综合判断基坑的安全状况。
（6）算出混凝土支撑构件破坏承载力，判断支撑轴力的真实“安全富余量”，同时参照《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)上对报警值的要求，建议设计综合考虑轴力计算值及支撑破坏承載力，适当提高支撑轴力报警值，以减少不必要的混凝土轴力报警情况。
参考文献
高德恒，王小刚，何振元，混凝土支撑轴力监测分析【J】，人民珠江，2008（6）；
李文峰，对地铁基坑混凝土支撑轴力监测精准性的探讨【J】，隧道设计，2009,29（4）；
建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009 ；
刘建航，基坑工程手册【M】，中国建筑工业出版社，1997 。