1 引言
隨著我國經濟的快速發展，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的影響，國家拉動內需，地下空間的利用發展空前。但是，要利用地下空間，沒有相關的技術支持是不行的。最典型的莫過于地鐵、輕軌地下換乘車站的明挖深基坑，它常常出現在大城市中的人口密集、市場繁華的區域，地面高層建筑多；加之設計、施工過程中新技術新工藝的采用，規劃、施工和運營的線路多且在一段時期內同時并存，因此在建設運營中遇到了很多安全問題。深入開展重大事故安全保障技術研究，加強的安全管理，關系到人民生命財產的安全，是關系國家經濟發展、社會穩定、構建和諧社會的大事。所以，直接關系到深基坑安全的監測技術就有了用武之地，它也將是21世紀的一個重大的技術領域[1]。
2 地質條件與工程概況
該市輕軌地下換乘車站擬建場地地勢西高東低。場地地貌類型為松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶，地貌單元為波狀臺地，勘察高程測量采用該市城市高程。沿線地面標高為208.114～204.50米，最大高差3.614米�？辈旖衣蹲畲笊疃�40.0米，勘察結果表明，擬建場地地層沉積具有一定的規律性，場地地層主要由三部分組成：地表一般分布有道路結構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。實測地下水位埋深3.90～5.50m，水位高程介于201.34～202.21m。擬建場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出一定的微承壓性。地下水補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外徑流補給，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、人工開采及蒸發消耗等。隧道位于地下水位以下，應做好防滲設計，施工時做好排水工作。
圖1 監測區段平面簡圖
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換乘車站之一，是該市軌道3號線與4號線的換乘站，站址位于兩條城市道路的交叉路口南側，3號線與4號線在車站內平行，均呈南北走向。車站起點里程為K2+694.45，中心里程為K2+768.0，終點里程為K2+858.05，長163.6m。車站位于城市道路正下方，東側為單線既有線路，西側為某歷史展覽館，見圖1。車站為兩層四跨結構，采用明挖順作法施工�；娱L寬為163.6m標準寬度36m，入口處深度19.00m，出口處深度17.55m，基坑側壁的安全等級為一級。支護結構采用Φ1000@1200鉆孔灌注樁結合Φ609mm（t=16mm）鋼管支撐的形式，樁間土掛鋼筋網噴混凝土保護。支護樁長度32.56m。樁頂冠梁寬1200mm，高1000mm。冠梁上鋪設軌道以走行龍門吊。基坑中部為橫撐體系，端部為斜撐體系，鋼支撐預加軸力。降水方式為基坑內潛水泵降水，雙排高壓旋噴樁作止水帷幕，所有旋噴樁嵌入底板下5~6m截斷基坑內外水流。高壓旋噴樁有效樁徑0.6m，搭接長度0.4m，支護結構外緣距止水帷幕中心0.6m。
3 監測儀器
監測數據分析將重點采用樁身深層水平位移監測數據和鋼管支撐軸力監測數據，來說明相關的問題。
（1）樁身的深層水平位移監測（測斜）：
1）測斜管的埋設
為了真實反映支護結構的撓曲情況，測斜管埋設在樁體之中，再灌注樁成孔之后將測斜管綁扎在鋼筋籠內，同鋼筋籠一同放于孔內，然后澆筑樁體。埋設時應符合下列要求：
①埋設前應檢查測斜管質量，測斜管連接時，應保證上、下管段的導槽相互對準、順暢，各段接頭及管底應保證密封。
②測斜管埋設時，應保持數值，防止發生上浮、斷裂、扭轉；測斜管中的一對導槽的方向應與所需測量的位移方向保持一致。
2）測斜方法與步驟
采用進口Sinco測斜儀觀測各深度處水平位移，精度不低于0.25mm/m，分辨率不低于0.02mm/500mm。量測程序符合規范規定：測斜儀測頭置入測斜管底后，應待測頭接近管內溫度時再測量，每個監測點均應進行正、反兩次量測。
Fig.2 Sketch of inclinometer instruments
（2）鋼支撐軸力監測：
鋼支撐軸力計設置于車站及區間段的明挖深基坑內，用于了解鋼支撐的內力，以及間接表征土體對護坡樁的側壓力情況。按照要求，水平向每隔五根鋼支撐（約15~20m）布置一個鋼支撐軸力監測點（全斷面縱向布設ZL-1型軸力計），在各個工序下，用以監測縱向各道鋼支撐軸力。監測時采用ZX-16振弦頻率儀測讀頻率值，根據標定曲線的相關公式轉換成鋼支撐軸力的實測數據。監測頻率1次/d，降雨及基坑周圍荷載增大時增至2次/d。二次儀表采用ZX-16振弦式頻率儀。
圖3 頻率儀、軸力計簡圖
Fig.3 Sketch of frequency instrument and dynamometer
4 監測結果分析
4.1 監測點布置
依據相關規范規程[2] [3]，布置監測點位置。由于本文主要采用樁身深層水平位移監測數據、鋼支撐軸力監測數據，所以監測點的布置圖也主要以這兩者為反映對象，其他的監測項目就不在圖中反映了。
測斜監測點平面布置見圖4（以CX為代號）；測斜監測點與軸力監測點的相互位置關系也可參照圖4。
軸力監測點平面布置見圖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，由于布設時不固定在哪一端，故兩端都標示了軸力計，事實上單側布設）。
4.2問題的提出與背景
進入秋季以來，氣溫總是很不穩定，有時會對深基坑安全產生一定的影響；這個影響絕不僅僅是對鋼支撐而言的，而是對整個支護結構系統而言的。在整個秋季施工過程中，2010-9-19~2010-9-26這段時間氣溫變化幅度較大（見表1），軸力及測斜數據變化也較為典型，體現了此次基坑施工中，監測數據在較大的溫差的條件下的一些規律，故以此段時間的監測數據為例，作專項討論。
需要注意的是，在4.2節中，所有的測斜曲線均為現場測斜儀導入計算機后的顯示曲線圖，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，該方向數據未摘錄）；橫坐標軸正向為朝向坑內的方向；橫坐標軸的零點的位置為測斜孔的底部位
置；再有，該儀器顯示的曲線圖所反映的意義
是，實測之當日相對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
樁身的深層水平位移變化速率大小。
針對溫差變化影響的典型數據，本文所取的測斜點為CX255，軸力觀測點為ZL25、ZL28、ZL33全斷面，其中軸力計ZL25-2、
表1 氣溫變化統計表（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 鋼支撐監測點布置剖面圖
Fig.7 Cross section of strut axial forces measuring points
ZL25-4沒裝成，故就近于28全斷面補充水平同向的軸力計ZL28-2、ZL28-4，可是ZL28-2、ZL33-4壞了，所以未能形成全斷面觀測點；但ZL25、 ZL28、ZL33全斷面相距較近，見圖4~5，應可以互補說明這段時間的軸力變化過程，見圖6。本節將分三個時間段說明較大溫差帶來的影響，絕不僅僅是對鋼支撐的，更是對整個支護結構系統的。如果事先的設計未能考慮周全，則在一些特定條件下，可能出現一些不利情況（上述監測點參見圖4~5）。
4.3監測結果分析
本文將針對較大溫差的階段性變化，將監測過程人為地分為三個階段，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，軸力測斜都無明顯變化，不是討論要點。
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，軸力實測數值都在減小，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，鋼支撐由于溫度干擾，把自身的承擔的一部分土壓力轉移給排樁，從而使樁的受力加大，因為承擔樁后土壓力的，除了樁就是鋼支撐，現在鋼支撐的軸力驟降，雖然排樁的內力沒能測出來，但是依據受力分析，不難推測排樁內力一定會激增�？墒牵�9-21的測斜曲線卻沒有明顯的變化（相對于9-20），見圖8，說明樁的設計是安全可靠的，它本身具有較好的自立性與穩定性，即使在受力激增的條件下，尚可保持形態的穩定。
所以，在溫度突降的當天，由于護坡樁本身的優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相對獨立的過程。
9-21~9-22：9-22溫度繼續降低，幅度不大，見表1。仔細觀察可以發現，9-22測斜曲線有了明顯的變化，見圖8，排樁向坑內發生明顯的傾斜，經仔細對照，水平位移日均變化量的最大值已達3.61mm/d，絕對值超過控制值（2~3mm/d），比較不利，而反觀軸力的實測變化曲線，數值有升有降，見圖6，說明鋼支撐依然受到溫度降低的干擾，在關鍵時刻，無法全部發揮其應有的支護作用。
鑒于日均變化量已超過控制值，監測方當即向施工方預警，并建議：
1）立即減緩開挖進度，加快加撐速度，嚴禁超挖。
2）加密樁頂及樁身水平位移的觀測頻率為2次/天；當觀測數據進一步異常時，增加至3~4次/天。
3）加強現場巡視，特別注意冠梁后部的土體是否出現裂縫，冠梁是否與周圍土體脫開。
隨著施工的及時調整，只是在9-22樁墻朝向坑內的位移較大，之后情況逐漸好轉。
在9-20~9-22這段時間，由于溫度驟然降低，致使鋼支撐受冷收縮，工作效能降低，將原來所分擔的樁后土壓力的一部分轉移給了排樁，可以說，在這段時間，樁成了維系基坑安全的關鍵的因素。
（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測斜曲線較為穩定，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。說明此時鋼支撐已基本擺脫溫度下降的干擾，承擔了它應承擔的土壓力。
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測斜曲線穩定，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；測斜曲線顯示，相對于9-24，9-25的測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動下，鋼支撐受熱伸長，而排樁及樁后土體反應不明顯，仍延續向坑內傾斜的趨勢，致使鋼支撐的伸長受阻，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相對于前一日彈向坑外。但是，必須指出的是，這個回彈量是很小的、局部的、相對的，排樁總體上的累計深層水平位移量仍是向坑內傾斜。
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；測斜曲線回到穩定安全的范圍內，相對于9-25，恢復了向坑內傾斜的情況，見圖10。這是因為：溫度不再上升，鋼支撐也就失去了內在的動因；而又因為鋼支撐較長（36m），屬于細長偏心受壓桿件，而且內部連接部件較多，容易發生不規則變形，進而會有應力松弛的現象，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，導致樁墻局部向坑外變化（相對于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的伸長趨勢，而由于土體的自身一些特性（彈塑性、蠕變性），無法做出迅速反應，客觀上造成了土壓力變化相對遲緩的后果，即，土壓力數值仍然較大，這樣一來，樁體在較大土壓力的擠壓下，就向坑內傾斜（相對于9-25），這樣，土壓力逐漸由最初的較大的被動土壓力變為最后的較小的主動土壓力，與下降后的軸力達到一個新的平衡狀態，這個平衡狀態使樁體的水平位移變化曲線處于一個比較安全的范圍內。
4.4啟示與反思
通過這一段時間（2010-9-19~2010-9-26）的全程監控，可以發現：
在溫度驟降的9-21，鋼支撐軸力明顯下降，而樁的測斜曲線變化滯后于軸力變化。
到了9-22，排樁的測斜曲線最為不利，最大日均水平位移量已超過報警值，而此時由于溫度干擾，鋼支撐仍是無法提供及時有效的支持，仍由樁系統（排樁與旋噴樁，偏指排樁）承擔維系基坑安全穩定的主要任務，這充分暴露了鋼支撐的缺陷：易受溫度變化影響，工作效能不穩定；而且，尤其在溫度驟降時，其防護作用比較被動。另一方面，在軸力驟降時，是排樁承擔了主要的土壓力，可見在實際變化無常的條件下，護坡樁的作用是多么巨大。
而在溫度驟降這段時間，必須加強監測，及時配合施工方，以防不測。另外在設計施工中，也應考慮，在北方較為寒冷的地區，秋冬季溫差較大，上述情況時有發生，為了應對不測局面，是否可以適當加大排樁的安全儲備，同時也不應將一般情況下的鋼支撐的工作狀態作為設計依據。
另外，在溫差較大，測斜軸力數值變化有時較為劇烈，在此情況下，應注意加密樁頂及樁身水平位移的觀測頻率至2次/天。
在秋冬季溫差較大的背景下進行深基坑施工，鋼支撐與護坡樁組成的支護結構系統基本就是處于這樣一個周而復始的動態平衡的過程中，只是表現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，難免不會有類似的較為特殊情況發生，持續的時間一旦變長，每日較大的變化量一旦積累起來，問題就嚴重了，即使再怎么處理，先期累積的水平位移由于時空效應已經不可能恢復了[4]。所以，切不可掉以輕心。
在設計與施工時，千萬要保證排樁嚴格按照規范進行。必要時，在比較特殊的地區，在比較特殊的溫度下，應適當加大安全系數，作為在較大溫差來臨時，鋼支撐工作效率較低，排樁在一定時間內要承擔主要土壓力的安全儲備。另一方面，只要遇到溫度突變的天氣無論是施工還是監測，都必須提高警惕，特別是開挖方式必須要科學合理，建議還是采用小面積分塊開挖，對于基坑的安全比較有利[5]。
參考文獻：
[1] 關寶樹. 地下工程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.
[2] 濟南大學. 建筑基坑工程監測技術規范(GB50497-2009)[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2009.
[3] 中國建筑科學研究院. 建筑基坑支護技術規程(JGJ120-99)[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1999.
[4] 田榮，吳應明. 紅外探測技術在隧道超前探水中的應用研究[J]. 鐵道標準設計, 2007(增刊2): 68～69.
[5] 任建喜，劉杰. 森林公園地鐵車站深基坑變形規律有限元分析[A] .第九屆全國巖土力學數值分析與解析方法討論會論文集[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、地下空間等領域的科研工作。
聯系方式手機：13693225753E-mail：stephenhoiison@126.com
通訊地址：北京市朝陽區北三環東路30號中國建筑科學研究院地基基礎研究所
郵編：100013
李顯忠（1965-），男，山東蓬萊人，清華大學博士后，研究員，主要從事環境巖土工程、地下空間與工程等領域的科研及教學工作。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、鐵路的施工設計工作。E-mail：m15159949@163.com
