1 引言
随着我国经济的快速发展，地下空间的利用将有着非常广阔的前景。特别是受全球金融危机的影响，国家拉动内需，地下空间的利用发展空前。但是，要利用地下空间，没有相关的技术支持是不行的。最典型的莫过于地铁、轻轨地下换乘车站的明挖深基坑，它常常出现在大城市中的人口密集、市场繁华的区域，地面高层建筑多；加之设计、施工过程中新技术新工艺的采用，规划、施工和运营的线路多且在一段时期内同时并存，因此在建设运营中遇到了很多安全问题。深入开展重大事故安全保障技术研究，加强的安全管理，关系到人民生命财产的安全，是关系国家经济发展、社会稳定、构建和谐社会的大事。所以，直接关系到深基坑安全的监测技术就有了用武之地，它也将是21世纪的一个重大的技术领域[1]。
2 地质条件与工程概况
该市轻轨地下换乘车站拟建场地地势西高东低。场地地貌类型为松辽波状平原东缘与吉东山地接址带，地貌单元为波状台地，勘察高程测量采用该市城市高程。沿线地面标高为208.114～204.50米，最大高差3.614米。勘察揭露最大深度40.0米，勘察结果表明，拟建场地地层沉积具有一定的规律性，场地地层主要由三部分组成：地表一般分布有道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系冲积粘性土和冲洪积砂土、下伏白垩系泥岩组成。实测地下水位埋深3.90～5.50m，水位高程介于201.34～202.21m。拟建场地地下水赋存于第四系粘性土和砂土层中，含水层的厚度在10.0~15.0米。其下部的泥岩为不透水层。拟建场地地下水类型属第四系孔隙潜水，由于含水岩组透水性及富水性的差异，在一定条件下砂土层中的孔隙水可表现出一定的微承压性。地下水补给及排泄方式主要有大气降水入渗、给排水管线渗漏以及区外径流补给，其流向与地形总体坡度一致，主要流向东；潜水排水方式主要为径流排泄、人工开采及蒸发消耗等。隧道位于地下水位以下，应做好防渗设计，施工时做好排水工作。
图1 监测区段平面简图
Fig.1 Simple plan of monitoring section
该地下车站是某市轻轨三期工程地下隧道段地下换乘车站之一，是该市轨道3号线与4号线的换乘站，站址位于两条城市道路的交叉路口南侧，3号线与4号线在车站内平行，均呈南北走向。车站起点里程为K2+694.45，中心里程为K2+768.0，终点里程为K2+858.05，长163.6m。车站位于城市道路正下方，东侧为单线既有线路，西侧为某历史展览馆，见图1。车站为两层四跨结构，采用明挖顺作法施工。基坑长宽为163.6m标准宽度36m，入口处深度19.00m，出口处深度17.55m，基坑侧壁的安全等级为一级。支护结构采用Φ1000@1200钻孔灌注桩结合Φ609mm（t=16mm）钢管支撑的形式，桩间土挂钢筋网喷混凝土保护。支护桩长度32.56m。桩顶冠梁宽1200mm，高1000mm。冠梁上铺设轨道以走行龙门吊。基坑中部为横撑体系，端部为斜撑体系，钢支撑预加轴力。降水方式为基坑内潜水泵降水，双排高压旋喷桩作止水帷幕，所有旋喷桩嵌入底板下5~6m截断基坑内外水流。高压旋喷桩有效桩径0.6m，搭接长度0.4m，支护结构外缘距止水帷幕中心0.6m。
3 监测仪器
监测数据分析将重点采用桩身深层水平位移监测数据和钢管支撑轴力监测数据，来说明相关的问题。
（1）桩身的深层水平位移监测（测斜）：
1）测斜管的埋设
为了真实反映支护结构的挠曲情况，测斜管埋设在桩体之中，再灌注桩成孔之后将测斜管绑扎在钢筋笼内，同钢筋笼一同放于孔内，然后浇筑桩体。埋设时应符合下列要求：
①埋设前应检查测斜管质量，测斜管连接时，应保证上、下管段的导槽相互对准、顺畅，各段接头及管底应保证密封。
②测斜管埋设时，应保持数值，防止发生上浮、断裂、扭转；测斜管中的一对导槽的方向应与所需测量的位移方向保持一致。
2）测斜方法与步骤
采用进口Sinco测斜仪观测各深度处水平位移，精度不低于0.25mm/m，分辨率不低于0.02mm/500mm。量测程序符合规范规定：测斜仪测头置入测斜管底后，应待测头接近管内温度时再测量，每个监测点均应进行正、反两次量测。
Fig.2 Sketch of inclinometer instruments
（2）钢支撑轴力监测：
钢支撑轴力计设置于车站及区间段的明挖深基坑内，用于了解钢支撑的内力，以及间接表征土体对护坡桩的侧压力情况。按照要求，水平向每隔五根钢支撑（约15~20m）布置一个钢支撑轴力监测点（全断面纵向布设ZL-1型轴力计），在各个工序下，用以监测纵向各道钢支撑轴力。监测时采用ZX-16振弦频率仪测读频率值，根据标定曲线的相关公式转换成钢支撑轴力的实测数据。监测频率1次/d，降雨及基坑周围荷载增大时增至2次/d。二次仪表采用ZX-16振弦式频率仪。
图3 频率仪、轴力计简图
Fig.3 Sketch of frequency instrument and dynamometer
4 监测结果分析
4.1 监测点布置
依据相关规范规程[2] [3]，布置监测点位置。由于本文主要采用桩身深层水平位移监测数据、钢支撑轴力监测数据，所以监测点的布置图也主要以这两者为反映对象，其他的监测项目就不在图中反映了。
测斜监测点平面布置见图4（以CX为代号）；测斜监测点与轴力监测点的相互位置关系也可参照图4。
轴力监测点平面布置见图5（图中的钢支撑上的黑三角）；剖面布置见图7（图中钢支撑两端的黑色装置，由于布设时不固定在哪一端，故两端都标示了轴力计，事实上单侧布设）。
4.2问题的提出与背景
进入秋季以来，气温总是很不稳定，有时会对深基坑安全产生一定的影响；这个影响绝不仅仅是对钢支撑而言的，而是对整个支护结构系统而言的。在整个秋季施工过程中，2010-9-19~2010-9-26这段时间气温变化幅度较大（见表1），轴力及测斜数据变化也较为典型，体现了此次基坑施工中，监测数据在较大的温差的条件下的一些规律，故以此段时间的监测数据为例，作专项讨论。
需要注意的是，在4.2节中，所有的测斜曲线均为现场测斜仪导入计算机后的显示曲线图，图中“A Axis”指与桩墙平面垂直的方向（“B Axis”指与桩墙平面平行的方向，该方向数据未摘录）；横坐标轴正向为朝向坑内的方向；横坐标轴的零点的位置为测斜孔的底部位
置；再有，该仪器显示的曲线图所反映的意义
是，实测之当日相对于前一日的水平位移变化
量，即，每日水平位移变化量曲线，直接体现
桩身的深层水平位移变化速率大小。
针对温差变化影响的典型数据，本文所取的测斜点为CX255，轴力观测点为ZL25、ZL28、ZL33全断面，其中轴力计ZL25-2、
表1 气温变化统计表（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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气温
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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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均温
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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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图7 钢支撑监测点布置剖面图
Fig.7 Cross section of strut axial forces measuring points
ZL25-4没装成，故就近于28全断面补充水平同向的轴力计ZL28-2、ZL28-4，可是ZL28-2、ZL33-4坏了，所以未能形成全断面观测点；但ZL25、 ZL28、ZL33全断面相距较近，见图4~5，应可以互补说明这段时间的轴力变化过程，见图6。本节将分三个时间段说明较大温差带来的影响，绝不仅仅是对钢支撑的，更是对整个支护结构系统的。如果事先的设计未能考虑周全，则在一些特定条件下，可能出现一些不利情况（上述监测点参见图4~5）。
4.3监测结果分析
本文将针对较大温差的阶段性变化，将监测过程人为地分为三个阶段，即，温度骤降阶段（2010-9-19~2010-9-22），温度基本持平阶段（2010-9-22~2010-9-24），温度骤升阶段（2010-9-24~2010-9-26）。
（1）温度骤降阶段（2010-9-19~2010-9-22）
9-19~9-20：温度基本持平，轴力测斜都无明显变化，不是讨论要点。
9-20~9-21：9-21温度突然降低，降幅较大，见表1；9-21钢支撑受冷收缩，轴力实测数值都在减小，变化比较明显，变化在22.44~74.04KN之间，见图6；而排桩由于自身材质的限制，受温度影响较小，能影响它的，主要是受力变化。从受力的角度说，钢支撑由于温度干扰，把自身的承担的一部分土压力转移给排桩，从而使桩的受力加大，因为承担桩后土压力的，除了桩就是钢支撑，现在钢支撑的轴力骤降，虽然排桩的内力没能测出来，但是依据受力分析，不难推测排桩内力一定会激增。可是，9-21的测斜曲线却没有明显的变化（相对于9-20），见图8，说明桩的设计是安全可靠的，它本身具有较好的自立性与稳定性，即使在受力激增的条件下，尚可保持形态的稳定。
所以，在温度突降的当天，由于护坡桩本身的优良性能以及钢支撑受冷后的收缩，使排桩水平位移变化和钢支撑受力变化成为了两个相对独立的过程。
9-21~9-22：9-22温度继续降低，幅度不大，见表1。仔细观察可以发现，9-22测斜曲线有了明显的变化，见图8，排桩向坑内发生明显的倾斜，经仔细对照，水平位移日均变化量的最大值已达3.61mm/d，绝对值超过控制值（2~3mm/d），比较不利，而反观轴力的实测变化曲线，数值有升有降，见图6，说明钢支撑依然受到温度降低的干扰，在关键时刻，无法全部发挥其应有的支护作用。
鉴于日均变化量已超过控制值，监测方当即向施工方预警，并建议：
1）立即减缓开挖进度，加快加撑速度，严禁超挖。
2）加密桩顶及桩身水平位移的观测频率为2次/天；当观测数据进一步异常时，增加至3~4次/天。
3）加强现场巡视，特别注意冠梁后部的土体是否出现裂缝，冠梁是否与周围土体脱开。
随着施工的及时调整，只是在9-22桩墙朝向坑内的位移较大，之后情况逐渐好转。
在9-20~9-22这段时间，由于温度骤然降低，致使钢支撑受冷收缩，工作效能降低，将原来所分担的桩后土压力的一部分转移给了排桩，可以说，在这段时间，桩成了维系基坑安全的关键的因素。
（2）温度持平阶段（2010-9-22~2010-9-24）
9-22~9-23：温度基本持平，9-23温度略有降低，见表1。9-23测斜曲线较为稳定，见图9，但是轴力曲线回弹明显，变化在26.30~105.70KN之间，见图6。说明此时钢支撑已基本摆脱温度下降的干扰，承担了它应承担的土压力。
9-23~9-24：温度基本持平，9-24温度略有上升，见表1；9-24轴力值有升有降，见图6；9-24测斜曲线稳定，见图9。
（3）温度骤升阶段（2010-9-24~2010-9-26）
9-24~9-25：9-25温度骤然升高，见表1，轴力值又有上升，变化在30.20~70.12KN之间，见图6；测斜曲线显示，相对于9-24，9-25的测斜曲线有部分向坑外变化的情况，见图10。原因：在温度较快上升的驱动下，钢支撑受热伸长，而排桩及桩后土体反应不明显，仍延续向坑内倾斜的趋势，致使钢支撑的伸长受阻，在钢支撑与桩墙的相互作用的情况下，轴力明显上升；另一方面，在受到钢支撑明显的作用力之后，桩墙的有些位置自然会相对于前一日弹向坑外。但是，必须指出的是，这个回弹量是很小的、局部的、相对的，排桩总体上的累计深层水平位移量仍是向坑内倾斜。
9-25~9-26：温度基本持平，9-26温度略有降低，见表1，轴力值下降，幅度不大，见图6；测斜曲线回到稳定安全的范围内，相对于9-25，恢复了向坑内倾斜的情况，见图10。这是因为：温度不再上升，钢支撑也就失去了内在的动因；而又因为钢支撑较长（36m），属于细长偏心受压杆件，而且内部连接部件较多，容易发生不规则变形，进而会有应力松弛的现象，在温度略降的背景下，轴力自然容易下降。另一方面， 9-25由于轴力上升明显，导致桩墙局部向坑外变化（相对于9-24），使土压力增大，到9-26温度不再上升，略微降低，钢支撑难以保持9-25的伸长趋势，而由于土体的自身一些特性（弹塑性、蠕变性），无法做出迅速反应，客观上造成了土压力变化相对迟缓的后果，即，土压力数值仍然较大，这样一来，桩体在较大土压力的挤压下，就向坑内倾斜（相对于9-25），这样，土压力逐渐由最初的较大的被动土压力变为最后的较小的主动土压力，与下降后的轴力达到一个新的平衡状态，这个平衡状态使桩体的水平位移变化曲线处于一个比较安全的范围内。
4.4启示与反思
通过这一段时间（2010-9-19~2010-9-26）的全程监控，可以发现：
在温度骤降的9-21，钢支撑轴力明显下降，而桩的测斜曲线变化滞后于轴力变化。
到了9-22，排桩的测斜曲线最为不利，最大日均水平位移量已超过报警值，而此时由于温度干扰，钢支撑仍是无法提供及时有效的支持，仍由桩系统（排桩与旋喷桩，偏指排桩）承担维系基坑安全稳定的主要任务，这充分暴露了钢支撑的缺陷：易受温度变化影响，工作效能不稳定；而且，尤其在温度骤降时，其防护作用比较被动。另一方面，在轴力骤降时，是排桩承担了主要的土压力，可见在实际变化无常的条件下，护坡桩的作用是多么巨大。
而在温度骤降这段时间，必须加强监测，及时配合施工方，以防不测。另外在设计施工中，也应考虑，在北方较为寒冷的地区，秋冬季温差较大，上述情况时有发生，为了应对不测局面，是否可以适当加大排桩的安全储备，同时也不应将一般情况下的钢支撑的工作状态作为设计依据。
另外，在温差较大，测斜轴力数值变化有时较为剧烈，在此情况下，应注意加密桩顶及桩身水平位移的观测频率至2次/天。
在秋冬季温差较大的背景下进行深基坑施工，钢支撑与护坡桩组成的支护结构系统基本就是处于这样一个周而复始的动态平衡的过程中，只是表现得不想上述情况那样剧烈罢了，但毕竟较大的温差总是有的，难免不会有类似的较为特殊情况发生，持续的时间一旦变长，每日较大的变化量一旦积累起来，问题就严重了，即使再怎么处理，先期累积的水平位移由于时空效应已经不可能恢复了[4]。所以，切不可掉以轻心。
在设计与施工时，千万要保证排桩严格按照规范进行。必要时，在比较特殊的地区，在比较特殊的温度下，应适当加大安全系数，作为在较大温差来临时，钢支撑工作效率较低，排桩在一定时间内要承担主要土压力的安全储备。另一方面，只要遇到温度突变的天气无论是施工还是监测，都必须提高警惕，特别是开挖方式必须要科学合理，建议还是采用小面积分块开挖，对于基坑的安全比较有利[5]。
参考文献：
[1] 关宝树. 地下工程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.
[2] 济南大学. 建筑基坑工程监测技术规范(GB50497-2009)[S]. 北京: 中国计划出版社, 2009.
[3] 中国建筑科学研究院. 建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1999.
[4] 田荣，吴应明. 红外探测技术在隧道超前探水中的应用研究[J]. 铁道标准设计, 2007(增刊2): 68～69.
[5] 任建喜，刘杰. 森林公园地铁车站深基坑变形规律有限元分析[A] .第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C] . 2007年
作者介绍：
郝森（1983-），男，山西太原人，硕士研究生，主要从事岩土工程、地下空间等领域的科研工作。
联系方式手机：13693225753E-mail：stephenhoiison@126.com
通讯地址：北京市朝阳区北三环东路30号中国建筑科学研究院地基基础研究所
邮编：100013
李显忠（1965-），男，山东蓬莱人，清华大学博士后，研究员，主要从事环境岩土工程、地下空间与工程等领域的科研及教学工作。E-mail：lixianzhong@sina.com
申伟（1983-），男，陕西渭南人，助理工程师，主要从事市政交通、高速公路、铁路的施工设计工作。E-mail：m15159949@163.com
