温度变化对地铁深基坑稳定性分析研究

2020-06-29中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司上海200135

建筑科技 2020年6期

任帅（中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海 200135）

地铁明挖车站基坑开挖绝大部分属于深基坑施工范畴。基坑开挖支护过程受周边环境影响较大，施工安全风险较大。基坑开挖期间，温度对围护结构及支撑体系的影响因地域的差异而有所不同。一般情况下，环境温度对深基坑开挖的影响较小，设计计算时往往不作考虑。但是，当环境温度对基坑开挖的影响不可忽略时，设计及施工时关于环境温度对地铁深基坑施工影响的有针对性的相关研究十分有限[1-3]。山西省太原市地铁 2 号线土建 202 标工程所处位置为太原市小店区，离市中心距离较远，202 标化章街站周围场地空旷，高大建筑物稀少，城市热岛效应对本标段影响较小，车站施工期间，太原地区正处于早晚温差较大的时候，早晚温差可达 15 K 以上。为保证车站基坑开挖期间安全，采用有限元分析与正交试验相结合的方法，对化章街站基坑开挖期间温度效应对基坑安全的影响进行研究，进而得出适用于太原地区地铁车站深基坑施工温度变化对地铁深基坑施工影响的规律，可为后续工程设计和施工提供一定借鉴作用。

1 工程背景

化章街站为轨道交通 2 号线一期工程从南向北的第 2 个车站，位于人民南路和化章街交叉口，车站沿人民南路南北方向布置。车站主体为明挖地下两层岛式车站，标准段为单柱双跨箱型框架结构，总长 212.60 m，标准段结构宽度 20.10 m，总高 13.59 m，顶板覆土 2.90～3.40 m。车站两端为盾构法施工区间，车站南端提供盾构接收条件，北端提供盾构始发条件。

基坑长度 212.60 m，标准段基坑宽 20.10 m，标准段深17.10 m，盾构井处基坑宽 25.00 m，深 18.70～19.70 m。根据本站结构形式、场地条件、地质情况及周边环境特征，结合深基坑施工设计经验，本站主体围护结构采用钻孔灌注桩＋止水帷幕＋内支撑的形式，基底采用搅拌桩裙边＋抽条加固。基坑标准段第 1 道内支撑采用直径 800 mm、壁厚16 mm 的钢支撑，标准段靠近盾构井段及端头井段第 1 道内支撑采用 800 mm×1 000 mm 钢筋混凝土支撑，其余各道支撑均采用钢支撑，端头井段部分支撑须设置临时立柱，临时立柱桩基础采用Φ1 000 mm 的灌注桩，临时立柱采用钢格构柱。止水帷幕采用Φ850 mm @ 600 mm 的三轴搅拌桩，搅拌桩施作于填土、砂层、黏土层等，进入不透水层1 m。根据地质勘查报告，本标段均为第四系（Q）地层覆盖，地表多为第四系人工填土（Q 4 ml），其下为第四系全新统冲洪积（Q 4 al＋pl）黏质粉土、砂（粉）类土、圆砾土及上更新统（Q 3 al＋pl）粉质黏土、砂类土等组。各土层分布及物理力学性质如表 1 所示。

表1 土层分布及力学性质表

基坑围护结构支撑体系部分角撑采用 C 35 钢筋混凝土支撑，其余部分采用钢管支撑体系，关于支撑体系的物理力学参数如表 2 所示。

表2 支撑体系物理力学参数表

2 数值模拟试验

为了真实体现基坑开挖期间土层特性的本构关系，对土体有效应力进行有效计算，对土体-围护桩-支撑三者之间两两构件的受力与变形关系进行研究。本次研究采用 ABAQUS数值模拟软件对围护结构进行有限元分析[4]。

2.1 模型建立

根据工程特性，数值模型建立选择几何尺寸较为规整的长方体，建模对象为 1/2 对称结构。围护结构钻孔灌注桩直径为 1.0 m，桩长取平均长度为 27.5 m。参考相关岩土工程有限元分析建模经验[5-8]，基坑开挖时影响深度为 3～4d，影响宽度为 7～10d，其中d为基坑开挖深度。因此，本模型设定土体尺寸为 212.6 m×20.1 m×66.5 m，各土层的物理力学性质参照表 1。模型边界条件设定：模型上表面设置为自由边界，基坑底部为固定边界，限制竖向边界的水平位移。由于基坑边荷载不固定，根据现场施工经验及相关规范要求，在基坑周边 10.0 m 位置设置 20 kN/m2的均布荷载。支撑体系的相关系数设定参照表 2。为简化模型，将土体的线性膨胀系数定为 0，不作考虑，只研究温度对支撑及围护桩的影响[9-10]。

2.2 模拟方案

数值模拟首先建立地应力平衡条件，然后进行围护桩的施工，Φ1 000 mm @ 1 200 mm 围护桩共 383 根。基坑开挖期间先撑后挖，基坑分 4 层土进行开挖，开挖深度为 18 m，设置 3 道支撑，支撑按照设计要求进行轴力施加，开挖完成后，温度变化值取为－15 K。模型设计 2 个方案进行研究，分别为方案 1：不考虑温度对基坑开挖影响（模型1）；方案 2：考虑温度变化对基坑开挖影响（模型 2）。

2.3 模拟结果分析

方案 1 作为对照组方案，模拟得出基坑开挖期间围护桩的位移及支撑轴力变化，方案 2 作为试验组，主要研究温度对基坑开挖的影响。

2.3.1 位移分析

方案 1、方案 2 中，通过变形云图可知，基坑开挖期间基本的变形规律为基坑底部隆起，围护桩后的土体整体沉降，且围护桩的水平位移随深度的变化而发生变化。方案 2变形云图如图 1 所示，随着开挖进行围护桩的水平位移变形如图 2 所示。

图1 方案 2 变形云图

图2 方案 2 围护桩侧向位移随深度变化曲线

由图 1 可知：方案 2 中围护桩后土体沉降最大的点为距离围护桩 24.0 m 处，沉降值为 30.6 mm；围护桩受开挖影响水平最大位移最大点为地表以下 17.3 m，为临近基坑底位置，位移最大值为 42.38 mm。

由图 2 可知：第 1 次开挖对围护桩的侧向位移基本无影响，随着开挖深度的增加，围护桩的变形趋势基本保持一致，整体呈先增大后减小的趋势，且在基坑基底附近变形达到最大，后逐渐减小，趋于稳定。

为明确温度对围护桩位移的影响程度，对方案 1 和方案2 中围护桩的侧向位移和弯矩进行了对比。位移对比情况如图 3 所示，单位长度范围围护桩弯矩对比情况如图 4 所示。

图3 方案1、方案 2 围护桩侧向位移比较

图4 方案 1、方案 2 围护桩弯矩对比

由图 3 可知，温度降低时，围护桩的侧向位移整体比不考虑温度变化时最大增加 1.6%。因为温度降低，支撑整体收缩，对围护桩的轴向约束减小，所以土体对围护桩的作用更明显，围护桩侧向位移增大。

由图 4 可知，基坑开挖过程中，围护桩的弯矩变化很大，且方案 1 中弯矩比方案 2 中弯矩大，且弯矩变化最大的位置均位于第 2、第 3 道支撑和靠近基底位置，弯矩最大值变化为 7.0% 左右。说明温度降低时，支撑对围护桩的轴向约束减小，导致基底以上部分弯矩变化较大，而温度变化对基底以下受力影响不大，所以在基底以下方案 1 和方案 2 弯矩变化趋势逐渐趋于统一。

2.3.2 支撑轴力分析

支撑轴力随温度的变化如图 5 所示（支撑 1 为第 1 道支撑，以此类推）。由图 5 可知，基坑不同深度的支撑随温度的变化规律一致，温度变化与支撑轴力变化基本呈正相关的关系。第 1 道支撑轴力的变化率为 2.40 kN/K，第 2 道支撑轴力的变化率为 3.65 kN/K，第 3 道支撑轴力的变化率为16.60 kN/K。可见温度对第 3 道支撑的影响作用明显大于前两道支撑。相同温差下，支撑材质相同，轴力变化率却相差很大，说明土体性质、支撑材料以及围护桩结构等因素共同作用下，会产生对温度的差异性变化。

图5 支撑轴力随温度变化曲线

3 正交试验

相同温差下，相同地质条件、相同支撑材料在不同深度下围护结构的位移和弯矩却差别很大，可见温度效应对围护结构的影响为多因素条件下引起的。为分析温度效应差异化的主要影响因素，采用正交试验的方法，用部分有代表性的试验代表全部试验，可高效找出主要影响因素[11]。

3.1 正交试验设计

本次试验主要研究外因的影响，故不考虑土质等固有因素。根据相关施工经验并进行外部因素筛选，选取围护桩插入比、相邻支撑水平间距、围护桩直径以及支撑预加轴力 4个因素进行正交试验，分别编号为 A、B、C、D，每种因素设定 3 种水平，因素及水平设定如表 3 所示，分别对影响因素的极差和方差进行分析。

表3 正交试验因素及水平设定表

由确定的因素和水平选取 L 9（34）正交表，共设计 9 组实验。经过有限元分析后，得出桩体水平位移随温度变化率为 0.095～0.102 mm/K，轴力随温度变化率为16.21～26.96 kN/K。轴力的温变率相对较大，故选择轴力的温变率作为评价指标。

3.2 极差分析和方差分析

3.2.1 极差分析

通过正交试验，可得出影响因素的极差，通过对极差分析表的分析，可明确影响正交试验的主要因素。通过对评价指标的正交试验，得出极差分析表，如表 4 所示。

表4 评价指标极差分析表

由表 4 可知，因素 B 为引起温度效应差异化的主要因素，又因KB 1＜KB 2＜KB 3，可知 B 1 为三者中最优水平，同理可知，A 3、C 1、D 2 分别为各自因素中最优水平。所以，选择 1.0 插入比、支撑间距 6 m、围护桩直径800 mm、支撑预加轴力 75% 可最大程度降低温度效应对基坑开挖的影响。

3.2.2 方差分析

通过极差分析可确定引起事件的主要因素，但不可排除误差的干扰，通过方差分析，可进一步确定因素 B 是否为主要因素。方差分析表如表 5 所示，其中，F 值的大小反映因素的重要程度，此处设定 F＞19 时表示影响显著。