深基坑钢支撑温度应力计算与分析<br/>——以济南黄河隧道为例

深基坑钢支撑温度应力计算与分析
——以济南黄河隧道为例

2021-06-29李中华

科学与信息化 2021年16期

李中华

中铁十四局集团大盾构工程有限公司江苏南京 210000

引言

近年来，随着社会对安全重视的等级越来越高，基坑安全问题得到大家的广泛关注。在基坑的支撑设计中，除了考虑由于基坑微变形导致的应力变化，还应考虑温度变化而导致的应力变化，然而现行规范中并没有明确提出温度对钢支撑的影响问题，规范认为，长度大于40m的支撑应考虑10%左右的内力变化影响，但在许多基坑实例中发现由于短暂的温度变化而导致内力变化的数值大约占设计值的20%～30%。那么对于面积大、支撑长的深基坑，对温度应力的变化考虑不足往往也是事故发生的因素之一。

对于支撑温度应力的问题，首先钢支撑沿轴线变形量不可忽略，其次需分析不同层钢支撑受温度应力变化的影响，最后，我们假设土体符合Winkler地基模型，温度变化引起的围撑结构位移在竖向呈线性分布。综上，本文将采用文献[4]中涉及的计算方法，依托济南黄河隧道深基坑工程进一步讨论温度变化对钢支撑轴力的影响。

1 工程概况

工程场地位于鹊山西村北侧，距离黄河北岸大堤约670m，现状主要为池塘、林地。现状地面标高约为23.0～25.0m，基坑工程起点位于道路里程EK3+520.510处，终点位于右EK3+672.710处，含穿黄隧道盾构始发井与公轨合建部分，包括大盾构始发井及小盾构接收吊出井，运营后兼做设备用房及公轨车辆通行空间。

基坑宽度34.14～50.0m，长度152.2m，主体顶板覆土厚度约3.0m，底板埋深约26.2～31.0m。围撑结构采用地下连续墙，地下连续墙厚度1.2m，深度47.0～51.5m；基坑最大开挖深度约为31.2m，顺作法施工，采用水下C35钢筋混凝土，在基坑深度范围内设5～7道支撑(砼支撑和钢支撑组合使用)，基坑围护结构平面布置如图1所示。

图1 济南黄河隧道主体围护结构示意图

2 工程地质条件

2.1 岩土层分布特征

拟建场地根据钻探揭露，在勘探深度内地层共分15大层，主要为第四系全新统冲积、冲洪积粉质黏土、粉土、砂层及中生代燕山期晚期侵入岩辉长岩。表层局部为人工填土，地层1中土的类型为：黏质粉土、粉质黏土、砂质黏土、细砂、钙质结核、全风化辉长岩石等，拟建场地各主要土层分布及力学指标见表1。

表1 地层物理力学参数

2.2 地层物理力学参数

续表

3 基坑内钢支撑温度应力计算方法

3.1 基本假定

在计算的过程中，满足以下假定：

3.1.1 地连墙因支撑轴力变化产生的水平位移很小，相应地连墙后土体变形也很小，处于弹性变形，和温度相关的围撑结构坑底水平向变形为零；

3.1.2 地连墙后土体符合Winkler 地基梁模型；

3.1.3 温度引起的支撑伸长和缩短与地连墙后土体的弹性变形相互协调；

3.1.4 基坑支撑和地连墙连接处都有冠梁或者腰梁，使得结构形成整体；

3.1.5 假设协调第i层支撑水平位移Yi的桩后土体竖向范围为hi；

3.1.6 支撑温度变化TΔ一瞬间完成，支撑简化为一维杆件；

3.1.7 由于温度变化引起的水平位移Yi；相对于各层支撑竖向距离hi很小，假设围撑结构水平变形线性变化。

3.2 计算简图与步骤

本文背景工程钢支撑温度应力计算简图如图2。

图2 钢支撑温度应力计算简图

根据上图及文献[4]，济南黄河隧道工程钢支撑温度应力按下述步骤来进行计算：

计算第n道钢支撑初始温度应力N0

其中，α为钢支撑热膨胀系数；

ΔT为温差，℃；

Ec为钢支撑弹性模量，kN/m2；

Ac为钢支撑截面面积，m2。

计算第n道钢支撑水平位移nY，采用式（2）进行计算：

其中，m为土水平抗力系数的比例系数，kN/m4，其余参数详见计算简图。

计算第n道钢支撑温度应力jnN：

其中，L为支撑长度，m。

迭代循环。迭代过程（上标j表示同一层支撑，是迭代变量）反应以上土和支撑协调变形过程，最终达到平衡。从第n层支撑开始，将式（1）初温度应力N0带入到式（2）得到，将带入式（3）得，再将带入式（2）得到，如此反复直到和相差不大，即得到要求的轴力变化ΔN和水平位移nY。

计算第n-1层支撑温度应力。对于n-1层支撑，将式（1）N0和第n层Yn带入式（4）得到：

4 计算结果与分析

4.1 计算参数

按照上述计算过程，根据本工程的基本特点，取基坑深度为28.35m，h1=5.5m，H1=5.477m，h2=9.61m，H2=10.977m，h3=7.763m，H3=20.587m，按照规范[1]及规范[2]5.7.5的规定，结合本工程地质特点，取土水平抗力系数的比例系数，m=14MN/m4支撑长度L=35.6m，热膨胀系数α=1.2×10-5，钢支撑弹性模量Ec=2×108kN/m2，钢支撑间距D=3.5m，计算钢支撑在由于天气变化、昼夜更替所导致的温差ΔT=5℃～45℃时的应力变化值。

4.2 计算结果

根据上述计算过程来计算济南黄河隧道深基坑钢支撑，计算结果见表2及图3。需要说明的是：本文所采用的计算方法十分保守，由于基本假定所造成的计算值与实测值误差为10%左右，工程中实际运用时可适当折减计算结果；其中由m取值所引起的误差不可避免，应利用现场实测资料反推出m值，再带入本文计算方法中计算，最大限度地将由m取值所引起的误差降到最低。

图3 钢支撑温度—应力关系图

表2 钢支撑温度应力计算结果

通过上述计算结果可知，钢支撑温度应力与温升呈线性关系，满足公式N=kΔT。对于本工程而言，k1=58.114，k2=41.346，k3=32.035。根据工程特点，由于地连墙顶部有冠梁、中部有两道腰梁的影响导致地连墙的中部及顶部变形较小；由于底部有土体的嵌固作用，故地连墙底部变形最小；地连墙变形越大，对钢支撑端部的约束就越强，因此，钢支撑端部受到的约束有强到弱分别为地连墙的上部、中部及底部，钢支撑温度应力受温度影响由大到小为第1道支撑、第2道支撑及第3道支撑。

5 施工现况及监测数据分析

5.1 施工现状

截至2018年10月25日，济南黄河隧道北岸工作井及后续始发段第一道钢支撑架设完成，可以全面反映此层钢支撑应力变化情况；第二道钢支撑只架设了一部分，数据不足，因数据本身也存在一定偶然性，故不足为证。本文以第一道钢支撑为例，来验算上述所得出的钢支撑温度应力关系是否满足实际。

5.2 监测数据分析

由于2018年10月17日～2018年10月23日济南黄河隧道北岸工作井及后续始发段内土方暂停开挖，影响钢支撑轴力的主要因素之一土压力变化微弱，故此时钢支撑的应力变化主要取决为温度变化。在2018年10月18日我们进行了三次测量，测量时温度分别为3℃、8℃、13℃、18℃。表3和图4记录了温差为5℃、10℃、15℃时第一道所有钢支撑的应力变化值[3]。