溫度變化對地鐵深基坑支護體系的影響研究

邵長征　韓林　路林?！堉袕?/p>

摘 要：濟南地鐵烈士陵園站深基坑支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，支撐軸力變化隨大氣溫度變化十分明顯。為深入研究溫度變化對地鐵深基坑支護體系的影響，運用有限元計算分析地下連續(xù)墻厚度、剛度及支撐剛度在不同溫度應力下對地下連續(xù)墻水平位移和支撐軸力的影響規(guī)律。計算結(jié)果表明，連續(xù)墻墻頂水平位移和支撐軸力隨溫度變化呈線性變化，隨著溫度升高，第 1 道支撐軸力逐漸減小，第 2 道和第 3 道支撐逐漸增大，第 3 道支撐軸力增幅更大;支撐剛度對支撐軸力的影響最為顯著，地下連續(xù)墻剛度對墻頂水平位移的影響最為顯著，地下連續(xù)墻厚度對墻體最大水平位移影響最為顯著;溫度變化 20 ℃支撐軸力的變化幅度為 13%～26%。

關(guān)鍵詞：地鐵;深基坑;支護體系;溫度影響

中圖分類號：U231.4

0 引言

超深超大基坑工程越來越常見，出現(xiàn)了很多跨季節(jié)施工的基坑項目，此時，溫度效應對基坑的影響不容忽視[1-2]。為此，國內(nèi)外眾多學者針對基坑工程的溫度效應做了大量研究，Boone等[3]基于基坑實測數(shù)據(jù)提出了基坑對稱施工條件下支撐溫度荷載計算公式;Hashash等[4]提出了考慮支撐-圍護結(jié)構(gòu)-土系統(tǒng)剛度的支撐溫度荷載計算方法;劉暢等[5-7]提出等效彈簧剛度的概念，并推導出了溫度變化引起的支撐軸力和水平位移的計算公式;陳鋒等[8]根據(jù)彈性熱力學原理，推導出變溫引起鋼支撐軸力變化的公式;楊歡歡等[9]運用有限元分析軟件，采用正交試驗方法進行多因素分析，研究溫度升降對基坑圍護結(jié)構(gòu)和支撐軸力的影響;魏星星[10]運用ABAQUS軟件研究不同溫差下單層支撐與多層支撐體系下基坑支撐軸力及地下連續(xù)墻水平位移，總結(jié)了不同因素下支撐結(jié)構(gòu)受溫度影響的規(guī)律。

由于溫度變化對基坑工程影響的機理尚不明確和基坑工程地域性的特點[11]，研究溫度變化對濟南地區(qū)深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和支護結(jié)構(gòu)受力規(guī)律具有重要意義。本文通過濟南地鐵R2線烈士陵園站基坑工程3個月的支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，揭示了基坑支撐軸力在大氣溫度作用下的變形情況，并運用有限元單元法[12]，研究地下連續(xù)墻厚度、剛度及支撐剛度在不同溫度應力作用下對支撐軸力和地下連續(xù)墻水平位移的影響規(guī)律。

1 工程概況

濟南地鐵R2線烈士陵園站基坑工程主體結(jié)構(gòu)總長331.55 m，標準段寬度22.7 m，車站基坑圍護結(jié)構(gòu)為1000mm@1200mm的鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐，標準段設(shè)置3道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，尺寸為800mm×1100 mm，水平間距9 m;第2、第3道為鋼支撐，鋼型號為609 mm，t = 16 mm，水平間距6m。

基坑施工自西向東分層分段開挖，基坑在2018年4月開挖至第9軸附近，2018年4月底7 ～11號軸開挖至基坑底部，底板澆筑完成。之后一直往東施工，2018年8月開始澆筑7～11號軸的中板和底板。2018 年5 月—7月濟南地區(qū)正處于夏季施工階段，最高日大氣溫度達到40 ℃。

鋼支撐軸力監(jiān)測結(jié)果表明，溫度升高，支撐受熱膨脹，受兩側(cè)土體的約束作用，鋼支撐內(nèi)產(chǎn)生溫度應力，鋼支撐軸力隨溫度的升高而增大，直至達到荷載和變形相協(xié)調(diào)，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明鋼支撐軸力最高達7 500 kN，因此，研究溫度變化對支護體系的變形和受力影響具有十分重要的意義。

2 有限元模型

為進一步深入探究濟南地區(qū)溫度變化對深基坑支撐體系的影響，本文選取7～11號軸基坑標準段建立三維有限元模型，在基坑開挖完成后將溫度應力作用于支撐和圍護結(jié)構(gòu)上。根據(jù)圣維南原理[13-14]，建模尺寸為36m×63m×33m（長×寬×高），見圖1?？紤]施工荷載的影響，在距離基坑邊10 m范圍內(nèi)施加10kN/m的均布荷載[15-16]。

車站基坑主體圍護結(jié)構(gòu)1 000 mm@1 200 mm的鉆孔灌注樁樁體由單樁組成，其受力形式與地下連續(xù)墻相近。為了提高建模效率，根據(jù)抗彎剛度相等的原則，將鉆孔灌注樁折算成一定厚度的地下連續(xù)墻，折算公式為：

式（1）、式（2）中， D為鉆孔灌注樁直徑; t為鉆孔灌注樁凈距; h為折算后的地下連續(xù)墻厚度。

土體采用摩爾庫倫模型，圍護結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)采用彈性模型[19]。為簡化計算，模擬時不考慮土體的溫度效應，基坑開挖完成后對圍護結(jié)構(gòu)和支撐施加溫度荷載[20]。選取基坑長邊中點處地下連續(xù)墻的水平位移作為研究對象，研究溫度變化對支撐軸力影響的規(guī)律。計算中考慮在初始溫度的基礎(chǔ)上升溫5、10、15、20 ℃和降溫5、10、15、20 ℃8種情況。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 初始溫度下不同影響因素對支護體系的影響

本節(jié)計算的基礎(chǔ)模型選取地下連續(xù)墻墻厚650 mm，地下連續(xù)墻彈性模量25 GPa，第1道鋼筋混凝土支撐彈性模量30 GPa，第2、第3道鋼支撐彈性模量200 GPa。在此基礎(chǔ)模型上分析初始溫度下單一因素變化對基坑支護體系的影響。

3.1.1 墻體水平位移

圖2給出了初始溫度下不同因素影響時的地下連續(xù)墻墻體水平位移，從圖2可以看出，在地下連續(xù)墻厚度、剛度及支撐剛度的影響下，地下連續(xù)墻墻體水平位移變化情況基本一致，水平位移曲線呈現(xiàn)“大肚子”形狀，即兩頭小中間大;隨著墻體厚度、墻體剛度和支撐剛度的增大，墻體水平位移最大值越小;墻體厚度的變化對墻體水平位移最大值的影響最為明顯，墻厚從650mm到800 mm時，墻體最大水平位移減小7.78mm，墻厚從800 mm到1 000 mm時，墻體最大水平位移減小7.4mm，這說明墻體厚度800 mm時墻體水平位移變形最為敏感。

3.1.2 墻頂水平位移

不同因素下地下連續(xù)墻墻頂水平位移變化情況如圖3所示。由圖3可知，墻頂水平位移隨著墻體厚度、墻體剛度和支撐剛度的變化呈線性變化;隨著墻體厚度、墻體剛度和支撐剛度的增大，墻頂水平位移不斷向著基坑內(nèi)側(cè)方向發(fā)生變化;墻體剛度對墻頂水平位移影響最為明顯，墻體剛度從1倍到1.5倍時，墻頂水平位移減小0.8mm，墻體剛度從1 倍到1.5倍時，墻頂水平位移減小0.5 mm。計算表明，1.5倍墻體剛度時墻頂水平位移最為明顯。

[13] 徐芝綸. 彈性力學（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[14] 王運超. 北京地鐵8號線永定門外站深基坑水下開挖變形特性研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學（北京），2017.

收稿日期 2019-03-20

責任編輯 朱開明

Study on impact of temperature change on support system of metro deep foundation pit

Shao Changzheng， Han Lin， Lu Linhai， et al.

Abstract： The monitoring data of supporting axial force of deep foundation pit of Martyr Cemetery Station of Jinan metro show that the change of supporting axial force is very obvious with the change of atmospheric temperature. In order to study the impact of temperature change on the supporting system of deep foundation pit of subway， this paper analyzes the influences of the thickness， rigidity and supporting rigidity of diaphragm wall on the horizontal displacement and axial force of diaphragm wall under different temperature stress by using the finite element method. The calculation results show that the horizontal displacement and axial force of the continuous wall top change linearly with the temperature. The first axial force decreases， the second and third supports increase gradually with the temperature， and the third axial force increases more. The influence of the support stiffness on the axial force of the support is the most significant， the influence of the continuous wall stiffness on the horizontal displacement of the wall top is the most significant， and the thickness of the continuous wall on the horizontal displacement of the wall top is the most significant， while the influence of the maximum horizontal displacement of the wall is the most significant. The change range of the supporting axial force is 13% - 26% when the temperature changes 20 ℃.

Keywords： subway， deep foundation pit， support system， temperature change， research

基金項目：住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科學技術(shù)項目（2016-K4-053，2016-S3-008）;山東省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學技術(shù)項目（2016-KY026，F(xiàn)W-20161001：A7）

作者簡介：邵長征（1989—），男，碩士