溫度變化對地鐵深基坑穩定性分析研究

任 帥（中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司，上海 200135）

地鐵明挖車站基坑開挖絕大部分屬于深基坑施工范疇。基坑開挖支護過程受周邊環境影響較大，施工安全風險較大。基坑開挖期間，溫度對圍護結構及支撐體系的影響因地域的差異而有所不同。一般情況下，環境溫度對深基坑開挖的影響較小，設計計算時往往不作考慮。但是，當環境溫度對基坑開挖的影響不可忽略時，設計及施工時關于環境溫度對地鐵深基坑施工影響的有針對性的相關研究十分有限[1-3]。山西省太原市地鐵 2 號線土建 202 標工程所處位置為太原市小店區，離市中心距離較遠，202 標化章街站周圍場地空曠，高大建筑物稀少，城市熱島效應對本標段影響較小，車站施工期間，太原地區正處于早晚溫差較大的時候，早晚溫差可達 15 K 以上。為保證車站基坑開挖期間安全，采用有限元分析與正交試驗相結合的方法，對化章街站基坑開挖期間溫度效應對基坑安全的影響進行研究，進而得出適用于太原地區地鐵車站深基坑施工溫度變化對地鐵深基坑施工影響的規律，可為后續工程設計和施工提供一定借鑒作用。

1 工程背景

化章街站為軌道交通 2 號線一期工程從南向北的第 2 個車站，位于人民南路和化章街交叉口，車站沿人民南路南北方向布置。車站主體為明挖地下兩層島式車站，標準段為單柱雙跨箱型框架結構，總長 212.60 m，標準段結構寬度 20.10 m，總高 13.59 m，頂板覆土 2.90～3.40 m。車站兩端為盾構法施工區間，車站南端提供盾構接收條件，北端提供盾構始發條件。

基坑長度 212.60 m，標準段基坑寬 20.10 m，標準段深17.10 m，盾構井處基坑寬 25.00 m，深 18.70～19.70 m。根據本站結構形式、場地條件、地質情況及周邊環境特征，結合深基坑施工設計經驗，本站主體圍護結構采用鉆孔灌注樁＋止水帷幕＋內支撐的形式，基底采用攪拌樁裙邊＋抽條加固。基坑標準段第 1 道內支撐采用直徑 800 mm、壁厚16 mm 的鋼支撐，標準段靠近盾構井段及端頭井段第 1 道內支撐采用 800 mm×1 000 mm 鋼筋混凝土支撐，其余各道支撐均采用鋼支撐，端頭井段部分支撐須設置臨時立柱，臨時立柱樁基礎采用Φ1 000 mm 的灌注樁，臨時立柱采用鋼格構柱。止水帷幕采用Φ850 mm @ 600 mm 的三軸攪拌樁，攪拌樁施作于填土、砂層、黏土層等，進入不透水層1 m。根據地質勘查報告，本標段均為第四系（Q）地層覆蓋，地表多為第四系人工填土（Q 4 ml），其下為第四系全新統沖洪積（Q 4 al＋pl）黏質粉土、砂（粉）類土、圓礫土及上更新統（Q 3 al＋pl）粉質黏土、砂類土等組。各土層分布及物理力學性質如表 1 所示。

表1 土層分布及力學性質表

基坑圍護結構支撐體系部分角撐采用 C 35 鋼筋混凝土支撐，其余部分采用鋼管支撐體系，關于支撐體系的物理力學參數如表 2 所示。

表2 支撐體系物理力學參數表

2 數值模擬試驗

為了真實體現基坑開挖期間土層特性的本構關系，對土體有效應力進行有效計算，對土體-圍護樁-支撐三者之間兩兩構件的受力與變形關系進行研究。本次研究采用 ABAQUS數值模擬軟件對圍護結構進行有限元分析[4]。

2.1 模型建立

根據工程特性，數值模型建立選擇幾何尺寸較為規整的長方體，建模對象為 1/2 對稱結構。圍護結構鉆孔灌注樁直徑為 1.0 m，樁長取平均長度為 27.5 m。參考相關巖土工程有限元分析建模經驗[5-8]，基坑開挖時影響深度為 3～4d，影響寬度為 7～10d，其中d為基坑開挖深度。因此，本模型設定土體尺寸為 212.6 m×20.1 m×66.5 m，各土層的物理力學性質參照表 1。模型邊界條件設定：模型上表面設置為自由邊界，基坑底部為固定邊界，限制豎向邊界的水平位移。由于基坑邊荷載不固定，根據現場施工經驗及相關規范要求，在基坑周邊 10.0 m 位置設置 20 kN/m2的均布荷載。支撐體系的相關系數設定參照表 2。為簡化模型，將土體的線性膨脹系數定為 0，不作考慮，只研究溫度對支撐及圍護樁的影響[9-10]。

2.2 模擬方案

數值模擬首先建立地應力平衡條件，然后進行圍護樁的施工，Φ1 000 mm @ 1 200 mm 圍護樁共 383 根。基坑開挖期間先撐后挖，基坑分 4 層土進行開挖，開挖深度為 18 m，設置 3 道支撐，支撐按照設計要求進行軸力施加，開挖完成后，溫度變化值取為－15 K。模型設計 2 個方案進行研究，分別為方案 1：不考慮溫度對基坑開挖影響（模型1）；方案 2：考慮溫度變化對基坑開挖影響（模型 2）。

2.3 模擬結果分析

方案 1 作為對照組方案，模擬得出基坑開挖期間圍護樁的位移及支撐軸力變化，方案 2 作為試驗組，主要研究溫度對基坑開挖的影響。

2.3.1 位移分析

方案 1、方案 2 中，通過變形云圖可知，基坑開挖期間基本的變形規律為基坑底部隆起，圍護樁后的土體整體沉降，且圍護樁的水平位移隨深度的變化而發生變化。方案 2變形云圖如圖 1 所示，隨著開挖進行圍護樁的水平位移變形如圖 2 所示。

圖1 方案 2 變形云圖

圖2 方案 2 圍護樁側向位移隨深度變化曲線

由圖 1 可知：方案 2 中圍護樁后土體沉降最大的點為距離圍護樁 24.0 m 處，沉降值為 30.6 mm；圍護樁受開挖影響水平最大位移最大點為地表以下 17.3 m，為臨近基坑底位置，位移最大值為 42.38 mm。

由圖 2 可知：第 1 次開挖對圍護樁的側向位移基本無影響，隨著開挖深度的增加，圍護樁的變形趨勢基本保持一致，整體呈先增大后減小的趨勢，且在基坑基底附近變形達到最大，后逐漸減小，趨于穩定。

為明確溫度對圍護樁位移的影響程度，對方案 1 和方案2 中圍護樁的側向位移和彎矩進行了對比。 位移對比情況如圖 3 所示，單位長度范圍圍護樁彎矩對比情況如圖 4 所示。

圖3 方案1、方案 2 圍護樁側向位移比較

圖4 方案 1、方案 2 圍護樁彎矩對比

由圖 3 可知，溫度降低時，圍護樁的側向位移整體比不考慮溫度變化時最大增加 1.6%。因為溫度降低，支撐整體收縮，對圍護樁的軸向約束減小，所以土體對圍護樁的作用更明顯，圍護樁側向位移增大。

由圖 4 可知，基坑開挖過程中，圍護樁的彎矩變化很大，且方案 1 中彎矩比方案 2 中彎矩大，且彎矩變化最大的位置均位于第 2、第 3 道支撐和靠近基底位置，彎矩最大值變化為 7.0% 左右。說明溫度降低時，支撐對圍護樁的軸向約束減小，導致基底以上部分彎矩變化較大，而溫度變化對基底以下受力影響不大，所以在基底以下方案 1 和方案 2 彎矩變化趨勢逐漸趨于統一。

2.3.2 支撐軸力分析

支撐軸力隨溫度的變化如圖 5 所示（支撐 1 為第 1 道支撐，以此類推）。由圖 5 可知，基坑不同深度的支撐隨溫度的變化規律一致，溫度變化與支撐軸力變化基本呈正相關的關系。第 1 道支撐軸力的變化率為 2.40 kN/K，第 2 道支撐軸力的變化率為 3.65 kN/K，第 3 道支撐軸力的變化率為16.60 kN/K。可見溫度對第 3 道支撐的影響作用明顯大于前兩道支撐。相同溫差下，支撐材質相同，軸力變化率卻相差很大，說明土體性質、支撐材料以及圍護樁結構等因素共同作用下，會產生對溫度的差異性變化。

圖5 支撐軸力隨溫度變化曲線

3 正交試驗

相同溫差下，相同地質條件、相同支撐材料在不同深度下圍護結構的位移和彎矩卻差別很大，可見溫度效應對圍護結構的影響為多因素條件下引起的。為分析溫度效應差異化的主要影響因素，采用正交試驗的方法，用部分有代表性的試驗代表全部試驗，可高效找出主要影響因素[11]。

3.1 正交試驗設計

本次試驗主要研究外因的影響，故不考慮土質等固有因素。根據相關施工經驗并進行外部因素篩選，選取圍護樁插入比、相鄰支撐水平間距、圍護樁直徑以及支撐預加軸力 4個因素進行正交試驗，分別編號為 A、B、C、D，每種因素設定 3 種水平，因素及水平設定如表 3 所示，分別對影響因素的極差和方差進行分析。

表3 正交試驗因素及水平設定表

由確定的因素和水平選取 L 9（34）正交表，共設計 9 組實驗。經過有限元分析后，得出樁體水平位移隨溫度變化率為 0.095～0.102 mm/K，軸力隨溫度變化率為16.21～26.96 kN/K。軸力的溫變率相對較大，故選擇軸力的溫變率作為評價指標。

3.2 極差分析和方差分析

3.2.1 極差分析

通過正交試驗，可得出影響因素的極差，通過對極差分析表的分析，可明確影響正交試驗的主要因素。通過對評價指標的正交試驗，得出極差分析表，如表 4 所示。

表4 評價指標極差分析表

由表 4 可知，因素 B 為引起溫度效應差異化的主要因素，又因KB 1＜KB 2＜KB 3，可知 B 1 為三者中最優水平，同理可知，A 3、C 1、D 2 分別為各自因素中最優水平。所以，選擇 1.0 插入比、支撐間距 6 m、圍護樁直徑800 mm、支撐預加軸力 75% 可最大程度降低溫度效應對基坑開挖的影響。

3.2.2 方差分析

通過極差分析可確定引起事件的主要因素，但不可排除誤差的干擾，通過方差分析，可進一步確定因素 B 是否為主要因素。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，此處設定 F＞19 時表示影響顯著。

表5 方差分析表

由表 5 可知，因素 D 的偏方差最小，故可將其作為誤差項。通過比較發現 B 因素的 F 值最大，顯著性最高；因素 A 的F 值最小，為非顯著因素。可見，相鄰支撐的間距為引起事件的主要因素，插入比對此事件的影響可不作為重點考慮。

4 結 語

（1）相同溫差時，位于基坑內不同深度的支撐軸力、圍護樁的水平變形不同，可見，引起軸力與變形差異性的因素并不是溫度。

（2）支撐軸力最大與圍護樁變形最大的位置均位于基坑基底附近，且第 3 道支撐受溫度影響軸力變化最大，第 3 道支撐及以下位置為基坑安全控制的重點，設計及施工時均應重點關注。

（3）通過正交試驗確定，溫度效應下，影響基坑支撐軸力與圍護樁水平位移的主要因素為相鄰支撐的間距，且支撐間距 6 m 時為最優水平。