溫度變化對地鐵基坑圍護樁頂水平變形的影響

王正慶　李曉曉　姜永濤　陳康　郭運華

摘要：武漢地鐵11號線光谷五路站是典型的深長基坑，運營超過la，實施安全監(jiān)測及分析監(jiān)測數(shù)據(jù)對圍護結(jié)構(gòu)和支撐安全的控制至關(guān)重要。基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究了基坑圍護樁頂水平變形的形成機制及分布規(guī)律，揭示了基坑圍護結(jié)構(gòu)變形以受溫度的年度波動影響為主、施工影響引起的變形為輔，基坑變形的空間效應(yīng)只存在于施工引起的變形部分，而溫度變動引起的變形無空間效應(yīng)。研究結(jié)果表明，基坑的設(shè)計、計算及變形控制指標的擬定均不可忽視溫度變化的影響。擬定基坑變形控制設(shè)計及基坑監(jiān)控指標時，應(yīng)優(yōu)先考慮溫度影響，其次考慮空間效應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：基坑圍護樁變形;溫度變化;變形監(jiān)測;深基坑;地鐵工程

中圖法分類號：TU753

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.007

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展，截至2016年末，共有58個城市的城軌線網(wǎng)規(guī)劃獲批（含地方政府批復(fù)的14個城市），在建線路約5 637km，規(guī)劃線路總長達7 305.30 km，可研批復(fù)投資累計約34 995億元。根據(jù)統(tǒng)計，有軌道交通的北京、天津、上海、武漢、長春、大連、深圳、重慶、南京、杭州在建設(shè)過程中都曾發(fā)生過基坑工程事故[1]。其中，圍護結(jié)構(gòu)和支撐失效占事故原因的75%，這些事故中，施工原因占據(jù)了82%。安全監(jiān)測的實施及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析是施工過程中對圍護結(jié)構(gòu)和支撐安全控制的重要一環(huán)。

目前，主要依靠監(jiān)控指標來判斷基坑圍護和支撐結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，而變形監(jiān)控指標主要來源于工程經(jīng)驗，缺乏理論解釋，且各地標準不同，具體實施中還存在模糊性和不確定性。JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[2]對監(jiān)測項目、方法、頻次做了具體規(guī)定，但沒有涉及監(jiān)控指標。GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對不同安全等級的基坑采用絕對位移值、相對基坑深度的控制值及變化速率3個指標來作為預(yù)警參考值[3]。DB 42/T159-2012《湖北省地方標準：基坑工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定基坑支護工程監(jiān)測項目的報警值應(yīng)由基坑設(shè)計方確定，并對不同安全等級的基坑給出了變化速率和累計值兩個指標作為參考[4]。

已有研究表明，溫度的變化會對深基坑支護內(nèi)力及基坑變形產(chǎn)生影響。向艷[5]研究了武漢某基坑的地連墻加鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，認為當溫度從30 ℃增加到37℃時，內(nèi)支撐的軸力增幅達41%，冠梁水平位移有較明顯的降低;當溫度降低時，冠梁頂水平位移增加，且坑壁外側(cè)土體的水平位移變化明顯滯后于地連墻的位移變化。劉暢等[6]對長178 m，寬148 m的深大基坑的16個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析認為，環(huán)梁支撐軸力隨溫度升高而增大，影響趨勢顯著;溫度降低階段，圍護樁明顯向坑內(nèi)移動。楊歡歡等[7]采用有限元分析了太原地鐵中心街西站基坑工程，認為支撐軸力隨溫度改變呈線性變化，第3道支撐的溫度敏感性大于前兩道，受溫度的影響最大。王曉偉等[8]分析了廣州市軌道交通三號線梅花園站基坑監(jiān)測結(jié)果，認為地下連續(xù)墻水平位移最大值較大，變形值受土體性質(zhì)、天氣（主要為降水）、開挖、加撐等影響顯著，且地面超載對地面沉降影響不容忽視。鄭剛等[9]認為溫度的影響是溫差作用下支撐、圍護樁（墻）和土體三者之間的變形協(xié)調(diào)問題，并據(jù)此提出了考慮圍護樁、支撐和土體之間相互作用的估算水平支撐溫度應(yīng)力的近似簡化分析方法。徐中華等[10]提出了依據(jù)基坑周邊環(huán)境的附加變形能力反推基坑工程的變形控制指標和通過地區(qū)工程經(jīng)驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定監(jiān)控指標兩種方法。 本文根據(jù)武漢地鐵11號線光谷五路站深基坑實測數(shù)據(jù)，通過分離溫度與施工過程影響及空間效應(yīng)，揭示深基坑位移增長的內(nèi)在機制，為位移監(jiān)控指標研究提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑及支撐結(jié)構(gòu)布置

光谷五路站位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)光谷五路與神墩一路交匯處。場地地面標高在37.50 - 44.20 m之間（以孔口標高計），地勢有一定的起伏，地貌單元屬剝蝕堆積壟崗區(qū)（相當于長江沖洪積III級階地區(qū)）。車站主體基坑長241.33 m，寬56 m，深26 m，中部基槽深達32 m。基坑安全等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)1.0。車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 200@1 800 mm鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐方案，內(nèi)支撐體系由冠梁、三道混凝土支撐、混凝土腰梁組成。冠梁采用尺寸為1 200 mmxl 000 mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冠梁高程37 m，頂部采用1：1放坡形式過渡至自然地表高程，三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐尺寸為1 000 mmx800 mm，設(shè)置高程分別為37，28 m和21.5 m，基坑長邊中部基槽寬26.4 m，放坡1：0.5開挖至高程10.5 m，基槽內(nèi)另外布置斜拋鋼構(gòu)支撐。

1.2 工程地質(zhì)條件

（1）素填土（地層代號（1—2））。黃褐～褐灰～褐紅色，以粉質(zhì)黏土為主，軟～可塑～硬塑狀態(tài)，高壓縮性，下部為黏性土夾磚塊、碎石等組成，硬雜質(zhì)含量在25%以下，堆積年限一般少于10 a。埋深0.0 - 1.0 m，層厚0.3 - 2.8 m，場地大部分地段有分布。

（2）黏土（Q3al+pl）（地層代號（10-2》。黃褐～褐紅色，硬塑，很濕，中～低壓縮性，含鐵錳氧化物、結(jié)核及團塊狀高嶺土。層頂埋深為0.0 - 5.0 m，層厚約為2.0 - 10.5 m。場地沿線均有分布。

（3）強風化泥巖（地層代號（20a-l））。黃褐色～淺綠灰，泥質(zhì)膠結(jié)，手捏或水浸易散，巖芯大部分風化成硬土狀，局部層理可見且夾未完全風化巖塊，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。埋深7.8～13.8 m，厚度0.3 -5.8m。場地沿線絕大部分地段有分布。

（4）中風化泥巖（地層代號（20a-2））。黃褐～灰褐～灰色，巖芯主要呈柱狀、碎塊狀，局部夾少量碎屑狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，傾角在45度-70度，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，層中夾粉砂質(zhì)泥巖，采取率約60%，巖芯較完整，屬于軟巖～極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅵ-V類。層頂埋深為5.7 - 18.6 m，揭露該層最大厚度為45.4 m。場地沿線均有分布。

1.3 施工過程

采用明挖順做法施工，即依次開挖土體并設(shè)置支撐至基底后回筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。先施工圍護結(jié)構(gòu)的鉆孔灌注樁，待鉆孔樁達到設(shè)計強度100%后，再進行基坑開挖、支撐、回筑施工。開挖作業(yè)自2015年12月10日開始第一層開挖，12月20日開始第二層支撐澆筑，12月25日開始第二層開挖，2016年3月下旬全部開挖完成。

1.4 研究區(qū)的監(jiān)測儀器布置

由于基坑總體上為對稱的長方體，因此選取其1/4部分研究開挖及工作期間的變形響應(yīng)規(guī)律，監(jiān)測設(shè)備布置如圖1所示。

圖1中，TP為位移監(jiān)測點，包括水平位移及沉降位移;IN為測斜管;EM為沉降監(jiān)測點;R為內(nèi)支撐軸力測點。

2 基坑在開挖期與工作期變形響應(yīng)規(guī)律

2.1 圍護樁頂水平位移

實測圍護樁頂水平位移見圖2，其中負號代表向基坑內(nèi)位移。

水平位移的特點有：①所有測點位移高峰值均出現(xiàn)在2016年8月，為向坑外位移。其中TP3、TP7、TP8同時達到最大值16.5-17.2 mm，明顯高于其他測點。②開挖初期階段，TP2、TP4、TP5、TP6有一個明顯的峰值遞減向坑內(nèi)變形的過程。后期逐漸過渡到向坑外變形。

測斜管實測變形趨勢與相應(yīng)位置水平位移測點的實測值基本一致，差異主要為測斜管最高測點在樁頂以下0.5 m深處，而外部變形觀測點在樁頂，二者實測變形值基本可以相互驗證，如圖3所示。

2.2 立柱垂直位移與混凝土內(nèi)支撐軸力關(guān)系

圖4為立柱垂直位移與混凝土內(nèi)支撐軸力關(guān)系，立柱垂直位移以沉降為負，兩處沉降趨勢一致，但靠近基坑延伸方向中部的測點波動幅值更大。鋼立柱的沉降與相應(yīng)混凝土內(nèi)支撐軸力存在顯著的負相關(guān)性，表現(xiàn)為支撐軸力增大的同時，立柱沉降增加。

3 基坑圍護樁頂變形機制

3.1 變形影響因素

將監(jiān)測時段日最高溫度及對應(yīng)時段的典型樁頂水平位移（TP9）、立柱沉降（EM2）統(tǒng)計如圖5所示，并對實測曲線做上下包絡(luò)線，分別稱為波動的上限和下限，上限和下限平均值形成的過程曲線稱為均線，也就是實測值的擬合曲線。

分析圖5的對比關(guān)系，可以得出以下規(guī)律：①圍護樁頂位移增長過程受年度溫度波動因素和與混凝土內(nèi)支撐作用相關(guān)的施工因素影響;②溫度波動對位移的影響存在滯后效應(yīng)，但一個年度循環(huán)后，滯后效應(yīng)逐漸降低;③氣溫及樁頂位移的波動有明顯的上下限;④樁頂水平位移在波動上下限內(nèi)的高頻跳動與立柱沉降的跳躍過程相對應(yīng)，體現(xiàn)了施工活動的影響。

3.2 溫度及施工過程對位移波程的影響

分析樁頂水平位移過程均線與溫度過程均線，二者之間滿足如下關(guān)系：

T-D=8.177xsin（-0.016 t-1.195）+16.15 （1）式中，D為樁頂水平位移均線值，mm;T為溫度均線值，℃;f為自2015年11與30日起的觀測時長，d。位移均線、溫度均線與二者差值見圖6。

圍護樁頂水平位移實測值偏離均值線的程度與立柱沉降實測值及其均值線的偏離程度的關(guān)系見圖7。顯然，水平位移與立柱沉降的短期波動過程在時間上一致，由于開挖過程與立柱沉降有直接關(guān)系，水平位移的短期波動過程可以通過立柱沉降的短期波動來對比分析。

因此，圍護樁頂水平變形的年度波動由式（1）確定的年度溫度特征決定，同時存在與施工過程相關(guān)的高頻波動。

3.3 樁頂水平位移在空間上的分布特征

自基坑短邊起，沿長度方向分別選取樁頂水平位移測點，通過對全過程的實測值進行均線分析和上下限分析，對實測圍護樁頂水平位移的波動特征統(tǒng)計如表1所示。

從年度波動的幅值特征看，不同距離上的幅值較為集中，沒有明顯的規(guī)律，這說明直接受溫度影響的年度波動幅值無空間效應(yīng)，但與施工過程相關(guān)的短周期波動上下限差則帶有空間效應(yīng)特征，具體表現(xiàn)為越靠近基坑中部，上下限差值越大。

4 結(jié)語

根據(jù)上述研究，武漢11號地鐵線光谷五路站深基坑圍護樁頂水平位移、立柱沉降、混凝土支撐軸力的影響因素包括年度溫度波動及施工過程。施工過程引起的短周期波動幅度約為年度波動的30%-80%。

選取la的低溫期為開挖施工、支護作業(yè)階段是合適的，可利用溫度升高過程引起的支撐軸力增加提高基坑抗變形能力。

立柱沉降監(jiān)測直接體現(xiàn)了施工過程影響及溫度周期波動，對分析圍護樁變形趨勢及變形突變非常有幫助，建議重視立柱沉降的監(jiān)測。

對實測值的空間分布特征分析表明：長周期的年度波動影響無空間效應(yīng)，空間效應(yīng)僅與施工活動相關(guān)。因此，當采用數(shù)值分析方法模擬計算基坑變形穩(wěn)定問題時，必須考慮溫度波動的影響。擬定基坑變形控制設(shè)計及基坑監(jiān)控指標時，應(yīng)優(yōu)先考慮溫度影響，其次考慮空間效應(yīng)的影響。

參考文獻：

[1]周紅波，蔡來炳，高文杰.城市軌道交通車站基坑事故統(tǒng)計分析[J]水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36（2）：67-71.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50497- 2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[4]湖北省建設(shè)廳，湖北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 159-2012基坑工程技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社 2012.

[5] 向艷，溫度應(yīng)力對深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的影響研究[J].巖土工程學報，2014，36（S2）：64-69.

[6]劉暢，張亞龍，鄭剛，等.季節(jié)性溫度變化對某深大基坑工程的影響分析[J].巖土工程學報，2016，38（4）：627-635.

[7]楊歡歡，楊雙鎖，鮑飛翔.太原地鐵深基坑溫度效應(yīng)有限元分析[J].施工技術(shù)，2018，47（5）：118-121.

[8] 王曉偉，童華煒，李志強.復(fù)雜環(huán)境下地下連續(xù)墻內(nèi)支撐基坑監(jiān)測分析[J]施工技術(shù)，2009，38（5）： 88-91.

[9]鄭剛，顧曉魯.考慮支撐一圍護樁一土相互作用的基坑支護水平支撐溫度應(yīng)力的簡化分析法[J].土木工程學報，2002，35（3）：87-89.

[10]徐中華，王衛(wèi)東，深基坑變形控制指標研究[J'地下空間與工程學報，2010，6（3）：619-626.

（編輯：李慧）