任 帥（中鐵十七局集團(tuán)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(hù)過程受周邊環(huán)境影響較大，施工安全風(fēng)險較大?；娱_挖期間，溫度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(huán)境溫度對深基坑開挖的影響較小，設(shè)計計算時往往不作考慮。但是，當(dāng)環(huán)境溫度對基坑開挖的影響不可忽略時，設(shè)計及施工時關(guān)于環(huán)境溫度對地鐵深基坑施工影響的有針對性的相關(guān)研究十分有限[1-3]。山西省太原市地鐵 2 號線土建 202 標(biāo)工程所處位置為太原市小店區(qū)，離市中心距離較遠(yuǎn)，202 標(biāo)化章街站周圍場地空曠，高大建筑物稀少，城市熱島效應(yīng)對本標(biāo)段影響較小，車站施工期間，太原地區(qū)正處于早晚溫差較大的時候，早晚溫差可達(dá) 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(jié)合的方法，對化章街站基坑開挖期間溫度效應(yīng)對基坑安全的影響進(jìn)行研究，進(jìn)而得出適用于太原地區(qū)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(guī)律，可為后續(xù)工程設(shè)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(biāo)準(zhǔn)段為單柱雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，總長 212.60 m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)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(gòu)法施工區(qū)間，車站南端提供盾構(gòu)接收條件，北端提供盾構(gòu)始發(fā)條件。

基坑長度 212.60 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬 20.10 m，標(biāo)準(zhǔn)段深17.10 m，盾構(gòu)井處基坑寬 25.00 m，深 18.70～19.70 m。根據(jù)本站結(jié)構(gòu)形式、場地條件、地質(zhì)情況及周邊環(huán)境特征，結(jié)合深基坑施工設(shè)計經(jīng)驗，本站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁＋止水帷幕＋內(nèi)支撐的形式，基底采用攪拌樁裙邊＋抽條加固?；訕?biāo)準(zhǔn)段第 1 道內(nèi)支撐采用直徑 800 mm、壁厚16 mm 的鋼支撐，標(biāo)準(zhǔn)段靠近盾構(gòu)井段及端頭井段第 1 道內(nèi)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(shè)置臨時立柱，臨時立柱樁基礎(chǔ)采用Φ1 000 mm 的灌注樁，臨時立柱采用鋼格構(gòu)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(jìn)入不透水層1 m。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，本標(biāo)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(tǒng)沖洪積（Q 4 al＋pl）黏質(zhì)粉土、砂（粉）類土、圓礫土及上更新統(tǒng)（Q 3 al＋pl）粉質(zhì)黏土、砂類土等組。各土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)如表 1 所示。

表1 土層分布及力學(xué)性質(zhì)表

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(guān)于支撐體系的物理力學(xué)參數(shù)如表 2 所示。

表2 支撐體系物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬試驗

為了真實體現(xiàn)基坑開挖期間土層特性的本構(gòu)關(guān)系，對土體有效應(yīng)力進(jìn)行有效計算，對土體-圍護(hù)樁-支撐三者之間兩兩構(gòu)件的受力與變形關(guān)系進(jìn)行研究。本次研究采用 ABAQUS數(shù)值模擬軟件對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[4]。

2.1 模型建立

根據(jù)工程特性，數(shù)值模型建立選擇幾何尺寸較為規(guī)整的長方體，建模對象為 1/2 對稱結(jié)構(gòu)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(guān)巖土工程有限元分析建模經(jīng)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(shè)定土體尺寸為 212.6 m×20.1 m×66.5 m，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)參照表 1。模型邊界條件設(shè)定：模型上表面設(shè)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(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范要求，在基坑周邊 10.0 m 位置設(shè)置 20 kN/m2的均布荷載。支撐體系的相關(guān)系數(shù)設(shè)定參照表 2。為簡化模型，將土體的線性膨脹系數(shù)定為 0，不作考慮，只研究溫度對支撐及圍護(hù)樁的影響[9-10]。

2.2 模擬方案

數(shù)值模擬首先建立地應(yīng)力平衡條件，然后進(jìn)行圍護(hù)樁的施工，Φ1 000 mm @ 1 200 mm 圍護(hù)樁共 383 根?；娱_挖期間先撐后挖，基坑分 4 層土進(jìn)行開挖，開挖深度為 18 m，設(shè)置 3 道支撐，支撐按照設(shè)計要求進(jìn)行軸力施加，開挖完成后，溫度變化值取為－15 K。模型設(shè)計 2 個方案進(jìn)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(jié)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(hù)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(guī)律為基坑底部隆起，圍護(hù)樁后的土體整體沉降，且圍護(hù)樁的水平位移隨深度的變化而發(fā)生變化。方案 2變形云圖如圖 1 所示，隨著開挖進(jìn)行圍護(hù)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(hù)樁側(cè)向位移隨深度變化曲線

由圖 1 可知：方案 2 中圍護(hù)樁后土體沉降最大的點為距離圍護(hù)樁 24.0 m 處，沉降值為 30.6 mm；圍護(hù)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(hù)樁的側(cè)向位移基本無影響，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)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(dá)到最大，后逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

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

圖3 方案1、方案 2 圍護(hù)樁側(cè)向位移比較

圖4 方案 1、方案 2 圍護(hù)樁彎矩對比

由圖 3 可知，溫度降低時，圍護(hù)樁的側(cè)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(hù)樁的軸向約束減小，所以土體對圍護(hù)樁的作用更明顯，圍護(hù)樁側(cè)向位移增大。

由圖 4 可知，基坑開挖過程中，圍護(hù)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(hù)樁的軸向約束減小，導(dǎo)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(tǒng)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(guī)律一致，溫度變化與支撐軸力變化基本呈正相關(guān)的關(guān)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(zhì)相同，軸力變化率卻相差很大，說明土體性質(zhì)、支撐材料以及圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)等因素共同作用下，會產(chǎn)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(zhì)條件、相同支撐材料在不同深度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和彎矩卻差別很大，可見溫度效應(yīng)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響為多因素條件下引起的。為分析溫度效應(yīng)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(shè)計

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

表3 正交試驗因素及水平設(shè)定表

由確定的因素和水平選取 L 9（34）正交表，共設(shè)計 9 組實驗。經(jīng)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(biāo)。

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(biāo)的正交試驗，得出極差分析表，如表 4 所示。

表4 評價指標(biāo)極差分析表

由表 4 可知，因素 B 為引起溫度效應(yīng)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(yōu)水平，同理可知，A 3、C 1、D 2 分別為各自因素中最優(yōu)水平。所以，選擇 1.0 插入比、支撐間距 6 m、圍護(hù)樁直徑800 mm、支撐預(yù)加軸力 75% 可最大程度降低溫度效應(yīng)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(jìn)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(xiàn) 值的大小反映因素的重要程度，此處設(shè)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(fā)現(xiàn) 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?？梢?，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(jié) 語

（1）相同溫差時，位于基坑內(nèi)不同深度的支撐軸力、圍護(hù)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(hù)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(shè)計及施工時均應(yīng)重點關(guān)注。

（3）通過正交試驗確定，溫度效應(yīng)下，影響基坑支撐軸力與圍護(hù)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(yōu)水平。