温度变化对地铁深基坑支护体系的影响研究

邵长征　韩林　路林海　张中强

摘 要：济南地铁烈士陵园站深基坑支撑轴力监测数据表明，支撑轴力变化随大气温度变化十分明显。为深入研究温度变化对地铁深基坑支护体系的影响，运用有限元计算分析地下连续墙厚度、刚度及支撑刚度在不同温度应力下对地下连续墙水平位移和支撑轴力的影响规律。计算结果表明，连续墙墙顶水平位移和支撑轴力随温度变化呈线性变化，随着温度升高，第 1 道支撑轴力逐渐减小，第 2 道和第 3 道支撑逐渐增大，第 3 道支撑轴力增幅更大;支撑刚度对支撑轴力的影响最为显著，地下连续墙刚度对墙顶水平位移的影响最为显著，地下连续墙厚度对墙体最大水平位移影响最为显著;温度变化 20 ℃支撑轴力的变化幅度为 13%～26%。

关键词：地铁;深基坑;支护体系;温度影响

中图分类号：U231.4

0 引言

超深超大基坑工程越来越常见，出现了很多跨季节施工的基坑项目，此时，温度效应对基坑的影响不容忽视[1-2]。为此，国内外众多学者针对基坑工程的温度效应做了大量研究，Boone等[3]基于基坑实测数据提出了基坑对称施工条件下支撑温度荷载计算公式;Hashash等[4]提出了考虑支撑-围护结构-土系统刚度的支撑温度荷载计算方法;刘畅等[5-7]提出等效弹簧刚度的概念，并推导出了温度变化引起的支撑轴力和水平位移的计算公式;陈锋等[8]根据弹性热力学原理，推导出变温引起钢支撑轴力变化的公式;杨欢欢等[9]运用有限元分析软件，采用正交试验方法进行多因素分析，研究温度升降对基坑围护结构和支撑轴力的影响;魏星星[10]运用ABAQUS软件研究不同温差下单层支撑与多层支撑体系下基坑支撑轴力及地下连续墙水平位移，总结了不同因素下支撑结构受温度影响的规律。

由于温度变化对基坑工程影响的机理尚不明确和基坑工程地域性的特点[11]，研究温度变化对济南地区深基坑围护结构变形和支护结构受力规律具有重要意义。本文通过济南地铁R2线烈士陵园站基坑工程3个月的支撑轴力监测数据分析，揭示了基坑支撑轴力在大气温度作用下的变形情况，并运用有限元单元法[12]，研究地下连续墙厚度、刚度及支撑刚度在不同温度应力作用下对支撑轴力和地下连续墙水平位移的影响规律。

1 工程概况

济南地铁R2线烈士陵园站基坑工程主体结构总长331.55 m，標准段宽度22.7 m，车站基坑围护结构为1000mm@1200mm的钻孔灌注桩+内支撑，标准段设置3道支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，尺寸为800mm×1100 mm，水平间距9 m;第2、第3道为钢支撑，钢型号为609 mm，t = 16 mm，水平间距6m。

基坑施工自西向东分层分段开挖，基坑在2018年4月开挖至第9轴附近，2018年4月底7 ～11号轴开挖至基坑底部，底板浇筑完成。之后一直往东施工，2018年8月开始浇筑7～11号轴的中板和底板。2018 年5 月—7月济南地区正处于夏季施工阶段，最高日大气温度达到40 ℃。

钢支撑轴力监测结果表明，温度升高，支撑受热膨胀，受两侧土体的约束作用，钢支撑内产生温度应力，钢支撑轴力随温度的升高而增大，直至达到荷载和变形相协调，监测数据表明钢支撑轴力最高达7 500 kN，因此，研究温度变化对支护体系的变形和受力影响具有十分重要的意义。

2 有限元模型

为进一步深入探究济南地区温度变化对深基坑支撑体系的影响，本文选取7～11号轴基坑标准段建立三维有限元模型，在基坑开挖完成后将温度应力作用于支撑和围护结构上。根据圣维南原理[13-14]，建模尺寸为36m×63m×33m（长×宽×高），见图1。考虑施工荷载的影响，在距离基坑边10 m范围内施加10kN/m的均布荷载[15-16]。

车站基坑主体围护结构1 000 mm@1 200 mm的钻孔灌注桩桩体由单桩组成，其受力形式与地下连续墙相近。为了提高建模效率，根据抗弯刚度相等的原则，将钻孔灌注桩折算成一定厚度的地下连续墙，折算公式为：

式（1）、式（2）中， D为钻孔灌注桩直径; t为钻孔灌注桩净距; h为折算后的地下连续墙厚度。

土体采用摩尔库伦模型，围护结构和支撑结构采用弹性模型[19]。为简化计算，模拟时不考虑土体的温度效应，基坑开挖完成后对围护结构和支撑施加温度荷载[20]。选取基坑长边中点处地下连续墙的水平位移作为研究对象，研究温度变化对支撑轴力影响的规律。计算中考虑在初始温度的基础上升温5、10、15、20 ℃和降温5、10、15、20 ℃8种情况。

3 计算结果及分析

3.1 初始温度下不同影响因素对支护体系的影响

本节计算的基础模型选取地下连续墙墙厚650 mm，地下连续墙弹性模量25 GPa，第1道钢筋混凝土支撑弹性模量30 GPa，第2、第3道钢支撑弹性模量200 GPa。在此基础模型上分析初始温度下单一因素变化对基坑支护体系的影响。

3.1.1 墙体水平位移

图2给出了初始温度下不同因素影响时的地下连续墙墙体水平位移，从图2可以看出，在地下连续墙厚度、刚度及支撑刚度的影响下，地下连续墙墙体水平位移变化情况基本一致，水平位移曲线呈现“大肚子”形状，即两头小中间大;随着墙体厚度、墙体刚度和支撑刚度的增大，墙体水平位移最大值越小;墙体厚度的变化对墙体水平位移最大值的影响最为明显，墙厚从650mm到800 mm时，墙体最大水平位移减小7.78mm，墙厚从800 mm到1 000 mm时，墙体最大水平位移减小7.4mm，这说明墙体厚度800 mm时墙体水平位移变形最为敏感。

3.1.2 墙顶水平位移

不同因素下地下连续墙墙顶水平位移变化情况如图3所示。由图3可知，墙顶水平位移随着墙体厚度、墙体刚度和支撑刚度的变化呈线性变化;随着墙体厚度、墙体刚度和支撑刚度的增大，墙顶水平位移不断向着基坑内侧方向发生变化;墙体刚度对墙顶水平位移影响最为明显，墙体刚度从1倍到1.5倍时，墙顶水平位移减小0.8mm，墙体刚度从1 倍到1.5倍时，墙顶水平位移减小0.5 mm。计算表明，1.5倍墙体刚度时墙顶水平位移最为明显。

[13] 徐芝纶. 弹性力学（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[14] 王運超. 北京地铁8号线永定门外站深基坑水下开挖变形特性研究[D]. 北京：中国地质大学（北京），2017.

收稿日期 2019-03-20

责任编辑 朱开明

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

基金项目：住房城乡建设部科学技术项目（2016-K4-053，2016-S3-008）;山东省住房城乡建设厅科学技术项目（2016-KY026，FW-20161001：A7）

作者简介：邵长征（1989—），男，硕士