地铁超宽基坑围护结构设计受温度影响分析

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内容提示：结合具体的工程概况,通过现场实测结果,对基坑围护结构产生的附加变形与温度变化影响之间的关系,以及变形对基坑稳定带来的不利影响进行分析,提出设计及施工对策,供今后类似工程借鉴。

延伸阅读：基坑设计 热胀冷缩 钢支撑

    摘 要:结合具体的工程概况,通过现场实测结果,对基坑围护结构产生的附加变形与温度变化影响之间的关系,以及变形对基坑稳定带来的不利影响进行分析,提出设计及施工对策,供今后类似工程借鉴。（参考《建筑中文网》）

    关键词:基坑设计,钢支撑,热胀冷缩
   
    引言
    基坑在跨季节条件下施工时,支撑体系往往会由于温度变化产生热胀冷缩现象,从而导致围护结构产生附加变形。例如支撑因升温而伸长时,会受到支撑两端外侧土体抗力的约束,而且支撑伸长又会引起地下墙在强迫位移下产生的内力。特别是钢支撑较长的基坑,受昼夜温差变化产生的围护结构的附加变形就更加明显。
    天津地铁1号线改建项目营口道站位于天津市繁华闹市区,南京路与赤峰道、营口道交口处,为1,3号线的换乘车站。施工分为A区(3号线基坑)与B,C,D区(1号线)以及附属结构几个部分。B,C区是在A,D区施工完毕后开始施工的[1]。现在以C区的开挖施工为例介绍昼夜温差较大而导致的温度效应分析。
    1 工程背景
    1号线基坑长194.52m(中心里程K14 159.882),一般地段宽19.9m,窄处11.9m,宽处约44.55m,埋深7.698m(结构高6.01m,覆土1.688m)。C区宽度两端为19.9m,中间为28m,基坑开挖需破除既有营口道站箱体,基坑北侧为导行后的南京路4车道路面,南侧为40层津汇广场大楼。采用SMW工法水泥土搅拌桩围护结构,桩径为850mm,搅拌桩间搭接250mm。桩长分别为13.9m(普通8m深基坑)和17.9m(跨线风道及泵房),桩顶标高为2.5m。型钢间隔插,型钢规格为700mm×300mm×13mm×24mm,惯性矩为201000cm4,型钢间中心距为1200mm。桩顶设1.1m×0.8m的混凝土压顶梁结为整体,桩间立面为C20网喷混凝土。在开挖0.8m处架设1道(局部2道)φ600×12mm的钢管横支撑,支撑中间设一道2[28a纵向支撑梁(宽的地段设二道)及一列竖向φ402×12mm的钢管工具柱(工具柱在基坑以下为φ800mm,桩长8m的钻孔灌注桩)[2]。
    2 温度变化及结构变形的监测结果与分析
    天津地区地处华北平原,每年的4月～5月间,该地区昼夜温差较大。如2004年4月23日,当天最高温度为26℃,昼夜温差将近15℃。当时,C区开挖已经接近基底,第二道支撑尚未架设。由当日桩体测斜曲线可以看出,受钢支撑“热胀冷缩”效应影响,支撑所处位置(桩顶向下2m处)夜间围护结构变形量约为9mm,白天温度上升后,受钢支撑膨胀影响,其变形量约为2.5mm,往复变化累计达6.5mm。而夜间围护结构最大变形量约为14mm,白天温度上升后,受钢支撑膨胀影响,其最大变形量约为11mm,往复变化累计3mm。
    2004年5月15日,C区正在进行基底清理,第二道支撑已经架设。当天最高温度为26.5℃,昼夜温差约10℃。
    由当日桩体测斜曲线可以看出,第一道支撑所处位置(桩顶向下2m处)夜间围护结构变形量约为9mm,白天温度上升后,受钢支撑膨胀影响,其变形量约为5mm,往复变化累计约4mm。而第二道支撑所处位置(桩顶向下8m处)夜间围护结构变形量约为13mm,白天温度上升后,受钢支撑膨胀影响,其变形量约为10.5mm,往复变化累计约1.5mm。
    3附加变形与钢支撑次应力的计算
    考虑支撑因升温而伸长时,会受到支撑两端外侧土体抗力的约束,而且支撑伸长又会引起围护墙体在强迫位移下产生的内力,可建立如下方程式[1]:

    对于超宽基坑设计和施工来说,可以通过以上各公式,计算出附加变形与钢支撑次应力,以提高设计的准确度[4]。
    4 结论及对策
    1) 从实测结果来看,对于软土地区超宽基坑来说,使用的支撑长度超过20m时,由于温度骤升、骤降而产生的围护结构附加变形是不能忽视的,一般占到总变形的20%～30%左右,对于昼夜温差较大地区的超宽基坑设计来说具有借鉴意义。
    2) 当坑周地层为硬土时,由于支撑受到约束,围护结构附加变形不明显,但是因温升导致支撑轴力会增大。特别是对于长支撑来说,如果支撑中部无约束,或者支撑架设有偏差时,有可能导致支撑产生弯曲变形,造成严重的后果。
    3) 为避免温度变化产生的围护结构的附加变形和支撑的次应力,在设计和施工中必须加强施工监测,同时合理优化施工工序,采取措施减少支撑次应力,以确保围护结构和施工的安全。
    4)设计和施工中要严格控制支撑轴线的偏心,设计要验算允许偏心下引起的弯矩。支撑传力盒中心与支撑轴线要尽量一致,此偏差不大于1cm。
    5) 架设支撑时应避免选择在温度最高和最低时进行。如果选择在中午气温最高时架设,预加轴力会因为夜间冷缩而消散;如果选择在夜间气温最低时架设,预加轴力会因为白天热胀而增加,这样均不利于控制基坑围护结构的变形和支撑受力。
    6) 支撑预加轴力的施加应当根据温度条件进行一定调整。现场温度高,减小预加轴力;现场温度低,增大预加轴力;增大和减小的范围根据计算确定。
    7) 对于超宽基坑必须进行信息化设计和施工,以便在施工中通过加强监测及时反馈信息,修改调整施工方案,使施工始终处于安全可控状态。
   
    参考文献:
    [1]夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.40 60.
    [2]刘俊岩.深基坑工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.137 149.
    [3]崔江余,梁仁旺.建筑基坑工程设计计算与施工[M].北京:中国建材工业出版社,1999.117 126.
    [4]李庆华.材料力学[M].成都:西南交通大学出版社,1990.71 84.

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13556.htm

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