經驗交流：地鐵超寬基坑圍護結構設計影響分析
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘 要：結合具體的工程概況，通過現場實測結果，對基坑圍護結構產生的附加變形與溫度變化影響之間的關系，以及變形對基坑穩定帶來的不利影響進行分析，提出設計及施工對策，供今后類似工程借鑒。
關鍵詞：基坑設計，鋼支撐，熱脹冷縮
引言
基坑在跨季節條件下施工時，支撐體系往往會由于溫度變化產生熱脹冷縮現象，從而導致圍護結構產生附加變形。例如支撐因升溫而伸長時，會受到支撐兩端外側土體抗力的約束，而且支撐伸長又會引起地下墻在強迫位移下產生的內力。特別是鋼支撐較長的基坑，受晝夜溫差變化產生的圍護結構的附加變形就更加明顯。
天津地鐵1號線改建項目營口道站位于天津市繁華鬧市區，南京路與赤峰道、營口道交口處，為1，3號線的換乘車站。施工分為A區（3號線基坑）與B，C，D區（1號線）以及附屬結構幾個部分。B，C區是在A，D區施工完畢后開始施工的[1].現在以C區的開挖施工為例介紹晝夜溫差較而導致的溫度效應分析。
1、工程背景
1號線基坑長194.52m（中心里程K14+159.882），一般地段寬19.9m，窄處11.9m，寬處約44.55m，埋深7.698m（結構高6.01m，覆土1.688m）。C區寬度兩端為19.9m，中間為28m，基坑開挖需破除既有營口道站箱體，基坑北側為導行后的南京路4車道路面，南側為40層津匯廣場樓。采用SMW工法水泥土攪拌樁圍護結構，樁徑為850mm，攪拌樁間搭接250mm.樁長分別為13.9m（普通8m深基坑）和17.9m（跨線風道及泵房），樁頂標高為2.5m.型鋼間隔插，型鋼規格為700mm×300mm×13mm×24mm，慣性矩為201000cm4，型鋼間中心距為1200mm.樁頂設1.1m×0.8m的混凝土壓頂梁結為整體，樁間立面為C20網噴混凝土。在開挖0.8m處架設1道（局部2道）φ600×12mm的鋼管橫支撐，支撐中間設一道2[28a縱向支撐梁（寬的地段設二道）及一列豎向φ402×12mm的鋼管工具柱（工具柱在基坑以下為φ800mm，樁長8m的鉆孔灌注樁）。
2、溫度變化及結構變形的監測結果與分析
天津地區地處華北平原，每年的4月～5月間，該地區晝夜溫差較。如2004年4月23日，當天最高溫度為26℃，晝夜溫差將近15℃。當時，C區開挖已經接近基底，第二道支撐尚未架設。由當日樁體測斜曲線可以看出，受鋼支撐“熱脹冷縮”效應影響，支撐所處位置（樁頂向下2m處）夜間圍護結構變形量約為9mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其變形量約為2.5mm，往復變化累計達6.5mm.而夜間圍護結構最變形量約為14mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其最變形量約為11mm，往復變化累計3mm。2004年5月15日，C區正在進行基底清理，第二道支撐已經架設。當天最高溫度為26.5℃，晝夜溫差約10℃。
由當日樁體測斜曲線可以看出，第一道支撐所處位置（樁頂向下2m處）夜間圍護結構變形量約為9mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其變形量約為5mm，往復變化累計約4mm。而第二道支撐所處位置（樁頂向下8m處）夜間圍護結構變形量約為13mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其變形量約為10.5mm，往復變化累計約1.5mm。
3、附加變形與鋼支撐次應力的計算
考慮支撐因升溫而伸長時，會受到支撐兩端外側土體抗力的約束，而且支撐伸長又會引起圍護墻體在強迫位移下產生的內力，可建立如下方程式：
對于超寬基坑設計和施工來說，可以通過以上各公式，計算出附加變形與鋼支撐次應力，以提高設計的準確度。
4、結論及對策
1）從實測結果來看，對于軟土地區超寬基坑來說，使用的支撐長度超過20m時，由于溫度驟升、驟降而產生的圍護結構附加變形是不能忽視的，一般占到總變形的20%～30%左右，對于晝夜溫差較地區的超寬基坑設計來說具有借鑒意義。
2）當坑周地層為硬土時，由于支撐受到約束，圍護結構附加變形不明顯，但是因溫升導致支撐軸力會增。特別是對于長支撐來說，如果支撐中部無約束，或者支撐架設有偏差時，有可能導致支撐產生彎曲變形，造成嚴重的后果。
3）為避免溫度變化產生的圍護結構的附加變形和支撐的次應力，在設計和施工中必須加強施工監測，同時合理優化施工工序，采取措施減少支撐次應力，以確保圍護結構和施工的安全。
4）設計和施工中要嚴格控制支撐軸線的偏心，設計要驗算允許偏心下引起的彎矩。支撐傳力盒中心與支撐軸線要盡量一致，此偏差不于1cm。
5）架設支撐時應避免選擇在溫度最高和最低時進行。如果選擇在中午氣溫最高時架設，預加軸力會因為夜間冷縮而消散；如果選擇在夜間氣溫最低時架設，預加軸力會因為白天熱脹而增加，這樣均不利于控制基坑圍護結構的變形和支撐受力。
6）支撐預加軸力的施加應當根據溫度條件進行一定調整。現場溫度高，減小預加軸力；現場溫度低，增預加軸力；增和減小的范圍根據計算確定。
7）對于超寬基坑必須進行信息化設計和施工，以便在施工中通過加強監測及時反饋信息，修改調整施工方案，使施工始終處于安全可控狀態。
（巖土）
關鍵詞：基坑設計，鋼支撐，熱脹冷縮
引言
基坑在跨季節條件下施工時，支撐體系往往會由于溫度變化產生熱脹冷縮現象，從而導致圍護結構產生附加變形。例如支撐因升溫而伸長時，會受到支撐兩端外側土體抗力的約束，而且支撐伸長又會引起地下墻在強迫位移下產生的內力。特別是鋼支撐較長的基坑，受晝夜溫差變化產生的圍護結構的附加變形就更加明顯。
天津地鐵1號線改建項目營口道站位于天津市繁華鬧市區，南京路與赤峰道、營口道交口處，為1，3號線的換乘車站。施工分為A區（3號線基坑）與B，C，D區（1號線）以及附屬結構幾個部分。B，C區是在A，D區施工完畢后開始施工的[1].現在以C區的開挖施工為例介紹晝夜溫差較而導致的溫度效應分析。
1、工程背景
1號線基坑長194.52m（中心里程K14+159.882），一般地段寬19.9m，窄處11.9m，寬處約44.55m，埋深7.698m（結構高6.01m，覆土1.688m）。C區寬度兩端為19.9m，中間為28m，基坑開挖需破除既有營口道站箱體，基坑北側為導行后的南京路4車道路面，南側為40層津匯廣場樓。采用SMW工法水泥土攪拌樁圍護結構，樁徑為850mm，攪拌樁間搭接250mm.樁長分別為13.9m（普通8m深基坑）和17.9m（跨線風道及泵房），樁頂標高為2.5m.型鋼間隔插，型鋼規格為700mm×300mm×13mm×24mm，慣性矩為201000cm4，型鋼間中心距為1200mm.樁頂設1.1m×0.8m的混凝土壓頂梁結為整體，樁間立面為C20網噴混凝土。在開挖0.8m處架設1道（局部2道）φ600×12mm的鋼管橫支撐，支撐中間設一道2[28a縱向支撐梁（寬的地段設二道）及一列豎向φ402×12mm的鋼管工具柱（工具柱在基坑以下為φ800mm，樁長8m的鉆孔灌注樁）。
2、溫度變化及結構變形的監測結果與分析
天津地區地處華北平原，每年的4月～5月間，該地區晝夜溫差較。如2004年4月23日，當天最高溫度為26℃，晝夜溫差將近15℃。當時，C區開挖已經接近基底，第二道支撐尚未架設。由當日樁體測斜曲線可以看出，受鋼支撐“熱脹冷縮”效應影響，支撐所處位置（樁頂向下2m處）夜間圍護結構變形量約為9mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其變形量約為2.5mm，往復變化累計達6.5mm.而夜間圍護結構最變形量約為14mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其最變形量約為11mm，往復變化累計3mm。2004年5月15日，C區正在進行基底清理，第二道支撐已經架設。當天最高溫度為26.5℃，晝夜溫差約10℃。
由當日樁體測斜曲線可以看出，第一道支撐所處位置（樁頂向下2m處）夜間圍護結構變形量約為9mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其變形量約為5mm，往復變化累計約4mm。而第二道支撐所處位置（樁頂向下8m處）夜間圍護結構變形量約為13mm，白天溫度上升后，受鋼支撐膨脹影響，其變形量約為10.5mm，往復變化累計約1.5mm。
3、附加變形與鋼支撐次應力的計算
考慮支撐因升溫而伸長時，會受到支撐兩端外側土體抗力的約束，而且支撐伸長又會引起圍護墻體在強迫位移下產生的內力，可建立如下方程式：
對于超寬基坑設計和施工來說，可以通過以上各公式，計算出附加變形與鋼支撐次應力，以提高設計的準確度。
4、結論及對策
1）從實測結果來看，對于軟土地區超寬基坑來說，使用的支撐長度超過20m時，由于溫度驟升、驟降而產生的圍護結構附加變形是不能忽視的，一般占到總變形的20%～30%左右，對于晝夜溫差較地區的超寬基坑設計來說具有借鑒意義。
2）當坑周地層為硬土時，由于支撐受到約束，圍護結構附加變形不明顯，但是因溫升導致支撐軸力會增。特別是對于長支撐來說，如果支撐中部無約束，或者支撐架設有偏差時，有可能導致支撐產生彎曲變形，造成嚴重的后果。
3）為避免溫度變化產生的圍護結構的附加變形和支撐的次應力，在設計和施工中必須加強施工監測，同時合理優化施工工序，采取措施減少支撐次應力，以確保圍護結構和施工的安全。
4）設計和施工中要嚴格控制支撐軸線的偏心，設計要驗算允許偏心下引起的彎矩。支撐傳力盒中心與支撐軸線要盡量一致，此偏差不于1cm。
5）架設支撐時應避免選擇在溫度最高和最低時進行。如果選擇在中午氣溫最高時架設，預加軸力會因為夜間冷縮而消散；如果選擇在夜間氣溫最低時架設，預加軸力會因為白天熱脹而增加，這樣均不利于控制基坑圍護結構的變形和支撐受力。
6）支撐預加軸力的施加應當根據溫度條件進行一定調整。現場溫度高，減小預加軸力；現場溫度低，增預加軸力；增和減小的范圍根據計算確定。
7）對于超寬基坑必須進行信息化設計和施工，以便在施工中通過加強監測及時反饋信息，修改調整施工方案，使施工始終處于安全可控狀態。
（巖土）
