温度变化对地铁基坑围护桩顶水平变形的影响
摘要：武汉地铁11号线光谷五路站是典型的深长基坑，运营超过la，实施安全监测及分析监测数据对围护结构和支撑安全的控制至关重要。基于现场实测数据，研究了基坑围护桩顶水平变形的形成机制及分布规律，揭示了基坑围护结构变形以受温度的年度波动影响为主、施工影响引起的变形为辅，基坑变形的空间效应只存在于施工引起的变形部分，而温度变动引起的变形无空间效应。研究结果表明，基坑的设计、计算及变形控制指标的拟定均不可忽视温度变化的影响。拟定基坑变形控制设计及基坑监控指标时，应优先考虑温度影响，其次考虑空间效应的影响。
关键词：基坑围护桩变形;温度变化;变形监测;深基坑;地铁工程
近年来，我国城市轨道交通建设飞速发展，截至2016年末，共有58个城市的城轨线网规划获批(含地方政府批复的14个城市)，在建线路约5 637km，规划线路总长达7 305.30 km，可研批复投资累计约34 995亿元。根据统计，有轨道交通的北京、天津、上海、武汉、长春、大连、深圳、重庆、南京、杭州在建设过程中都曾发生过基坑工程事故[1]。其中，围护结构和支撑失效占事故原因的75%，这些事故中，施工原因占据了82%。安全监测的实施及监测数据的分析是施工过程中对围护结构和支撑安全控制的重要一环。
目前，主要依靠监控指标来判断基坑围护和支撑结构的工作状态，而变形监控指标主要来源于工程经验，缺乏理论解释，且各地标准不同，具体实施中还存在模糊性和不确定性。JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》[2]对监测项目、方法、频次做了具体规定，但没有涉及监控指标。GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》对不同安全等级的基坑采用绝对位移值、相对基坑深度的控制值及变化速率3个指标来作为预警参考值[3]。DB 42/T159-2012《湖北省地方标准：基坑工程技术规程》规定基坑支护工程监测项目的报警值应由基坑设计方确定，并对不同安全等级的基坑给出了变化速率和累计值两个指标作为参考[4]。
已有研究表明，温度的变化会对深基坑支护内力及基坑变形产生影响。向艳[5]研究了武汉某基坑的地连墙加钢筋混凝土内支撑结构的应力、变形监测数据，认为当温度从30 ℃增加到37℃时，内支撑的轴力增幅达41%，冠梁水平位移有较明显的降低;当温度降低时，冠梁顶水平位移增加，且坑壁外侧土体的水平位移变化明显滞后于地连墙的位移变化。刘畅等[6]对长178 m，宽148 m的深大基坑的16个月的监测数据分析认为，环梁支撑轴力随温度升高而增大，影响趋势显著;温度降低阶段，围护桩明显向坑内移动。杨欢欢等[7]采用有限元分析了太原地铁中心街西站基坑工程，认为支撑轴力随温度改变呈线性变化，第3道支撑的温度敏感性大于前两道，受温度的影响最大。
王晓伟等[8]分析了广州市轨道交通三号线梅花园站基坑监测结果，认为地下连续墙水平位移最大值较大，变形值受土体性质、天气(主要为降水)、开挖、加撑等影响显著，且地面超载对地面沉降影响不容忽视。郑刚等[9]认为温度的影响是温差作用下支撑、围护桩(墙)和土体三者之间的变形协调问题，并据此提出了考虑围护桩、支撑和土体之间相互作用的估算水平支撑温度应力的近似简化分析方法。徐中华等[10]提出了依据基坑周边环境的附加变形能力反推基坑工程的变形控制指标和通过地区工程经验的统计数据确定监控指标两种方法。 本文根据武汉地铁11号线光谷五路站深基坑实测数据，通过分离温度与施工过程影响及空间效应，揭示深基坑位移增长的内在机制，为位移监控指标研究提供依据。
1 工程概况
1.1 基坑及支撑结构布置
光谷五路站位于武汉市东湖新技术开发区光谷五路与神墩一路交汇处。场地地面标高在37.50 - 44.20 m之间(以孔口标高计)，地势有一定的起伏，地貌单元属剥蚀堆积垄岗区(相当于长江冲洪积III级阶地区)。车站主体基坑长241.33 m，宽56 m，深26 m，中部基槽深达32 m。基坑安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数1.0。车站主体围护结构采用φ1 200@1 800 mm钻孔灌注桩加内支撑方案，内支撑体系由冠梁、三道混凝土支撑、混凝土腰梁组成。冠梁采用尺寸为1 200 mmxl 000 mm钢筋混凝土结构，冠梁高程37 m，顶部采用1：1放坡形式过渡至自然地表高程，三道钢筋混凝土内支撑尺寸为1 000 mmx800 mm，设置高程分别为37，28 m和21.5 m，基坑长边中部基槽寬26.4 m，放坡1：0.5开挖至高程10.5 m，基槽内另外布置斜抛钢构支撑。
1.2 工程地质条件
(1)素填土(地层代号(1—2))。黄褐～褐灰～褐红色，以粉质黏土为主，软～可塑～硬塑状态，高压缩性，下部为黏性土夹砖块、碎石等组成，硬杂质含量在25%以下，堆积年限一般少于10 a。埋深0.0 - 1.0 m，层厚0.3 - 2.8 m，场地大部分地段有分布。
(2)黏土(Q3al+pl)(地层代号(10-2》。黄褐～褐红色，硬塑，很湿，中～低压缩性，含铁锰氧化物、结核及团块状高岭土。层顶埋深为0.0 - 5.0 m，层厚约为2.0 - 10.5 m。场地沿线均有分布。
(3)强风化泥岩(地层代号(20a-l))。黄褐色～浅绿灰，泥质胶结，手捏或水浸易散，岩芯大部分风化成硬土状，局部层理可见且夹未完全风化岩块，泥质结构，块状构造。埋深7.8～13.8 m，厚度0.3 -5.8m。场地沿线绝大部分地段有分布。
(4)中风化泥岩(地层代号(20a-2))。黄褐～灰褐～灰色，岩芯主要呈柱状、碎块状，局部夹少量碎屑状，泥质结构，中厚层状，倾角在45度-70度，节理、裂隙较发育，层中夹粉砂质泥岩，采取率约60%，岩芯较完整，属于软岩～极软岩，岩体基本质量等级为Ⅵ-V类。层顶埋深为5.7 - 18.6 m，揭露该层最大厚度为45.4 m。场地沿线均有分布。
1.3 施工过程
采用明挖顺做法施工，即依次开挖土体并设置支撑至基底后回筑内部结构。先施工围护结构的钻孔灌注桩，待钻孔桩达到设计强度100%后，再进行基坑开挖、支撑、回筑施工。开挖作业自2015年12月10日开始第一层开挖，12月20日开始第二层支撑浇筑，12月25日开始第二层开挖，2016年3月下旬全部开挖完成。
1.4 研究区的监测仪器布置
由于基坑总体上为对称的长方体，因此选取其1/4部分研究开挖及工作期间的变形响应规律，监测设备布置如图1所示。
图1中，TP为位移监测点，包括水平位移及沉降位移;IN为测斜管;EM为沉降监测点;R为内支撑轴力测点。
2 基坑在开挖期与工作期变形响应规律
2.1 围护桩顶水平位移
实测围护桩顶水平位移见图2，其中负号代表向基坑内位移。
水平位移的特点有：①所有测点位移高峰值均出现在2016年8月，为向坑外位移。其中TP3、TP7、TP8同时达到最大值16.5-17.2 mm，明显高于其他测点。②开挖初期阶段，TP2、TP4、TP5、TP6有一个明显的峰值递减向坑内变形的过程。后期逐渐过渡到向坑外变形。
测斜管实测变形趋势与相应位置水平位移测点的实测值基本一致，差异主要为测斜管最高测点在桩顶以下0.5 m深处，而外部变形观测点在桩顶，二者实测变形值基本可以相互验证，如图3所示。
2.2 立柱垂直位移与混凝土内支撑轴力关系
图4为立柱垂直位移与混凝土内支撑轴力关系，立柱垂直位移以沉降为负，两处沉降趋势一致，但靠近基坑延伸方向中部的测点波动幅值更大。钢立柱的沉降与相应混凝土内支撑轴力存在显著的负相关性，表现为支撑轴力增大的同时，立柱沉降增加。
3 基坑围护桩顶变形机制
3.1 变形影响因素
将监测时段日最高温度及对应时段的典型桩顶水平位移(TP9)、立柱沉降(EM2)统计如图5所示，并对实测曲线做上下包络线，分别称为波动的上限和下限，上限和下限平均值形成的过程曲线称为均线，也就是实测值的拟合曲线。
分析图5的对比关系，可以得出以下规律：①围护桩顶位移增长过程受年度温度波动因素和与混凝土内支撑作用相关的施工因素影响;②温度波动对位移的影响存在滞后效应，但一个年度循环后，滞后效应逐渐降低;③气温及桩顶位移的波动有明显的上下限;④桩顶水平位移在波动上下限内的高频跳动与立柱沉降的跳跃过程相对应，体现了施工活动的影响。
3.2 温度及施工过程对位移波程的影响
分析桩顶水平位移过程均线与温度过程均线，二者之间满足如下关系：
T-D=8.177xsin(-0.016 t-1.195)+16.15 (1)式中，D为桩顶水平位移均线值，mm;T为温度均线值，℃;f为自2015年11与30日起的观测时长，d。位移均线、温度均线与二者差值见图6。
围护桩顶水平位移实测值偏离均值线的程度与立柱沉降实测值及其均值线的偏离程度的关系见图7。显然，水平位移与立柱沉降的短期波动过程在时间上一致，由于开挖过程与立柱沉降有直接关系，水平位移的短期波动过程可以通过立柱沉降的短期波动来对比分析。
因此，围护桩顶水平变形的年度波动由式(1)确定的年度温度特征决定，同时存在与施工过程相关的高频波动。
3.3 桩顶水平位移在空间上的分布特征
自基坑短边起，沿长度方向分别选取桩顶水平位移测点，通过对全过程的实测值进行均线分析和上下限分析，对实测围护桩顶水平位移的波动特征统计如表1所示。
从年度波动的幅值特征看，不同距离上的幅值较为集中，没有明显的规律，这说明直接受温度影响的年度波动幅值无空间效应，但与施工过程相关的短周期波动上下限差则带有空间效应特征，具体表现为越靠近基坑中部，上下限差值越大。
4 结语
根据上述研究，武汉11号地铁线光谷五路站深基坑围护桩顶水平位移、立柱沉降、混凝土支撑轴力的影响因素包括年度温度波动及施工过程。施工过程引起的短周期波动幅度约为年度波动的30%-80%。
选取la的低温期为开挖施工、支护作业阶段是合适的，可利用温度升高过程引起的支撑轴力增加提高基坑抗变形能力。
立柱沉降监测直接体现了施工过程影响及温度周期波动，对分析围护桩变形趋势及变形突变非常有帮助，建议重视立柱沉降的监测。
对实测值的空间分布特征分析表明：长周期的年度波动影响无空间效应，空间效应仅与施工活动相关。因此，当采用数值分析方法模拟计算基坑变形稳定问题时，必须考虑温度波动的影响。拟定基坑变形控制设计及基坑监控指标时，应优先考虑温度影响，其次考虑空间效应的影响。
参考文献：
[1]周红波，蔡来炳，高文杰.城市轨道交通车站基坑事故统计分析[J]水文地质工程地质，2009，36(2)：67-71.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 120-2012建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社， 2012.
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50497- 2009建筑基坑工程监测技术规范[S].北京：中国计划出版社，2009.
[4]湖北省建设厅，湖北省质量技术监督局.DB 159-2012基坑工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社 2012.
[5] 向艳，温度应力对深基坑支护结构内力与变形的影响研究[J].岩土工程学报，2014，36(S2)：64-69.
[6]刘畅，张亚龙，郑刚，等.季节性温度变化对某深大基坑工程的影响分析[J].岩土工程学报，2016，38(4)：627-635.