型钢接头对TRD围护结构稳定性影响研究

摘要:TRD内插H型钢工法因其适用性好得到广泛应用，现阶段型钢接头对TRD围护结构稳定性影响研究较少，TRD工法理论研究尚不完善。以南通轨道交通工程2号线02标出入段线明挖区间工程为分析背景，采用Midas GTS NX数值计算软件，对型钢3种不同位置处接头分节拼接工况进行模拟计算，分析了接头焊缝热影响区材料刚度受到不同程度衰减作用后对分节内插型钢TRD围护结构、基坑开挖阶段稳定性的影响。主要通过开展型钢焊缝热影响区变形、应力变化的规律研究，对分节内插型钢中的相关问题进行探讨分析，为类似工程提供一定指导意义。

关键词:分节内插型钢TRD围护结构稳定性研究热影响区

▍0 引 言 

随着我国基础建设的大力发展，地面空间日趋紧张，地下空间的开发利用正快速增长，建筑基坑也在向“深、大”方向发展。在实际施工中，深大型基坑上方常有架空高压线或高架桥等建构筑跨越，使深大型基坑地上竖向施工空间受限，需要配备高水平的施工工艺。特别是在富水砂层中地上竖向空间受限的复杂环境下，对围护结构的施工质量要求较高。目前，大多数深大型基坑采用地下连续墙围护结构，施工时通过改装或者特制设备，地下钢筋笼分节起吊、安装下放。这种施工工艺由于钢筋笼分节安装吊放时间长，槽壁暴露时间久、风险高，给基坑施工带来安全隐患。 TRD内插H型钢工法作为近年来一种新型工法，具有施工深度大、适应地层广和成墙品质好以及施工设备低等优点，其在渗透性较强的土层、砂层和软岩地层中搅拌成墙后的墙体隔水性能可靠，强度均匀连续。目前在上海、天津、南昌等地得到成功应用，在南通地区富水粉细砂层软土基坑尚属首次应用，特别是在高压线下将H型钢分节吊放至槽口进行对接内插工艺。

关于TRD内插H型钢工法，谭轲、王卫东、邸国恩、梁志荣、张锴锋、朱宏伟、刘成涛等人分别以软土地层深大基坑为研究背景开展了TRD工法型钢水泥土搅拌墙承载变形特征和作用机理、施工关键技术、适用性以及对周围环境的影响等多项研究，但是在地上竖向施工空间受限的情况下，没有针对分节内插型钢TRD围护结构型钢拼接接头位置的设置及对基坑稳定性的影响分析。

基于此，本文采用Midas GTS NX数值计算软件，对型钢3种不同位置处接头分节拼接工况进行模拟计算，分析了接头焊缝热影响区材料刚度受到不同程度衰减作用下对分节内插型钢TRD围护结构、基坑开挖阶段稳定性的影响。研究结果对于在地上竖向施工空间受限的情况下，分节内插型钢TRD围护结构拼接接头位置的设置、基坑稳定性的分析有一定指导意义。

▍1 工程背景 

1.1 工程概况

本文以南通轨道交通工程2号线02标出入段线明挖区间工程为分析背景。图1所示为该明挖区间基坑采用TRD内插H型钢围护结构，开挖深度12 m,宽度11 m,其中斜穿基坑高压线下净空17 m。第一道支撑为混凝土支撑，第二、三道支撑为钢支撑。

1.2 工程地质

基坑开挖工程所处地区地貌属冲积平原。基坑开挖土层以砂质粉土、砂土为主，水位埋深0.33~0.46 m。

▍2 分节内插型钢TRD围护结构模型设置 

利用有限元软件Midas GTS NX进行分节内插型钢TRD围护结构基坑稳定性分析。为确保研究切合实际，简化模型后确定尺寸为X方向140 m,Y方向70 m,Z方向为35 m,各个地层参数如表1所示，图2为3D网格模型及其边界条件设定以及H型钢布设、分节接头细节图。模型四周TX、TY方向采用同向水平位移约束，模型底部地层单元节点采用全约束。

围护结构以及内撑结构材料参数设定如表2~表3所示。H型钢采用3D单元，通过设置两型钢间3D单元材料参数作为焊缝材料模拟，通过设置焊缝强度以及焊缝周边热影响区，得到H型钢分节接头。

▍3 分节内插型钢TRD围护结构稳定性分析 

3.1 数值模拟

为了分析分节内插型钢TRD围护结构拼接接头位于不同位置(包括最不利位置)下基坑的稳定性，本节设定了3种计算工况，表4对各工况下接头位置的设定情况进行了描述。图3显示了分析案例的内插型钢接缝位置示意图，在计算模型焊缝处，考虑到焊缝过程产生的热影响区，将接缝区域H型钢材料强度削减至90%。

3.2 数值模拟结果

3.2.1数值模拟情况

以内插型钢在地面拼接完成后整根吊装安放，即TRD围护结构内插型钢无接头的形式，作为与另外两个工况进行对比的基准工况。型钢水泥土搅拌墙如图4所示，当工况一基坑开挖到设计标高时，TRD围护结构最大水平位移为18.102 mm,位于基坑坑底下约3 m位置，即坑底3 m位置为该工法施工的最不利位置；H型钢附近的墙体由于受到型钢的约束作用变形较小，H型钢间距离型钢越远的墙体，其位移变形值越大。

3.2.2接头位置的影响

如3.2.1节所述，为研究围护结构的稳定性，以下对接头位置分别为坑底以及坑底下3 m两种工况下对围护结构稳定性的影响进行分析研究。

由以上数据可以得出，焊缝后产生的热影响区，会对H型钢的强度产生影响，H型钢在接缝区域会出现更大的变形和应力集中现象。

3.2.3接缝热影响区不同程度影响

为了研究接缝热影响区对H型钢不同削弱程度对围护结构稳定性的影响，该节分别对热影响区材料强度设定为原强度的60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%进行数值计算。

图7描绘了型钢最大位移与热影响区材料削弱系数关系，可以看出，随着材料强度的逐渐减弱，型钢最大位移值逐渐增大，工况三由于存在两处热影响区，最大位移值变化更为明显，在系数小于70%时，在同等削弱系数值变化下，H型钢位移变形幅值明显增加。

图5显示了三种工况下型钢的最大水平位移分布情况，可以明显看到，在接缝附近的位置，位移云图出现了明显的分层现象，即接缝附近处型钢存在明显的位移。工况一中H型钢最大位移值为10.13 mm,工况二中为12.26 mm,工况三中为18.23 mm。与此类似的，如图6所示，三种工况下，型钢上分布的Mises应力值也存在明显的分层，均以接缝附近位置作为分界；三种工况下最大Von Mises值分别为7 480、8 328、9 873 kN/m2。

图8描绘了型钢最大Mises应力值与热影响区材料削弱系数关系，类似地，可以看出，随着材料强度的逐渐减弱，型钢最大应力值逐渐增大，工况三型钢应力集中现象明显。

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▍4 结 论 

本文基于南通轨道交通工程2号线02标出入段线明挖区间工程为分析背景。采用Midas GTS NX数值计算软件，对型钢3种不同位置处接头分节拼接工况进行模拟计算，分析了接头焊缝热影响区材料刚度受到不同程度衰减作用后对分节内插型钢TRD围护结构、基坑开挖阶段稳定性的影响，得到以下结论:

(1)分节内插型钢TRD围护结构在基坑施工完成后最大位移发生在坑底3 m处，H型钢附近的墙体由于受到型钢的约束作用，变形较小；H型钢间距离型钢越远的墙体，其位移变形值越大。

(2)考虑了焊缝产生的热影响区材料削减效应，在基坑开挖后，云图中热影响区因为强度较弱会产生位移“分层”效应，即在接缝附近会出现较大位移变形，同时在接缝附近会产生应力集中。

(3)分析了热影响区材料不同程度刚度削弱情况下型钢最大位移和最大Von Mises的变化，随着材料强度的逐渐减弱，最大位移值逐渐增大；应力集中现象会因为热影响区材料强度减弱更加明显。

(4)在设定热影响区域材料强度小于70%母材强度时，在同等削弱系数值变化下，H型钢位移变形幅值明显增加。

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