（岩土工程专业论文）深基坑开挖对邻近桥桩的影响研究.pdf

中文摘要 随着城市建设的快速发展，高层建筑以及地下铁路工程不断兴起，产生了大 量的深基坑工程。在软土地区开挖深基坑的施工中，由于对变形控制程度研究不 足，易造成对周围环境的不利影响，本文重点研究深基坑开挖对临近立交桥梁桩 基础的影响。 基坑工程不仅要具有稳定性，而且应尽量减小对周围环境造成的影响。深基 坑开挖对临近桥梁桩基础的影响目前研究的并不多，成果也较少，而实际工程中 遇到此类情况却逐渐增多，所以此项研究具有探索性和实际意义。本项研究主要 针对天津2 号线桥桩邻近施工工点的实例，研究地铁深基坑开挖施工对邻近桥梁 桩基础变形的影响，分析总结规律性，为天津地区此类工程设计和施工提供控制 标准的指导性建议。 本文选择典型站点红星路车站开展研究工作。这一站点毗邻顺驰立交 桥，为了获得真实有效的监测数据，研究中随着基坑工程的进行，对基坑的支护 结构、基坑周围的地表沉降和深层沉降以及立交桥桥墩的变形进行了跟踪监测， 采用有限差分法对基坑开挖过程进行了三维模拟分析，应用实测数据校准了计算 模型。探讨了基坑开挖对临近桥桩变形影响的控制因素，研究了其规律性，提出 了基坑开挖对桥桩变形影响的范围。 本文的计算方法可以真实的模拟基坑施工的实际情况，理论分析结果与实测 数据吻合较好，得出的结论可作为今后类似问题的有效参考。 关键词：地铁深基坑桥桩变形有限差分法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eu r b a n i z a t i o n ，a sw e l la st h ep o p u l a r i z a t i o no f b i g h - r i s eb u i l d i n g sa n ds u b w a y s d e e pf o u n d a t i o n sp i t ss p r i n gu p t h ei n s u f f i c i e n c i e s o ft h ed i s t o r t i o nc o n t r o lm a k et h ea m b i e n c ed e t r i m e n t a le f f e c ti nt h ed e e pf o u n d a t i o n p i t e x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o n o ft h es o f t g r o u n dr e g i o n t h ep a p e rr e s e a r c h e d e m p h a t i c a l l yo nt h ee x c a v a t i o ne f f e c to ft h ed e e pf o u n d a t i o np i t t h ef o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gn o to n l ys h o u l db es t a b l eb u ta l s od e c r e a s et h ee f f e c t o nt h es o u n d i n ge n v i r o n m e n t u n f o r t u n a t e l y , t h er e s e a r c h e sa n do u t c o m e sa r er a r eo n t h ei n f l u e n c eo ft h ed e f o r m a t i o no ft h ep i l e sd u r i n gt h ee x c a v a t i o no ft h ed e e p f o u n d a t i o np i t s h o w e v e r , t h ep r o b l e m sw em e e ti nt h ea c t u a lp r o j e c t sa r eb e c o m i n g m o r ea n dm o r e a sar e s u l t ，t h i ss t u d yi sv e r yf u l lo fe x p l o r a t o r y t h er e s e a r c ho nt h e e x a m p l eo fe f f e c to nt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to ft h et i a n j i n2c o n n e c t i n gb r i d g e p i l e se x p e c t st op o i n to u tt h ei n d e xs y s t e m ，c o n t r o l l i n gs t a n d a r d sa n dm e t h o d st o d e c r e a s et h ee f f e c t sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep i t ，s oi th a ss o m ea n a l y t i c a l m e a n i n g sa n da p p l i c a t i o nv a l u e s t h ep a p e rs e l e c t e dt h er e p r e s e n t a t i v er e d s t a ts u b w a yt oc a r r yo u tt h er e s e a r c h w o r k t h es u b w a yi so nt h es i d eo fs h u n c h is t a t i o n w eh a v em o n i t o r e dt h es u r f i c i a l a n dd e e pl e v e ls e d i m e n t a t i o no ft h ef o u n d a t i o ne n v i r o n m e n ta n ds h o r i n gs t r u c t u r e ，t h e d i s t o r t i o no ft h ec l o v e r l e a fj u n c t i o nt oo b t a i nt h ev i r t u a lm o n i t o r i n gd a t ao nt h e p r o c e s so ft h ep r o j e c t t h e n ，ih a v ea n a l y z e dt h ep i te x c a v a t i o n c o u r s ew i t h t r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dc a l i b r a t et h ec o m p u t a t i o n m o d u l ew i t ht h em e a s u r e dd a t a t h ep a p e rh a v ep r o b e di nt h ec o n t r o l l i n gf a c t o ro ft h e p i te x c a v a t i o nt ot h es o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dr e s e a r c h e dt h er e g u l a r i t y a tl a s t ，t h e p a p e rg a v et h ed i s t o r t i o ne f f e c tr a n g eo ft h ep i l ei nt h ep r o c e s so ft h ep i te x c a v a t i o n t h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r eo ft h ep a p e rc o u l de x a c t l ys i m u l a t et h ep r a c t i c a l s i t u a t i o no ft h ep i tb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n t h eo u t c o m eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s d o v e t a i l e dp r e f e r a b l yw i t ht h em e a s u r e dd a t aa n dt h ec o n c l u s i o nc o u l db eu s e da s v a l i d l yr e f e r e n c et ot h es i m i l a rp r o b l e m si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n d ，d e e pf o u n d a t i o nd i t c h ，c l o v e r l e a fj u n c t i o np i l ef o u n d a t i o n ， d e f o r m a t i o n ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 莉斗 7 签字日期：文胂7 年 占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 碧爿 导师签名： 签字同期：反司年月牛同签字日期：融月 7 神年 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 城市的建设发展带动了地下空间的开发利用，目前各类用途的地下空间已在 世界各地大城市中得到了广泛的发展，诸如地下停车场、地铁隧道、地下商城、 地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业建筑设施等n 1 。国外著名的地 下工程有法国巴黎的中央商场，美国明尼苏达大学土木与采矿工程系的办公大楼 和实验室，日本东京八重洲的地下街等心1 。这些工程的共同点之一就是都需要进 行大规模的地下开挖。同时，地下工程建设项目的数量和规模还在不断的增大， 如高层建筑物的深基坑：大型管道的深沟槽、越江隧道、跨海铁路的隧道及地铁 工程中的车站深基坑等等。这些地下空间的开发建设，都产生了大量深基坑工程。 并且随着经济的不断发展、技术理论水平的相应提高和施工能力的不断增强，深 基坑工程现已呈现出蓬勃生机的大好发展势头。但是随着基坑工程的数量和难度 的增加，基坑工程事故发生的频率也在增加。根据基坑事故的统计分析，基坑工 程事故发生的频率较高，竟占基坑总数的1 4 以上d 1 ，一旦事故发生，就将会给 人们的生命财产、日常生活、国民经济建设带来不可挽回的损失。因此基坑工程 的研究就显得尤为重要和迫切。 改革开放以来，随着我国经济水平的不断发展和城市现代化建设规模的不断 提高，土地资源的矛盾日益突出，城市地面空间已不能充分满足人们日益增长的 生活和工作需要，向高空和地下争取建筑空间也已成为一个发展趋势和潮流。于 是出现了大量的高层、超高层建筑及大型地下建筑工程设施，这些工程的共同点 之一就是都需要进行大规模的地下开挖。 随着高层或超高层建筑的不断出现，为了满足结构稳定和抗震的需要，同时 也为了更有效地利用地下空间，建筑基础的埋置深度越来越大。在埋置深度范围 以内的地下空间通常以2 - 3 层的较为常见，4 层以上的也有出现，它们作为地下 商场、地下仓库、地下停车场、地下人防工程等，一方面为人们节约了大量的土 地资源，同时也大大加深了深基坑工程设计与施工的难度1 。 最近一些年，随着天津市城市建设的飞速发展、城市道路的改造、及其地铁 l 、2 、3 号线的相继施工，对深基坑开挖所带来的理论革新、技术创新和环境保 护等问题的研究就提上了日程并逐步深入开展起来，同时这些工程项目的建设开 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 工也为理论研究提供了广阔的平台。天津市未来规划的地铁线网长达3 0 0 多公 里，在地铁建设过程中势必会对邻近施工环境造成破坏和并产生一定的后果，比 如因地铁开挖造成的路面开裂破坏、市政管线泄露、周围建筑物倾斜等事故，这 都会给市民的生活和工作带来了诸多的不便和麻烦。因此，基坑工程不仅要具有 稳定性，而且应尽量减小对周围环境造成的影响，例如：周围建筑物的沉降、倾 斜、地下管网的变形等。我国的几个具有地铁的城市( 如上海、北京、深圳等) 由于多年不断的探索和研究，已经具备一整套指导本地地铁施工的监测数据和理 论( 如上海地铁基坑工程施工规程) ，对在施工过程中产生的支护体和环境变 形影响都有严格且合理的规定。天津市目前进行的地铁施工由于缺乏相应的研 究，只能以上海地铁的各项施工参数为依据，但是天津与上海的土层物理力学性 质是有很大差别的，完全照搬上海的经验存在着很大的盲目性，经济上也不合理， 亟需提出适用于本地区的施工安全数值作指导。 1 2 课题的提出及研究意义 本文结合天津地铁2 号线工程开展研究工作。天津市地铁2 号线工程为天津 市东西向的骨干线，西起西青区曹庄，途经广乐道( 规划) 一黄河道一南马路一进 步道一铁路天津站一华昌大街一卫国道，穿过外环线至初期终点李明庄站，正线全 长2 2 7 8 9 k m ，其中线路大部分位于市中心的繁华地区，基坑的最大设计深度超 过1 8 m ，且基坑四周毗邻房屋、道路、及地下管网，这些都对基坑的设计、施工。 提出了很高的要求。为了保证基坑工程的顺利进行，信息化施工成为整个工程的 重要组成部分，在工程中起到重要的作用，因此深基坑开挖对周围建筑环境的影 响在这一工程中表现的尤为突出。特别是部分基坑与城市立交桥相邻，而深基坑 开挖对桥梁稳定性和耐久性的影响更是近年来建设中出现的新问题，研究成果较 少，是随着城市建设的发展新出现的工程问题，此项研究非常具有探索性。所以， 通过深基坑开挖对邻近桥桩的影响这一课题的研究将对以后深基坑的设计、施工 和理论研究有非常现实的指导意义，同时又具有很强的使用价值。 能否预先科学合理地评价地铁隧道和车站施工对邻近桥桩的影响，这不仅仅 会影响到对不同工程措施与控制方法的选取，而且还将直接关系到工程建设的成 本投入和对施工安全度的把握。准确地预测地铁施工对邻近桥桩的损害，、并通过 具体的工艺控制，例如直接控制工作面的变形从而限制地层沉降变形，以达到控 制邻近桥桩变形的目的，将损害减小到最低程度，这本身将带来非常可观的经济 效益，而且节省了邻近施工问题的处理时间，有利于整个工程工期的统筹规划和 统一安排。 天津大学硕十学位论文第一章绪论 本项研究拟提出解决地铁深基坑施工时尽可能减小对邻近桥桩影响的控制 指标体系、控制标准和控制方法等问题，具有一定的理论意义和应用价值。该研 究还为天津市地下铁路建设的长远发展提供了技术储备，同时也为天津市未来线 路地铁深基坑可能带来的工程问题处理提供了理论依据和可以借鉴的控制方法 和控制标准，有助于实现对类似问题处理的流程化、规范化。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 基坑工程的内容和特点 基坑开挖是基坑和地下工程施工中的一个传统课题。同时又是一个综合性的 岩土工程难题，既涉及土力学中强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉 及到土与支护结构的共同作用。对这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力 学理论、计算技术、测试仪器以及施工机械、施工工艺的进步而逐渐完善的嵋1 。 “深基坑 这一概念是2 0 世纪4 0 年代在欧美一些国家出现的。所谓“深基 坑”是指为进行建筑物( 包括构筑物) 基础与地下室的施工而开挖的地面以下的 空间，基坑工程界一般将开挖深度大于或等于7 m 的基坑称为深基坑哺1 。 基坑工程根据其施工、开挖方法可分为无支护开挖与有支护开挖方法。有支 护的基坑工程一般包括以下内容：支护结构、支撑体系、土方开挖( 工艺及设施) 、 降水工程、地基加固、监测环境保护工程口1 。无支护放坡基坑开挖是在施工场地 处于空旷环境的一种普遍常用的基坑开挖方法，一般包括以下内容：降水工程、 土方开挖、地基加固及土坡护面陋1 。 基坑工程具有以下几个特点： 1 基坑工程与自然地质及环境条件密切相关。设计施工中必须全面考虑气 象、工程地质及水文地质及其在施工中的变化，充分了解工程所处的工程地质及 水文地质、周围环境与基坑开挖的关系及相互影响。 2 基坑工程与主体结构地下室的施工密切相关。因此任何基坑设计，在满 足基坑安全及保护周围环境的前提下，要合理地满足施工的易操作性和工期要 求。 3 基坑工程技术综合性强，这要求从事基坑工程的工作人员需要具备并能 综合运用以下各方面知识： ( 1 ) 岩土工程知识和经验 按工程需要提出勘测任务并能对地质勘测报告提供的描述和各类参数进行 研究、分析以合理选用参数进行支护结构的土压力计算，对基坑开挖带来的环境 天津大学硕士学位论文第一章绪论 影响进行较为精确的预估，以及对地质情况变化带来的问题做出正确的判断和处 理。 ( 2 ) 建筑结构和力学知识 能够了解主体结构的设计要求，掌握其与基坑支护、结构的相互关系，处理 好临时支护结构与永久性主体结构的相互关系，以及支护结构和支撑作永久性结 构的技术问题。熟练应用钢筋混凝土结构和钢结构的设计理论和方法，设计各类 支撑体系。 ( 3 ) 施工经验 能够清楚各种地基加固、防水、降水等特种工艺的施工方法、施工流程及相 关设备的选择，能够对各种支护方案进行质量、工期、造价的对比。 ( 4 ) 工程所在地的施工条件和经验 能够根据各地区地质、环境、施工条件的特点因地制宜选择合理的设计施工 方案。在支护结构设计计算时，能够充分考虑并借鉴当地施工条件和经验。 1 3 2 基坑工程的常见问题 随着基坑工程的数量及难度的增加，基坑工程的事故发生频率也在增加。基 坑事故一般表现为支护结构位移过大旧1 、基坑塌方或者滑坡、基坑周边的道路开 裂或者塌陷、基坑周围的地下管网线路因地表沉降位移过大而破坏、相邻的周边 建筑因不均匀沉降等原因而开裂甚至倒塌等等。造成这些事故的主要原因己不再 是支护构件的强度破坏，而是因为支护结构的变形过大。因此城市基坑工程，特 别是软土地区的城市基坑工程正在对基坑工程的设计理论和施工技术提出严峻 的挑战。虽然近年来很多学者和工程技术人员己经在基坑工程设计的变形控制方 面作了很多研究，但在寻找基坑开挖过程中有关基坑支护结构变形、周围地层位 移和邻近建筑变形三者之间关系的规律方面仍然存在很多要解决的问题。 关于基坑开挖对支护结构产生的变形和对周围环境造成的影响，前人做过一 些研究。最有影响的是1 9 6 9 年( p e c k ) 通过工程实测统计得出的一套与土性及开 挖深度有关的地表沉降计算方法n 们u u ；日本的道路规范中也给出了计算基坑开 挖时的地表沉降方法n 们。 侯学渊、刘国彬n 2 1 将基坑变形分为三类： ( 1 ) 墙体变形 墙体变形包括水平位移和竖直位移，基坑开挖较浅且未设支撑时，刚性墙体 ( 如水泥搅拌桩墙、旋喷桩墙等) 和柔性墙体( 如钢板桩墙、地下连续墙) ，均 发生朝向基坑的水平位移，并呈三角形分布，随着开挖深度的增加，刚性墙体继 续发生朝向基坑的三角形分布水平位移或刚体位移；柔性墙体在设置支撑后，墙 - 4 - 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 体水平位移趋于不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部则向基坑内突出。 ( 2 ) 基坑底部土体的隆起 基坑开挖深度不大时，坑底隆起为弹性隆起，特征为两侧隆起小，中部隆起 高，正中隆起最高：开挖达到一定深度且基坑较宽时，坑底土体出现塑性隆起， 隆起量逐渐由中部最大转变为两边大中间小。 ( 3 ) 地表沉降 基坑开挖过程中，作业面上因土体挖出而卸载，由此引起坑底土体产生以向 上为主的位移，墙体支护结构在两侧压力差作用下产生朝向坑底的水平向位移和 土体的跟进变形。可以认为，由基坑开挖引起的周围地层移动主要来自坑底土体 隆起和支护墙体的位移。 1 9 9 8 年俞建霖、赵荣欣、龚晓南发表论文软土地基基坑开挖地表沉降量的 数值研究，文中用有限元法首先就软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最 大沉降量的几个因素进行了系统的分析；还分析了基坑被动加固区的深度和宽度 变化对基坑变形的影响n 朝。 1 9 9 9 年，孙钧教授在市区基坑开挖施工的环境土工问题一文中通过按环 境土力学学科的原理与上海市近年来广为流行的“时空效应”方法，对基坑问题 作分析探讨，并对土层沉降、变形进行理论预测n 削。 陈华根、董荣鑫1 9 9 9 年，在长春科技大学学报上发表了基坑施工时地面沉 降的分析与估算，作者对基坑周边地面沉降监测作了总体性分析。提出用三次 样条曲线拟合法获得地面沉降函数，然后比较函数的相似性，建立地面沉降网络， 由此可求得地面各点的沉降值，从而克服测点的局限性，达到对基坑周边地面沉 降进行全面分析的目的5 1 。 1 9 9 9 年刘长文、陈择凡、李旭东在考虑空间效应的深基坑周围地表沉降分 析中，采用考虑空间效应的土压力计算公式，结合有限单元法，用正态分布曲 线拟合地表沉降曲线，对深基坑周围地表沉降量进行预测，分析了空间效应在进 行深基坑周围地表沉降量计算时的必要性n 引。 2 0 0 1 年3 月，简艳春在其河海大学硕士学位论文中对软土基坑变形估算及其 影响因素进行研究。作者应用有限元分析了一系列软土基坑工程典型实例，根据 计算结果和实测值提出了软土基坑墙后地表沉降的概化分布曲线。按照地层损失 法思路，推导了由支护墙体侧向变形值求解墙后地表沉降的适用公式n 。 段绍伟、沈蒲生对深基坑开挖过程中引起的路面断裂问题进行了研究，并针 对深基坑开挖引起的管线破裂问题进行了详细的探讨，分析了深基坑开挖对地下 管线拉裂破坏的影响n 8 1 。 王翠英、张鸿昌、张文巾研究了在深基坑开挖中深井降水对支护结构土压力 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的影响，详细说明了工程降水在不同土层中对土压力的影响，解释了渗流对支护 结构土压力的影响【1 引。 李俊才、张倬元、许强采用三维快速拉格朗日差分分析方法将支护结构与一 定范围内的土体作为整体，结合基坑实际开挖降水及施工工序，模拟和反映支护 结构体的空间受力特征和变形，并将模拟结果与实测资料进行对比分析，得出了 一些有益的结论【z 引。 张其云、郑宜枫介绍了基坑开挖对周围环境影响研究中引入科学计算可视化 的分析方法。提出采用直接体视的算法来实现基坑工程对周围环境影响的可视化 解决方案坦川。 ，李勇研究了挖除土后的边载使地基承载力降低而危及建筑物的安全问题，就 基坑开挖对紧邻既有建筑物地基承载力的影响作了探讨幢2 1 。 曹孝华、章杨松研究了基坑开挖过程中渗流场和应力场及其导致的地面沉降 和基坑底隆起的规律，对深基坑开挖降水过程中开挖邻近区域地面沉降等变形特 性进行了分析，取得了一定成果1 。 2 0 0 1 年5 月，张莲花在其成都理工学院博士学位论文中运用有限差分法模拟 了基坑降水引起的沉降变形时空规律。对降水引起的沉降进行了研究，提出了沉 降变形的降水最优化设计概念，该文主要关注的是周围地层的沉降心“。 2 0 0 1 年9 月，崔新军、王燕研究了在基坑开挖的过程对工程桩的影响，并且 提出为了避免因挖土高差、土体液化等造成对工程桩的偏移甚至断裂，可采取降 水固结、分层开挖、留坡稳定、施工监测等保护措施。工程结果表明这些措施大 大降低了基坑开挖对桩基的影响程度，从而很好的保护了工程桩胆副。 2 0 0 3 年1 2 月，鲁宏用有限元软件模拟了深基坑开挖对工程桩的影响。研究表 明：软土地基基坑内的工程桩在基坑开挖时将产生变位，在基坑边沿附近应防止 坑内工程桩的倾斜，在基坑开挖中心应防止坑内工程桩的隆起，从而保证基坑开 挖的顺利进行，保证桩基础不产生太大的变位而影响正常施工1 。 2 0 0 6 年1 月，徐情根、徐醒华、梁朝晖等研究了深基坑开挖对坑底桩基的影 响，提出合理安排施工顺序和施工工艺对控制桩基变形有很重要的作用，并指出 建筑物基坑底土体回弹对桩基变形有很重要的影响乜利。 2 0 0 5 年7 月，周沈松研究了超深基坑开挖对侧旁建筑物桩基影响分析，指出 在基坑开挖过程中加强基坑支护结构的刚度，限制开挖时土体侧向变形，可以很 好的减小基坑开挖对侧旁桩基础的变形，说明基坑周围土体的地表沉降和侧向变 形对基坑侧旁的桩基变形有很好的控制作用幢8 l 。 2 0 0 5 年4 月，杨敏、周洪波、杨桦采用三维弹塑性有限元法，模拟无支撑基 坑开挖与临近桩基的相互作用。对比分析了临近桩基对基坑开挖所引起土体变形 天津大学硕士学位论文第一章绪论 场的影响，并讨论了基坑的空间效应、开挖深度、支护墙刚度、桩基和基坑距离、 桩基刚度和桩头约束条件等因素对临近桩基附加侧向位移和弯矩的影响，得出了 一些有意义的结论，可为分析基坑开挖对临近桩基影响时提供一定的理论指导 f 力】 0 综上所述，目前基坑变形研究的方法基本上有以下几种：原型观测、数值模 拟、理论分析、经验公式等几种旧们。 数值方法主要是采用有限元法和有限差分法，模拟基坑工程的全过程。通过 应用不同的本构模型可以模拟土体的弹塑性变形、土体流变、排水固结等性质， 也可以比较好的模拟开挖卸载、支撑预应力等实际的施工工艺，但是这种模拟主 要集中于基坑支护结构变形和周围地层沉降。 非数值方法往往是在某些理论假设的基础上，通过对原型观测数据或数值模 型计算结果的拟合分析得到半经验性结论，或者直接由大量原型观测数据提出经 验公式。 计算理论目前主要用于求解墙体侧向位移和基坑墙后地表沉降。主要方法有 有限元法、地层损失法、抗隆起安全系数法等n 。 ( 1 ) 有限元法：可直接解得墙体侧向位移和地表沉降及深层沉降，并能较 好的模拟土的各种性质。 ( 2 ) 地层损失法：这是一种半经验方法，该法假设地表沉降盆面积和墙体 侧向位移扫过的面积有定量关系，并根据大量实测和计算数据提出假设的地表沉 降分布曲线，从而由己知的墙体侧向位移求得地表沉降。 ( 3 ) 稳定安全系数祛：该法是一种基于有限元法和工程经验的简化方法。 该法认为坑底抗隆起稳定安全系数与墙体最大侧向位移和地表最大沉降对开挖 深度的比值有定量关系，从而解得最大墙体位移和地表沉降最大值。 通过对基坑变形研究现状的了解和分析总结得到，影响基坑周围土体和建筑 物、构筑物变形的因素很多，可归纳为八个方面： ( 1 ) 基坑长度、宽度、深度 ( 2 ) 土的工程性质 ( 3 ) 地下水条件 ( 4 ) 基坑暴露时间 ( 5 ) 支护和支撑系统 ( 6 ) 开挖和支撑顺序 ( 7 ) 临近结构和设施 ( 8 ) 活荷载 结合本课题的研究内容，在基坑开挖过程中对基坑周围土体和构筑物( 桥梁 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 桩基础) 的变形影响因素中，支护结构的水平位移对周围地面和构筑物的沉降影 响最大，而影响支护系统位移的主要因素包括：支撑系统的类型、刚度；挡墙的 埋置深度；预加荷载的大小；基坑挖土工艺及其相关的施工方法；并且桥桩距基 坑的距离是桥桩受基坑开挖的主要影响因素之一。 1 4 本文的主要研究工作 1 4 1 研究内容 本文结合当前天津地铁建设的现状，考察基坑开挖对附近桥梁造成的不利影 响和安全隐患，解决生产实践中提出的相关技术问题，制定出相应的安全控制技 术标准。拟进行以下几方面的研究工作： 1 选取具有一定代表性的车站，如天津地铁2 号线红星路站，进行基坑开挖 的监控量测，收集相关的数据资料并进行整理。 2 建立模拟地铁基坑开挖施工过程的有限元分析模型，模拟计算基坑开挖 过程中支护结构的内力与变形，将计算结果与实测数据相互校准，确定出较能反 应实际情况的计算参数，已备进一步分析使用。 3 以上一步的研究成果为基础，建立基坑和邻近立交桥桩基础组成的有限 元计算模型，进行基坑开挖过程中桥桩的受力和变形分析，预测地铁施工对邻近 桥桩引起的附加应力和附加变形，总结规律性。 4 提出基坑开挖中对桥桩变形的控制标准和措施。 1 4 2 研究目标 1 结合地铁2 号线桥桩邻近施工工点的实例，研究地铁深基坑开挖施工对邻 近桥梁桩基础承载力和变形的影响，分析总结规律性。 2 根据现有的工程技术条件和上述研究分析，总结天津地区地铁深基坑施 工的控制指标、控制标准、与控制措施的指导性建议，从而为天津地区此类工程 设计和施工提供较为有针对性的参考依据。 1 4 3 研究路线 1 调查地铁2 号线典型工点邻近桥桩的相关资料。尤其是桥桩的设计荷载以 及允许极限承载力和变形。 2 布置地铁基坑施工中的典型变形和沉降观测断面，监测基坑开挖中支护 结构、周边地下和地表的变形和沉降以及桥梁桩基础的变形情况。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 建立模拟地铁基坑开挖过程的有限元分析模型，应用实测数据校准计算 模型。 4 建立车站和邻近立交桥桩组成的相互作用的有限元计算模型，进行地铁 施工过程中桥桩的受力和变形分析，预测开挖扰动在邻近桥桩内所产生的附加沉 降与附加荷载。 5 在以上两步合理分析的基础上，研究基坑开挖对邻近桥桩受力和变形影 响的规律性。 6 进行实测数据的反馈分析，并结合预测结果，确定减小桥桩因附近深基 坑开挖而产生沉降变形的指标，即地表最大沉降变形量和日均变形速率的目标控 制值。 天津大学硕士学位论文第二章工程实测数据整理分析 第二章工程实测数据整理分析 本文的研究工作紧密结合天津地铁2 号线的建设，因红星路车站毗邻顺驰立 交桥为本文的研究工作提供了有利的工程背景。本章将重点整理和分析该工程的 实际监测数据。 2 1 工程简介 天津市地下铁路2 号线工程为天津市东西向的骨干线，西起西青区曹庄，途 经广乐道( 规划) 黄河道一南马路进步道铁路天津站华昌大街卫国道，穿过外 环线至初期终点李明庄站，正线全长2 2 7 8 9 k m ，其中过渡及地面线路长1 3 7 k m ， 设1 8 座地下车站和1 座地面站。起终点分设曹庄停车场和李明庄车辆段。线路 连接了西青区、南开区、和平区、河北区、河东区和东丽区六个行政区。 红星路车站位于天津市河东区华昌大街北侧，大部分在道路红线外，车站为 地下双层岛式结构，站台宽度1 0 m ，车站长度2 3 0 m ，标准段宽度1 7 3 m ，车站 中心里程为c k l 4 + 4 8 3 9 1 4 。红星路站共设四个出入口、2 组风亭，站区范围挖 深1 5 5 1 5 6 m ，拟采用地下连续墙维护结构，墙厚8 0 0 m m ，标准段地连墙长度 2 8 m ，盾构井墙长3 1 5 m 。横撑采用0 6 0 9 钢管，圆柱型，中空，标准段采用四 道支撑，端头井处采用五道支撑。出入口、风道的开挖深度约1 0 m ，施工工艺为 s m w 工法，均采用明挖法施工。 在红星路车站的东南侧有顺驰立交桥从其附近通过，而本文研究的重点就是 地铁深基坑开挖对附近桥桩的变形影响。顺驰立交匝道为5 2 5 m 预应力混凝土 连续箱梁，采用满堂支架施工，立交桥桥桩距离地铁基坑最近大约为2 5 m 。全桥 共分5 2 个单元，5 3 个节点。混凝土等级为c 5 0 ，弹性模量为3 5x1 0 4 m p a ，密 度为2 5 k n m 3 ，设计荷载为城“，使用年限为5 0 年。 立交桥设计基本参数： ( 1 ) 桥两分跨为2 3 m + 2 5 m + 2 3 m + 2 0 3 3 6 m ( 2 ) 桥梁宽8 m ，梁高1 5 m ( 3 ) 设计荷载： 梁自重，按材料容重2 5 k n m 3 计。 二期荷载，按5 0k n n - i 3 计。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章工程实测数据整理分析 温度应力：顶底板温差5 。 汽车荷载：城a ，按单向2 车道计算。 动力系数：1 + = 1 + 面2 而0 ( l 为跨度，单位m ) 桥桩断面为矽= 1 5 0 0 m m 的圆形截面，桩长为3 0 m ，桥墩截面尺寸为1 6 0 0 x1 2 0 0 m m ，桥墩及承台构造见图2 1 和2 2 。 承台 图2 1 承台平面图 薤f 图2 - 2 立面图 厶 口 桩 梁 天津大学硕士学位论文 第二章工程实测数据整理分析 2 2 地质勘察资料 该施工场地平坦，土层分层明显，场地土类型为中软一中硬场地土，场地类 别为i i i 类。场地地基土从上至下依次为： ( 1 ) 第四系全新统人工填土层( q m l ) 黄褐色杂填土 ( 2 ) 新近沉积层( 坑底淤积q 4 3 n s i ) 褐灰色淤泥质粘土 ( 3 ) 第1 陆相层( 第四系全新统上组河床河漫滩相积层q 4 3 a 1 ) 粉质粘 土褐黄色粉土 ( 4 ) 第1 海相层，( 第四系全新统中组浅海相积层q 4 2 m ) 灰色粉质粘土 灰色粉土灰色淤泥质粉质粘土 ( 5 ) 第1 i 陆相层( 第四系全新统下组沼泽相积层) ( 6 ) 第1 i 陆相层( 第四系全新统下组河床河漫滩相积层q 4 1 a 1 ) 灰黄色 粉质粘土褐黄色粉土褐黄色粉砂 ( 7 ) 第陆相层( 第四系上更新统五组河床河漫滩相沉积q 3 e a l ) 黄褐 色、褐黄色粉质粘土褐黄色、黄色、灰黄色粉土褐黄色粉砂 ( 8 ) 第1 i 海相层( 第四系上更新统四组滨海一潮汐带相沉积q 3 d m c ) 灰黄色、 灰色、黄灰色、灰黑色粉质粘土 ( 9 ) 第陆相层( 第四系上更新统三组河床河漫滩相沉积q 3 。a 1 ) 黄褐 色、褐黄色、灰黄色、灰褐色粉质粘土褐黄色粉土黄褐色、褐黄色粉砂黄 褐色、褐黄色粘土 该场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第1 i 陆相层中及其以下 粉砂及粉土层中的地下水具有微承压性，为微承压水。地下水埋藏较浅，勘测期 间地下水埋深o 5 1 8 m ( 高程0 3 1 4 9 m ) ，主要赋存于第1 海相层的粉土、粘 性土与粉土互层的底层中，含水层水平，垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹 有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。水位变幅1 呲o m ，地下水主要补 给来源为大气降水。 根据该工程的地质勘察资料，地基土的土层情况及相应的物理力学指标可总 结如表2 1 。 n 一 瑚： 蒿8 术 ho h o夺n小小 h 口、。 l n 寸 l n 口 一 n n n n nnn 一一 n n 一 件 蒸 ，薯 n h n i 寸 十 蝌 嗤 基 山 脚山口 山 n t - - 口h 一 西 n n 目 燃 n 寸 n nr - -口 i n 援 藿e 。 n 寸 h 1 寸on o o目 口 0 0 nn f 4n no nn n 昱 囊 u 垦 n oo 0 0 l - -n 西 n n 一 西 一 n n n 土j 小i no 一 o n 荨 口o岛 一 导n西 i n 一 o r寸 l - 口暨 d 寸 n寸 o 。o 。o。 l -hr - - o t - - - j o o oo o h 鬈茔量 h0 0 nh 一 a均 口 小 苫 一 甘 骠 嚎 z 一 a nh。0 0 寸 o口 小 “ 0 0昏 一 一 、。口口寸寸i n 一 一 l n 出 嫡 翼娄童 心n口 一 寸口nt n a a西昏 o oo蚤o o 一 一一一 h n nn 一n r , 4 帐 裂 由 n n l n i n n n 2 r qn 高 罱 惺 一 托 鸣 峥1 叼 龟 峥 “ o 吗 一 一“ n n 吨 2 璺 一 里2 n 1要i c - 4 辎 2 宁 f 1 ni n 竺 一 n 一 = nn 1殳 “ 叼寸t o 9 邻 0 0 c ； o 宁彳t2= 叮竺- h 匿n 型 9 n n i n h 哩 nn9也 t - - - 乏 i n ? i nc 又 号 i n ? 一 一 蹬 荨 _ 二 穹 c ；一 。 o 毒 ? 1 q ?0 n 一 t - -、。 _ _ _ o 一 o 噬 一一o 刊 刊 刊 刊 # 隧 刊槊 刊 喀 刊叫刊 刊 野塌 #刊摆刊 宾 撂柩 叫 金捶州念 谣熙 实 螟 集 慑 蜒 窭档 咚 杂杂 弈豁 熙 窭实窭 毽 毽 驴 骠 一 - 一 n 一 _ n一n 踏 圆e _ 蠖孵扑r剐s越梧求噬州【in搽 塔求剐谢寒暴露林裂h褂拣 议秘掣扑_千醪扑k赞k oo oi n口 n n昏 t q nn 一 n 鼍 。 ，1 目 一 t qn o o o n h 0 0 小“寸h 岛 葛 一 a0 0 l nh 6 o o oo 心 寸 一 也 蚤 v 、 v 、 。 一一 一 nn卜 o oooa n n n n 一 口i nnn 1寸 啦 l n n l n t - nmn n n f n n一hu 、 寸气 oq q n 寸 q q q q q n 甘 o hh h 占 2 l n 2 v 、 l i n 6 昏 一 寸 o 一 o 叫刊 据挺 刊刊州 龌螟 察 宴蜜 杂套 一 _n 1 【由僻蝼 塔求副群骧籁孱林驰工料=二拣 权袋迥貅书器扑k特怅 天津大学硕士学位论文第二章工程实测数据整理分析 2 3 断面选择及测点布置 由于基坑各个断面土体开挖参数具有相似性，为了便于研究，选择基坑中部 的断面( q 5 断面) 和东段断面( q l o 断面) 埋设测斜管，并在相应的断面上布 置地面沉降观测点，进行重点监控。基坑断面俯视图及测点布置图如图2 3 所 示。 o f 1 - 2 盒o 眦 - 地连墙测斜测点 ：o f 1 3 a o f 2 3 桥桩位移沉降测点 4 a ：篡= 点三弋劳s q n 二基4 量i i ，吣an a 6 e 土体分层沉降点 a 。u 。o 0 5 。7 顺驰立交桥墩 a 0土体测斜点 一 a 2 4 监测数据整理 图2 3 红星路车站基坑测点布置图 在实际监测过程中随基坑开挖的进程每天测量q l o 断面和q 5 断面的土体分 层沉降、地连墙侧移和地表沉降。基坑东南侧即为顺驰立交桥，由于基坑开挖造 成的地表沉降有可能对桥梁的基础产生不利影响，为了观察基坑开挖过程中桥梁 的变形，在立交桥的桥墩上设置沉降观测点，在基坑施工的过程中对其进行了变 形观测。观测数据分别按标准段和端头井分不同工况进行整理。该工程标准段设 置四道支撑，端头井设五道支撑，按照挖土和施工支撑的进程及具体施工情况划 分为如下工况： 标准段： ( 1 ) 工况一：挖第一层土，打第一道支撑，本工况挖土深度为地表以下0 o 1 o m ，第一道支撑的位置为地表以下0 5 m ，5 月2 5 日完成。 ( 2 ) 工况二：挖第二层土，打第二道支撑( 5 月2 6 日7 月5 日) ，本工况 1 5 天津大学硕士学位论文第二章工程实测数据整理分析 挖土深度为地表以下1 o m - - 一4 5 m ，第二道支撑的位置为地表以下4 0 m ，7 月5 日完成。 ( 3 ) 工况三：挖第三层土，打第三道支撑( 7 月6 日7 月7 日) ，本工况 挖土深度为地表以下4 5 m - 一8 3 m ，第三道支撑的位置为地表以下7 8 m ，7 月7 日完成。 ( 4 ) 工况四：挖第四层土，打第四道支撑( 7 月7 日7 月1 0 日) ，本工况 挖土深度为地表以下8 3 m 1 1 9 m ，第四道支撑的位置为地表以下1 1 4 m ，7 月 1 0 日完成。 ( 5 ) 工况五：挖第五层土，浇注底板( 7 月1 1 日 - - 8 月1 0 日) 底板的位置 为地表以下1 6 0 m ，8 月l o 日完成。 图2 - - 4 为红星路车站基坑标准段支撑布置示意图。 t ，l 毕套夯、 暑 毒3 5 m 口 四道支撑 。03 8 m h 广 韭6 m 暑 r j n 、 1 7 3 m j 图2 4 红星路车站基坑标准段支撑布置示意图 端头井段： ( 1 ) 工况一：挖第一层土，打第一道支撑，( 3 月2 3 日3 月2 4 日) 本 工况挖土深度为地表以下0 o 1 o m ，第一道支撑的位置为地表以下0 5 m ，3 月 2 4 日完成。 ( 2 ) 工况二：挖第二层土，打第二道支撑，本工况挖土深度为地表以下l - o m 4 4 m ，第二道支撑的位置为地表以下3 9 m ，3 月2 5 日完成。 ( 3 ) 工况三：挖第三层土，打第三道支撑，( 3 月2 6 日3 月2 9 日) 本 工况挖土深度为地表以下4 4 m 7 6 m ，第三道支撑的位置为地表以下7 1 m ，3 月2 9 日完成。 ( 4 ) 工况四：挖第四层土，打第四道支撑，( 3 月3 0 日4 月1 0 日) 本 工况挖土深度为地表以下7 6 m - 一1 1 6 m ，第四道支撑的位置为地表下1 1 1 m ，4 月1 0 日完成。 ( 5 ) 工况五：挖第五层土，打第五道支撑，( 4 月1 1 日4 月2 6 日) 本 工况挖土深度为地表以下