（岩土工程专业论文）地铁车站深基坑稳定性现场监测及数值模拟研究.pdf

硕士生：秦杏春( 签名)糊r 指导老师：任建喜( 签名) 厶配丝 摘要 地铁车站深基坑稳定性评价及其破坏模式研究是岩土工程中的重要课题之一，开展 地铁车站深基坑稳定现场监测及数值模拟研究具有重要价值。本文以北京地铁奥运支线 森林公园站北区基坑为工程背景，采用理论研究、现场监测和有限元模拟相结合的方法， 对车站深基坑稳定性及其支护体系变形规律进行了分析。主要工作及结论有： ( 1 ) 分析了深基坑变形机理及其稳定性影响因素，给出了控制深基坑变形的主要措 施。结果表明：影响深基坑稳定性的主要因素包括工程地质与水文地质条件、基坑规模、 土压力、支护结构设计方案及施工组织合理性等。为保证基坑及周围建筑物的安全，应 选择合理的基坑支护类型、优化支护设计参数、开展信息化施工。 ( 2 ) 完成了森林公园站北区基坑支护方案及监测方案的设计，对基坑的支护结构变 形规律进行了现场监测研究。通过对监测数据的分析，得到了基坑施工过程中围护桩的 变形规律、桩体内钢筋受力特征以及钢支撑轴力随基坑开挖深度和时间的变化规律。结 果表明：基坑施工过程中每层土开挖完毕到施加该层钢支撑这段时间以及钢支撑拆除过 程是最不利时期，为保证基坑稳定，应尽量减小基坑无支撑暴露的时问。 ( 3 ) 建立了森林公园站北区基坑的有限元分析模型，考虑基坑的实际施工过程，将 桩体水平位移计算结果与实际监测结果进行对比，二者吻合较好，验证了所建模型的正 确性。 ( 4 ) 采用弹塑性有限元法分析了下级基坑开挖对上级基坑变形的影响特性，探讨了 基坑分层开挖的层数、支撑与开挖的顺序、围护桩刚度和入土深度、钢支撑层数和架设 的位置、钢支撑的预应力值以及基坑底部的抗拔桩对地铁车站深基坑稳定性的影响规律。 关键词：地铁车站；深基坑；稳定性；现场监测；数值模拟 研究类型：应用基础研究 s u b j e e t ：s t u d yo nt h es t a b i l i t yo fd e e ps u b w a ys t a t i o np i tb yi n - s i t u m o n i t o r i n ga n d l q u m e r i e a ls i m u l a t i o n s p e c i a l t y ：g e o t e e h n i e a le n g i n e e r i n g n a m e ：q i nx i n g e h u n i n s t r u c t o r ：r e n , i i a n x i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h es t u d yo nt h es t a b i l i t ye s t i m a t ea n dt h ef a i l u r em o d e lo f d e e ps u b w a ys t a l j o np i ti s0 1 1 e o ft h ei m p o r t a n ts u b j e c t si ng e o t e e h n i e a le n g i n , x - r i l l g i ti sm o s tv a l u a b l et or e s e a r c ht h e s t a b i l i t yo fd e e ps u b w a ys t a t i o np i tb yi n - s i t um o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do n t h en o r t hp i to fs e n l i np a r ks t a t i o no f b e i j i n go l y m p i cs u b w a yb r a n d a , t h es t a b i l i t ya n dt h e d e f o r m a t i o nl a w so ft h es u p p o r ts y s t e mo fd e e ps u b w a ys t a t i o i lp i ta i es t u d i e dw i t ht h e m e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i n - s i t um o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nj o b s a n dc o n c l u s i o n sa 船f o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h es t a b i l i t yi n t l u e n e i n gf a c t o r so fd e e pf o u n d a t i o n p i ta 坞a n a l y z e d , a n dt h em e t h o d so fr e d u c i n gd e f o r m a t i o n 黜g i v e ni nt h i sp t l p e r ot h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a i na f f e c t i o nf a c t o r so fs t a b i l i t ya r ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le o n d i t i o ma n d l a y d r o l o g i e a lg e o l o g i c a le o n d i t i o m ，t h e a l eo f t h ed e 印f o u n d a t i o np 砘t h es o i lp i 璐t h e r a t i o n a l i t yo fs u p p o r ts c h e m ea n dc o n s n u c d m a n a g e m e n tp l a n t h er e a s o n a b l es u p p o r ts t y l e a n ds c h e m ea n dt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o ni l l c t l l o ds h o u l db et a k e nt op r o t e c tt h es a f e t yo f d e e pf o u n d a t i o np i ta n da d j a c e n ts t r u c t u r e ( 2 ) t h es u p p o r ts e l a e m ea n dt h em o n i t o r i n gp l a no ft l a en o r t hp i to fs e n l i np a r ks t a t i o n a i g i v e ni nt h i sp a s oa n dt h ed e f o r m a t i o nl a w so fi t ss u p p o r ts y s t e m 瓣r e s e a r c h e db y m o n i t o r i n g t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t a , t h ed e f o r m a t i o na n d 翻眵sl a w so f r e t a i n i n gp i l e s , a n dt l a ei n f l u e n c eo l d t h ef o r c ei ns t e e ls l l p p o l tb ye x c a v a t i n gd e p t ha n dt i m e 眦 r e s e a r c h e d f i n a u y , t h ew e a k e s tt i m eo fe x c a v a t i o ni sd e f i n e da n dt h ea d v i c eo ft r y i n gt o r e d u c et h eu n s u p p o r t e dt i m ei sg i v e nt op r o t e c tt h es a f e t yo f , t e o pf o u n d a t i o n p i t ( 3 ) i no r d e rt os t u d yt h ea f f e c t i o nf a c t o r so fs t a b i l i t yo ff o u n d a t i o np i tb e t t e r ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h en o r t hp i to fs e n l i np a r ks t a t i o nh a sb e e nf o r m e d c o n s i d e r i n gt l a e e x c a v a t i o ns l l p p o l tp r o c e s so ff o u n d a t i o np i t , t h ec a l c u l a t i o ni sm a d ea n dt h er 因1 l t so f d e f o r m a t i o no fp i l e sa r ec o m p a r e dw i t hp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t t h ef o r m e ri sc o n s i s t e n tw i t h t h el a t t e r , s ot h em o d e li sr e a s o n a b l e ( 4 ) ms t a b i l i t yi n f l u e n c i n gf a v o r so fd e e ps u b w a ys t a t i o l lms u c h 笛e x c a v a t i o ns t e p s ， t h eo r d e ro f e x c a v a t i o na n ds u p p o r t , t h es t i f f n e s sa n dt h ee m b e d d e dd e p t ho f p i l 嚣，t h en u m b e r a n dt h es t a t i o no fs t e e ls u p p o r t ，p e r f o r c e , a n dt h eu p l i f tp i l e s 躺d i s c u s s e d t h ed e f o r m a t i o n l a w so f u p p e rh a l f f o u n d a t i o n p i tc 锄_ l s c db ye x c a v a t i o no f t h el o w e rh a l f f o u n d a t i o np i ta 船a l s o s t u d i e d k e yw o r d s ：s u b w a y s t a t i o n d e e pf o u n d a t i o np i t s t a b i l i t y i n - s i t um o n i t o r t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a ls t u d y 压要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：斛日期：夕。争，讨 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：黼 指导教师签名：( 磁 d 7 年参月) f 日 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 改革开放以来，随着我国经济建设的飞速发展和城市化进程的加快，城市地面空间 愈加紧张，日益要求开发城市三维空间。综观当今世界，有识之士已把地下空间开发利 用作为解决城市资源与环境危机的重要措施，是实现可持续发展的重要途径【1 1 。目前， 各类用途的地下空间数量和规模发展迅速，诸如高层建筑多层地下室、地铁、地下商业 街、地下仓库、地下电厂及其它各种地下民用、军事和工业设施等的建设正是这种发展 趋势的必然结果。地下工程丰富了人们对生存空问的需求，提升了人们生活与工作的质 量。地下空间的开发利用已成为当前城市建设进程中一个重要的课题。大量兴建的高层 建筑和地下工程必然带来大规模的基坑工程，由于许多基坑工程位于繁华城区内，周围 环境条件苛刻，基坑支护不仅要保证边坡稳定，还要满足变形的要求，以保证周围建筑 物、地下管线、道路的安全。所有这些，促进了我国基坑支护技术的发展，深基坑支护 技术成为8 0 年代以来人们普遍关注的热门课题。 基坑工程是地下建筑设计施工中内容丰富而易于变化的领域，是一门综合性很强的 学科，它涉及工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土 与支护结构共同作用以及环境岩土工程等多门学科闭，在理论上需要进一步的发展和完 善。实践表明，由于地层构造错综复杂，如果设计与施工管理不善，立即可以使基坑周 围土体失稳造成建筑物开裂、地下管网断裂等，严重破坏基坑周围环境，延误工期，甚 至使一个技术问题转化为社会问题，造成巨大经济损失和不良影响。关于基坑的稳定性、 支护结构的变形和受力以及周围地层的沉降和水平位移对其周围建筑物和地下管线等影 响的计算分析，目前尚不能得出定量的准确的结果。但是，定量的准确的计算结果对解 决实际工程问题有着非常重要的指导意义。经典的土力学已不能完全满足基坑工程的要 求，考虑应力路径的作用、土的各向异性、土的流变性、时空效应以及土与支护结构共 同作用的计算理论和数值方法越来越引起基坑工程专家们的重视。利用数值方法模拟分 析，将分析结果与现场测试相结合，不断优化设计和施工理论，积累设计和旖工经验， 才能更好的解决基坑工程问题，使基坑设计在安全的前提下同时还满足造价节约、施工 方便、工期缩短的要求。 随着我国成功申办2 0 0 8 年奥运会，北京地铁建设发展非常快。其中，北京地铁奥运 支线是远期地铁八号线的一段，是唯一直接进入奥运中心区的地铁线路。奥运支线进入 奥林匹克公园中心地区，穿过国家体育场和国家游泳馆之间的广场，沿中轴线广场继续 向北，经成府路、中一路、大屯路、北一路、辛店村路后，止于森林公园内规划的奥运 西安科技大学硕士学位论文 湖南岸，由南向北设熊猫环岛站、奥体中心站、奥林匹克公园站、森林公园站四座车站。 奥运支线的四座车站以及明挖区间均采用明挖法施工，其中面临的重要问题为深基坑问 题。虽然对基坑稳定性的研究已经取得了许多成果，但由于基坑工程的区域性很强，是 一个非常复杂的系统工程，因此仍需对区域性基坑的变形规律与影响因素及控制措施继 续研究。本文就针对北京地铁奥运支线森林公园站北区基坑工程进行现场监测和有限元 模拟研究，本文的研究对奥运支线乃至北京地铁其它线路的顺利修建具有非常重要的意 义。 1 2 深基坑工程的发展概况及研究现状 1 2 1 深基坑工程的发展概况 基坑开挖与支护是一项古老而又独具时代特点的岩土工程问题，其历史可追溯到远 古时代的放坡开挖与简易的木桩围护 3 1 ，人类土木工程活动促进了基坑工程的发展。2 0 世纪4 0 年代t c r a g h i 和p e c k 等对开挖问题提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的 总应力法，这一原理一直沿用至今，只不过有了许多改进和完善。5 0 年代b j e i t u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使 用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了对基坑变形和受力预测的准确性。 我国在2 0 世纪7 0 年代以前的基坑都比较浅，上海高层建筑的地下室大多埋深在4 米左右。北京在7 0 年代初建成了深2 0 米的地铁区间车站。8 0 年代在改革开放政策的指 引下，基本建设蓬勃发展，高层建筑不断涌现，相应的建筑基础的面积和埋深不断增加， 这时我国开始逐渐重视深基坑设计和施工领域的研究，并逐渐应用于实际工程。进入 年代后人们对三维立体化空间的需求不断增长。一方面城市高层建筑成为发展趋势，建 筑基坑越挖越深；另一方面，地下空间的开发利用已成为发展方向之一，地铁、地下商 场、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。基坑开挖与城市建设密集、地下管 线众多、建设场地狭小、周围环境要求高等不利因素的矛盾更加突出，全国各地的科研 机构、设计和施工单位，在学习国外先进理论、借鉴国外先进技术的基础上，积极开展 了基坑工程的理论研究。 2 l 世纪，随着计算机技术的不断进步、基坑测试技术的不断提高，基坑工程进入了 一个快速发展的时期，各种新的设计理论和先进的测试技术不断地被应用于基坑工程中 计算机技术的迅猛发展为在基坑开挖中利用数值方法奠定了基础，有限元作为数值计算 中应用最广泛的一种方法，日益显示出其强大的生命力，使基坑开挖理论的研究得到了 进一步的发展。而基坑工程监测技术的进步，加速了基坑工程中信息化施工的进程，反 过来又迅速提高了对基坑工程设计方法和理论的认识，基坑工程的设计原则正从强度破 坏极限状态向着变形极限状态控制发展。值得一提的是，原上海地铁总公司的刘建航院 2 l 绪论 士和同济大学侯学渊教授借鉴国外学者的研究成果和研究方法的经验，并紧密联系上海 基坑工程的实际，通过引入施工工序和施工参数作为必须的设计依据，提出了考虑时空 效应的预测基坑挡墙内力和变形的设计计算理论以及相应的施工工艺【4 l 。该理论在上海 软土深基坑工程实践中取得了很好的成果 5 1 。近年来国内外学者针对土体各向异性对基 坑抗隆起稳定性的影响也开展了深入研究 6 - 1 4 1 。 1 2 2 北京地区深基坑工程围护现状 北京地区属于第四纪冲击平原，主要地层情况为：人工堆积层，包括房渣土、碎 石填土和粘质粉土、粉质粘土、填土，厚度为1 0 6 o m ，部分能达到1 0 o m 以上； 枯质粉土、粉质粘土或砂质粉土互层，厚度达5 0 1 0 o m ：砂砾卵石层；粘质粉土 或粉质粘土层。从地域分布看，东部以填土、粘土粉土、砂层为主，西部以填土、砂层、 卵石层为主，中间夹有粘土粉土，与软土地层相比，土层条件相对较好，对基坑支护有 利。基坑支护范围内地下水主要有三层，第一层为上层滞水，埋藏在填土层和粘土粉土 层中，主要受大气降水和管线渗水的影响，北京城区地下管线众多，尤其是污水、上水 和热力管线的漏水，对基坑支护影响较大；第二层为层间潜水，埋藏在粉土层和砂层中， 一般在地下l o 1 5 m ；第三层为承压水，埋藏在砂层和卵石层中，一般在地下2 0 m 以下。 基坑支护时一般均采取降水措施。 北京地区由于用地紧张，基坑工程数量多，规模大，有些基坑的开挖深度超过了2 0 m ， 基坑支护技术得到快速发展，支护形式也是多种多样，北京典型的基坑工程实例如下所 述。 北京地铁五号线蒲黄榆车站位于北京市丰台区繁华的蒲黄榆主路下，周边建( 构) 筑物和管线较多，其中东北明挖风道长5 4 7 m ，北面和西面与暗挖风道相接，东面和西 面不对称。基坑东侧紧邻双林房地产高层建筑施工基坑，间距为5 5 7 m m ，西侧为繁华的 蒲黄榆主路辅道，车流及人行较多。基坑东侧辅道下有8 0 0 m m 雨水管及4 0 0 0 x 2 2 0 0 r a m 的热力管沟和# 4 0 0 m m 上水管。东北明挖风道基坑开挖深度为2 1 4 m ，基坑宽度标准段 为1 1 2 8 m ，与暗挖风道相接段开挖宽度为1 1 8 m 。该基坑的支护结构共有三部分组成： 地面以下5 5 m 范围采用土钉墙；下部基坑西侧钻孔灌注桩长2 1 5 0 m ，东侧钻孔灌注桩 长1 4 o o m ，均为疏排的1 0 0 0 m m 钻孔灌注桩，间距为1 3 m ，桩间采用锚喷支护，基坑 西侧设四道支撑，上边两道采用锚杆支撑，下边与基坑东侧间设两道# 6 0 0 m m 钢管支撑； 基坑南侧采用四道锚杆支撑，基坑端头设两道斜撑。在该基坑的施工过程中进行了监测， 监测结果反应支护方案可行，施工过程控制严格，未出现超限测点 t s l 。 北京城铁东直门站是地铁1 3 号线的终点站，位于北京东直门外、东二环路与东直门 外大街交叉路口东北角，呈南北走向，是一座单层的地下车站，为框架结构，采用明挖 法施工，地下二层为地铁车站，地下一层为枢纽人流层，与拟建的东直门交通枢纽、机 3 西安科技大学硕士学位论文 场高速铁路及地面开发合建在一起，车站总建筑面积为1 6 2 6 9 6 m 2 。本工程于2 0 0 1 年8 月开工，2 0 0 3 年l o 月竣工。车站主体结构基坑南北长约1 6 0 m ，东西宽约7 2 m ，深1 6 1 m 。 基坑支护在北侧、西侧和南侧采用8 0 0 m m 的护坡桩加两道锚杆的型式，东侧采用放坡 加土钉的型式。锚桩支护结构的挡土结构采用8 0 0 r a m 、间距1 4 m 的钻孔灌注桩，外拉 系统采用两排锚杆，上层锚杆长2 2 m ，下层锚杆长1 9 m ，间距各为1 4 m ，锚固段上层长 度为1 5 0 m ，下层为1 4 0 m ，自由段上层长度7 0 m ，下层5 0 m 。基坑到居民楼和二环路 的距离分别为2 2 m 、3 0 m 。监测结果发现基坑支护结构的位移和内力、周围土体的土压 力及相邻建筑物的变形均在允许的范围内，表明支护结构设计方案及采用的施工方法是 合理的【1 6 1 。 北土城东路站为北京地铁5 号线和1 0 号线的换乘站，位于惠新西街与土城北路的十 字交叉路口5 号线为地下双层5 跨( 3 跨) 岛式结构车站，总长2 0 0 2 m ，基坑最大挖 深1 8 9 m ，顶板覆土厚度约4 1 m 。1 0 号线为地下单层四跨侧式结构车站。5 号线主体基 坑支护主要采用桩锚支护体系，钻孔桩直径为, 9 0 0 m m ，间距为1 5 0 0 r a m ，桩长2 4 9 m ， 一桩一锚，共设三排锚索。从整个监测情况分析来看，自基坑开挖以来，车站范围内地 下管线、基坑周围地表、建筑物及基坑支护结构的沉降和位移均处于安全受控状态，车 站桩锚支护体系作用明显，较好地反映了桩锚支护体系的作用机理。车站施工在监测数 据的指导下，始终处于安全有序的运行状态中l l ”。 北京国际新闻文化中心是个综合性大型建筑，建筑物地上2 2 层，地下5 层。基坑开 挖长1 1 0 1 m ，宽6 6 4 m ，基坑相对开挖深度平均为2 2 9 6 m ，局部达2 4 3 6 m ，是北京乃 至全国少数开挖深度较大的基坑之一。基坑支护面积近8 0 0 0 m 2 ，施工降水面积7 5 0 0 m 2 在本工程施工中采用了桩锚支护、预应力土钉墙、内支撑支护等3 种支护方案，并成功 地解决了基坑支护、降水、土方中多项施工技术难点，同时在安全文明生产方面结合施 工环境指定相应的施工措施，也取得了较好的效果【1 8 1 。 北京国贸二期工程位于北京市东三环中路与建国门大街交叉路口，国贸桥西北侧， 南侧紧邻北京国贸中心。该工程基坑深1 8 6 m ，宽5 2 4 m ，长1 5 5 8 m 。基坑设计方案采 用护坡桩配合两层钢结构内支撑加一层锚杆的支护体系。通过实际监测，得出钢结构内 支撑技术适用于北京地区深基坑支护的结论1 1 9 1 。 通港大厦位于北京西单北大街繁华地段，总建筑面积3 8 7 3 2 m 2 ，主楼1 4 层，总高度 5 6 m 。占地面积3 5 0 0 m 2 ，地下4 层，基础埋深1 6 9 3 m ，基坑南北长7 0 m ，东西宽5 0 m ， 实际开挖深度1 7 m 。施工场地狭小，周围管线复杂。经方案比较后，该工程采用锚喷网 支护方案。支护完成后的测量结果为：边坡最大水平位移5 0 m m ，未超过3 h ，1 0 0 0 ( h 为边坡高度) ，最大沉降量为2 0 m m ，未对周围建筑物和地下管线产生损害刚。 北京东方广场工程由1 3 个单体建筑物组成，基坑开挖范围东西长4 8 0 m ，南北宽 1 9 0 m ，平均开挖深度2 0 m ，最大开挖深度为2 5 m ，基坑开挖面积为8 6 0 0 0 m 2 ，其开挖范 4 1 绪论 围、开挖深度和施工难度均是北京市乃至全国所罕见的。该基坑支护结构采用钻孔灌注 桩( 局部h 形钢桩) ，锚杆加土钉形成复合支撑，挡土墙上设置混凝土连梁。经过近1 年的各项监测表明，支护体系经受了各种不利因素的考验，基坑、边坡及周围建筑物稳 定，保证了基础工程顺利施工l z l j 。 北京安外6 号地综合楼建筑面积3 3 6 3 0 m 2 ，地上1 2 层，地下3 层。基坑南北长7 2 7 m ， 东西宽4 3 9 m ，深1 6 9 5 m 。基坑西侧距边坡8 m 处为l 号住宅楼( 地上1 2 层、地下2 层) 和2 号住宅楼( 地上l o 层、地下2 层) ；基坑西侧距边坡2 m 处有一条深2 7 m 与坑边平 行的暖气管沟；基坑东侧距坑边2 m 有商店、饭庄；距边坡0 5 m 有l 条埋深2 m 的旧下 水管道；基坑东坡中段有一凸台，凸台上有一棵国家重点保护的古槐树。基坑边坡形状 复杂，共有7 个阳角。该基坑采用喷锚网支护方案，坡顶水平位移监测记录显示，凸台 坡顶最大位移1 8 5 m m ，2 号住宅楼未发现沉降 2 2 1 。 北京嘉利来世贸中心位于北京朝阳区新源南路1 号，基坑最大开挖深度1 8 o m ，周 长约6 4 5 m ，现场周边相临建筑物较多，且无法拆除，采用的综合支护体系为条桩及锚 索结合旋喷的基坑支护方案，在基坑后续施工中，通过定期观测，桩体的微小变形可忽 略不计，完全满足设计和施工要求。条桩及锚索结合旋喷的基坑支护体系，针对本工程 条件，是一种成功的尝试，它以较低的代价解决了施工场地狭小，施工精度要求高及考 虑周围建筑物安全的问题网。 北京平安大街回迁楼c 座位于北京市平安大街与美术馆后街交叉口的东南侧，为地 上5 层，地下3 层的综合商住楼。基坑开挖形状为矩形，东西长6 8 8 m ，南北宽4 0 5 m ， 相对开挖深度1 3 4 3 m 。基坑边坡支护采用土钉墙支护体系，整个基坑施工过程中的变形 观测表明，基坑边坡是稳定的例。 北京海淀区某建筑物主楼2 3 层，地下3 层，基坑平面呈不规则长方形，开挖尺寸约 为4 0 x 9 0 m ，基坑开挖深度1 4 9 m 。基坑北侧4 m 外为马路；东侧距一座5 层住宅楼及地 下车库仅4 m ：南侧距地铁通风口7 m ；西侧距两座高层住宅楼l o m 。本工程基坑采用土 钉与锚杆组合式支护方式，开挖后其地面最大沉降量及边坡水平位移均符合规定要求。 经观测边坡最大水平位移不足3 0 m m ，达到了基坑变形控制保护等级的特级标准，使基 坑临近建筑物的使用安全得到了保障【2 5 】。 北京和平里某机关业务楼工程西南两侧紧临市政道路，东侧北端与已建地下人防汽 车库相接，北侧l o m 处为一栋1 4 层办公楼。基坑开挖深度达1 0 4 0 m ，比北侧建筑物和 东侧北端地下人防汽车库基础深2 o m ，基坑施工中，采用深层搅拌桩隔水帷幕隔水和钢 筋混凝土悬臂桩与土钉墙组合支护技术，取得了良好的效果，不但工程质量被评为优良， 而且缩短了工期3 天酬。 北京中关村科贸大厦工程地上及地下环境复杂，西侧面临中关村大道，北侧电信大 楼地下各种管线错综复杂，最近者距基坑仅1 5 m ，东南侧楼房距离基坑边尺寸一般为 5 西安科技大学项士学位论文 6 m 。基坑平面尺寸为2 0 3 x1 1 6 m ，支护面积为1 2 6 0 0 m 2 ，开挖平均深度1 9 9 m ，最大挖 深2 1 5 m 。基坑采用桩锚支护形式，通过专业化的监测，基坑最大位移量为2 5 4 m m ，末 超出设计极限位移量( 3 0 r a m ) ，基坑支护工程质量完好l z 7 j 。 北京佳程广场位于北京市朝阳区东三环北路三元桥东侧，紧邻南银大厦，由两栋主 体塔楼、裙楼和地上建筑外围的纯地下车库组成。本工程基坑开挖深度为1 5 8 7 m ，基坑 采用挡土墙、护坡桩与预应力锚杆的组合支护方式进行支护，不仅降低了工程造价，而 且大大缩短了工期闭。 位于北京市石景山一小区内的商业楼，地上四层，地下为两层车库，基坑南北长为 9 3 6 m ，东西宽约7 8 5 5 m ，基坑深8 m ，西距八角路约8 2 m ，东距已建6 层住宅楼约7 5 m 。 为确保基坑开挖过程中边坡的稳定和周围建筑物的安全，在基坑开挖时对基坑周边采用 土钉进行支护，该工程施工过程中未出现任何事故，表明本基坑所采用的土钉墙支护方 案安全可靠，各项指标均符合规范要求网。 由以上的工程实例可以看出，北京基坑工程的主要支护方式有：自然放坡、土钉墙 支护、排桩支护( 包括悬臂式、拉锚式、内支撑式) 等。虽然这些支护方式在北京基坑 工程中都得到了成功应用，但这些支护方式下的基坑工程设计理论与变形规律及其稳定 性影响因素仍需深入研究，以达到经济性的目的。 1 2 3 深基坑工程变形规律研究方法 深基坑工程变形规律的研究方法多种多样，主要有工程经验法、室内相似材料试验 研究、理论分析、数值模拟计算以及现场监测方法等。 ( 1 ) 深基坑开挖有限元法研究现状 随着电子计算机技术的发展，数值分析方法发展很快，有限元法作为工程数值分析 中最有力的工具，已经在岩土工程分析中得到广泛应用 3 0 l 。针对有限元法在基坑工程中 的应用国内外专家进行了大量的研究工作。 d u n c a n 和c h a i l g 【3 1 】1 3 2 】首次应用有限元数值方法对边坡开挖的性状进行了研究分析， 通过与实测资料的对比，认为有限元法可以较好地预测边坡开挖，其中土体本构模型采 用双曲线非线性弹性模型。 s i m p s o n 等幽j 提出了一个用于非线性有限元分析程序的伦敦粘土应力应变关系计算 模型，将伦敦粘土形状分为三个应变区：弹性区、过渡区、塑性区，最后用此模型分析 计算了伦敦粘性土中两个深基坑开挖的变形过程，认为非常成功。 c l o u g h 和i - i a n s a n 3 4 1 利用数值分析方法分析了土层各向异性对土体，墙体位移分布 的影响，结果表明，若考虑土体各向异性的影响，则计算出的墙体位移和地表沉降会显 著增加，破坏区域也会显著增大，并指出土层各向异性对设计的安全度，土体、墙体位 移以及土压力分布的影响，在设计中必须予以充分考虑。 6 l 绪论 m l _ p o r t s 3 5 荆用有限元法研究了典型结构形式( 开挖和填方) 及土的初始应力对单撑挡 墙影响，本构关系采用理想弹塑性模型，得出土体的位移值主要取决于开挖和墙体的几 何尺寸、土和墙体的性质、支撑点的位置、墙体的构造方式以及土中的初始应力等。 b 两a 等冈针对修正剑桥模型用于逐级开挖的问题，利用提出的应力一点积分非线 性有限元分析方法，预测了有支撑开挖实际工程的变形特性，该方法在土体不破坏时， 无条件地收敛，且具有很高的计算精度。 朱百里【3 7 】采用修正剑桥模型，考虑土体的固结与变形耦合作用以及土体与支护系统 的共同作用，讨论了基坑周围土体的沉降、侧移的规律和基底隆起变形规律，并指出基 坑周围土体应力路径有一定的规律，由此可用室内试验模拟其变化规律。 k j s h n a n i 3 s 1 利用有限元技术分析了渗流对土压力的大小和分布、挡墙的侧向位移以 及墙后沉降的重要影响。 高文华等【3 9 】建立了上海香港广场深基坑支护结构计算的有限元分析模型，在编制相 应计算程序的基础上，对支护结构的变形进行了三维有限元分析与计算，得出了支护结 构水平位移的空间分布规律和随开挖时间延误而发生变化的规律，同时与现场监测结果 进行了对比。该方法和结论对软土深基坑的设计与开挖具有较为重要的理论意义与实用 价值。 俞建霖、龚晓南【帅】【4 l 】通过所研制的能考虑土与支护结构相互作用及施工过程的基坑 工程三维有限元分析程序，对基坑开挖引起的支护结构位移、地表沉降、基坑底部隆起 等变形性状进行了研究，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， 并通过杭州市某基坑开挖的工程实例验证了有限元分析模式的合理性。 陆新征等 4 2 1 对某特深基坑进行了旎工全过程的三维有限元弹塑性分析和模拟，分别 考虑了支护结构和土体之间的相互作用问题，以及各种开挖方案、降水方案对基坑变形 的影响，并对各种关键参数进行了参数敏感性分析和讨论。对比各种分析结果，考虑共 同作用和不考虑共同作用基坑变形相差达到1 0 倍，支护结构内力相差达到1 5 倍。同时， 不同开挖方案及降水方案对变形和内力也有着重要影响，各方案之间最终差别甚至可以 达到l 倍以上。分析结果说明，对于这类复杂工程，进行考虑结构与土体共同作用的施 工全过程三维有限元分析和模拟是完全必要的。 肖宏彬等 4 3 1 针对深基坑开挖中广泛采用的多支撑挡土结构，考虑分步开挖的施工过 程对支撑反力、挡土结构内力和位移的影响，提出了以弹性地基梁理论为基础的有限元 分析方法，并推导出了各开挖阶段矩阵方程的形式。与工程实例进行了对比分析，计算结 果与实测结果非常吻合，证明该方法理论可靠、使用方便。 随着计算机技术的发展和有限元技术的提高，强度折减有限元法被广泛地应用于边 坡稳定性分析中，如u g a i t 4 4 j ，m a t s u i 和s a n l 4 卯，u g a i 和i 息；h c h i n s k v l 4 6 j ，g r i f f i t h s 和l a n e 4 1 5 ， d a w s o n 和r o t h t 4 s ，m a n z a r i 和n o u r 杩 ，以及宋二祥刚，连镇营掣5 1 1 ，郑宏掣铋，赵尚 7 西安科技大学硕士学位论文 毅等1 5 3 1 ，张鲁渝等 5 4 1 ，刘祚秋等嗍，吴春秋等f 5 6 1 都利用强度折减有限元法研究了边坡的 稳定性。同时，强度折减有限元法也被应用于分析基坑的稳定性。 宋二祥等1 5 7 】针对基坑土钉支护讨论了其安全系数的强度参数折减有限元计算方法， 按所建议方法，编制了三维有限元计算程序，并给出算例，展示了所建议计算模型和方 法的有效可靠性。 章杨松等【5 捌探讨了强度折减二维有限元方法在深基坑工程中具多支撑挡士结构边 坡稳定性分析中的应用，分析了挡土结构不同嵌固深度和支点条件对稳定性的影响，并 与简单圆弧滑动条分法和毕肖普法计算结果进行了对比。研究表明，支点条件和桩墙嵌 固深度对支护边坡稳定性有着同样重要的影响，证实了强度折减有限元法的合理有效性， 且该方法能方便合理地考虑支点条件和桩墙嵌固深度对支护边坡稳定性的影响，为支点 设定和桩墙嵌固深度的确定提供了合理依据。 由以上文献可以看出，有限元法在深基坑工程中已经得到较好的应用。有限元法可 以综合考虑几何非线性和材料非线性，考虑不同的应力应变特性，模拟土的各种应力 路径，模拟复杂的边界条件以及与时间有关的加载过程，可以考虑土体与支护结构的相 互作用，从整体上分析支护结构及周围土体的应力和位移。更为重要的是，有限元法适 用于动态模拟计算，可以模拟基坑的开挖过程，预测基坑开挖过程中基坑周围土体塑性 区范围及发展过程、地表的沉降量、基底的隆起量以及支护结构变形、内力等，解决利 用常规计算方法无法解决的问题。因此，本文将利用有限元法研究北京地区基坑工程中 围护桩加钢支撑支护体系的变形规律及稳定性影响因素。 ( 2 ) 深基坑工程监测研究现状 由于基坑受地质、荷载、施工以及周围环境等复杂因素的影响，使得在设计时很难 预测施工过程中可能遇到的各种问题。只有通过在施工过程中对整个支护系统进行监测， 利用监测信息的反馈分析，才能较好地预测系统的变化趋势，当出现险情预兆时，可作 出预警，及时采取措施，保证施工和周围环境的安全，当安全储备过大时，可及时修正 设计，削减围护措施。 监测工作既是检验设计理论正确性和发展设计理论的重要手段，又是及时指导正确 施工，避免事故发生的必要措旄。2 0 世纪9 0 年代以来，基坑工程施工监测日益受到重 视和提倡，经过大量的研究工作，基坑工程监测技术得到了很大的进步和发展。一是监 测方法及仪器本身的进步，二是监测内容的不断扩大与完善 5 9 1 。施工监测在保护环境、 实现信息化施工中发挥了积极的作用，为推动设计与施工技术的进步取得了宝贵的资料。 庞贵磊l 椰j 利用上海某工程的监测资料，结合理论分析得出了基坑开挖时分块大小影 响基坑隆起回弹值的半理论计算公式。该公式能够比较准确地计算出不同分块时的基坑 隆起回弹值，从而较好地预测和控制基坑的隆起，确保施工安全，具有相当大的经济效 益和社会效益。 8 i 绪论 吴小将等【6 l 】根据深基坑工程中常规监测得到的地下连续墙的测斜曲线，建立了一种 在不需要知道钢筋应力情况下就能估算地下连续墙弯矩的简便方法。这种估算方法的应 用，可以节约深基坑工程中的监测费用，让工程师们及时了解地下连续墙承载力发挥情 况，做到防患于未然，避免地下连续墙由于抗弯能力不足引起的工程事故的发生，确保 工程的安全顺利进行。 李文广等【6 2 】针对荷载等效的情况，提出了光顺样条拟合围护墙变形求曲率的计算方 法，将计算得到的弯矩与通过钢筋应力计推算得到的弯矩进行对比分析，验证了该方法 的正确性。 随着基坑监测理论和方法的日益成熟，基坑监测的内容己写入建筑地基基础设计 规范嘲、建筑基坑支护技术规程嗍、建筑基坑工程技术规范 6 5 1 ，以及上海市的 基坑工程设计规程嗍、深圳市的深圳地区建筑基坑支护技术规范 6 7 1 等规范中， 作为基坑工程中必不可少的一项工作。 近年来，基坑监测方法有了很大提高，监测手段不断多样化，监测项目不断多层次 化，监测仪器逐渐先进化，对于监测数据的分析处理也有了新的进展，如通过监测数据 反演岩土体力学参数，以修改原设计方案，并预测预报未来时段内基坑系统变化情况。 同时许多学者也致力于监测信息管理软件的开发，如李元海等嘲】开发了岩土工程施工监 测信息系统( g - e o m i s ) 、宋蕴璞等嗍开发了基于l a b v i e w 的基坑开挖监测管理系统、 谢伟等 7 0 l 开发了基于w e b 方式的深基坑监测管理信息系统。 总上所述，深基坑监测工作正向系统化、数字化、信息化、网络化、高效率管理层 次发展，对保障基坑稳定性和周边环境的安全起到了越来越重要的作用。 1 3 选题的目的和意义 随着2 0 0 8 年奥运会的临近，为确保奥运会的顺利进行，北京各大型奥运建设项目正 在紧张设计施工中，其中深基坑问题更是亟待解决的问题之一北京作为首都，对施工 安全、环境保护及文明施工非常重视，一旦出现基坑坍塌事故必将造成极坏影响，同时 对工期和质量要求也非常高。本文将通过研究北京地铁奥运支线森林公园站北区基坑支 护体系变形规律和受力特征，总结北京地区深基坑稳定性影响因素，得出控制基坑变形 的一些措施。本文的研究对北京地铁深基坑设计理论及施工、监测技术的提高与完善具 有一定的参考价值。 1 4 本文的研究思路 在分析前人研究成果的基础上，结合对北京地铁奥运支线森林公园站北区基坑工程 施工过程的监测，分析围护桩加钢支撑支护体系的变形规律和受力特征，并将有限元模 拟结果与实际监测结果相对比，利用有限元法对基坑变形规律及其稳定性影响因素进行 9 西安科技大学硕士学位论文 研究，建议出保证深基坑安全施工的可行措施。 1 5 本文研究的主要内容 本文以北京地铁奥运支线森林公园站北区基坑工程为依托，采用理论分析、现场监 测及有限元模拟相结合的手段，分析北京地区地铁深基坑工程中围护桩加钢支撑支护体 系的变形规律和受力特征，为车站深基坑工程支护设计与旌工方法的确定提供参考主 要研究内容如下： ( 1 ) 分析深基坑变形机理及影响因素。 ( 2 ) 给出森林公园站北区基坑工程的支护设计方案和监测方案，通过现场监测，整 理并分析监测数据，总结在各个施工工况下围护桩加钢支撑支护体系的变形规律和受力 特征。 ( 3 ) 运用平面弹塑性有限元法模拟基坑开挖过程，对比分析桩体水平位移计算结果 与监测结果，探讨深基坑变形规律及其稳定性影响因素。 ( 4 ) 给出深基坑变形规律及其稳定性影响因素，为基坑工程的信息化施工提供参考， 并建议合理的施工方法与设计方案。 1 0 2 深基坑变形规律分析及其控制措施 2 深基坑变形规律分析及其控制措施 建筑物或构筑物地下部分施工前，需要开挖基坑，为保证