（岩土工程专业论文）地铁车站深基坑开挖与支护方案优化的研究.pdf

合肥工业大学 1 1 11 1i i1 111 111 1 1i iiii ；y 18 8 6 8 3 6 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：瓷姑 铱佃局病级l 红仟 委员：叶“困 豸犯排雾娥f 缘 破孝 一1 乏l锄“1 6 l 墨毅披 导师：娥砝 教碍眨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金妲兰些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 静。始 导师签名： 俄蹭 签字日期：砂i 年呼月谚日签字日期：沙1 1 年午月埠日 学位论文作者毕业后去向：工彳仁 工作单位：锈。焉人才交? 乏月嚆寺t d 、电话：o 岁7 登蚶 通讯地址： 邮编： 31 52d 9 基坑 群中， 仅关 和工 程技术人员已经在基坑工程对周围环境影响评价这一领域作了许多研究，但对 基坑开挖过程中支护结构的变形、周围地表位移和邻近建筑物变形三者之间关 系的研究，还存在许多待研究的问题。 本文以苏州地铁人民路站基坑开挖为题开展方案优化研究，主要包括以下 几个方面： ( 1 ) 基坑临近古建筑安全控制与保护技术的研究。在已有的场地监测系统 基础上，建立有限元三维模型分析基坑开挖引起地表及周围建筑物的附加变形， 着重对古建筑物产生的影响进行研究，并制定一套完备科学的施工预警机制用 以指导现场施工，保证施工过程本身及周边建筑物特别是古建筑物的安全。 ( 2 ) 地铁l 号和4 号线交叉地带施工安全评价与方案优化的研究。本文组 充分总结苏州的地质和本工程特点，对原设计方案进行了变更优化，然后用数 值模拟方法对修改后的方案进行仿真研究。结果显示，相比于较原设计方案， 修改方案更加合理，施工风险性降低，明显缩短了工期，有效降低了成本。 ( 3 ) 复杂基坑施工安全风险管理与示范的研究，并结合工程实例，用以说 明采用风险性管理的适用性和可靠性。 关键词：深大基坑；数值模拟；古建筑；方案优化；风险管理 s t r u c t u r eo fd e e pf o u n d a t i o np i ti ns u b w a ys t a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c ea n dg r e a tc o n s t r u c t i o n so fh i g h - r i s e b u i l d i n g si nu r b a n ，al a r g en u m b e ro f d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sh a v ea p p e a r e d ，a n d i t ss c a l ea n dd e p t hi n c r e a s ec o n s t a n t l y m a n yo ft h e ma r es u r r o u n d e dw i t i ld e n s e b u i l d i n g s ，w h i c ha r ec l o s et ot h ef o u n d a t i o n so fe x i s t e n tb u i l d i n g so rs t r u c t u r e s ，s ot h e e x c a v a t i o na n ds u p p o r to ff o u n d a t i o nn o to n l yr e l a t et ot h es a f e t yo ft h ef o u n d a t i o n ， b u ta l s oy i e l dt oi m p a c to na d j a c e n tb u i l d i n g s a tp r e s e n t ，m a n ys c h o l a r s ，e n g i n e e r s a n dt e c h n i c i a n sh a v ea l r e a d yw o r k e dal o ti nt h ei n f l u e n c e so fs u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n tc a u s e db yd e e pe x c a v a t i o n s ，h o w e v e r ，m a n yp r o b l e m sr e m a i nn o tt ob e s o l v e di nc o r r e l a t i o na m o n gt h ed e f o r m a t i o no ft h es u p p o r ts t r u c t u r e s ，s u r f a c e d e f o r m a t i o na r o u n dt h ee x c a v a t i o n sa n dt h ei n f l u e n c eo fa d j a c e n ts t r u c t u r e s i nt h i s p a p e r ，w ec a r r yo u tan u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c ha b o u tf o u n d a t i o n e x c a v a t i o no fr e n m i mr o a ds u b w a ys t a t i o ni ns u z h o uc i t y i ti n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c ho fs e c u r i t yc o n t r o la n dp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yf o rh i s t o r i c a l b u i l d i n g sn e a rb yf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n b a s e do nt h ee x i s t i n gm o n i t o r i n g s y s t e m ，t h en u m e r i c a la n a l y s i so f3 一df e mi su s e dt oa n a l y z et h ea d d i t i o n a l d e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gb u i l d i n ga n dt h ee x c a v a t i o ni t s e l fb e c a u s eo f e x c a v a t i n g ，a n dt h ei m p a c to fe x c a v a t i n go v e rt h eh i s t o r i c a lb u i l d i n g si se s p e c i a l l y r e s e a r c h e d i no r d e rt oe n s u r es e c u r i t yo ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s si t s e l fa n dt h e s u r r o u n d i n gb u i l d i n g s ，e s p e c i a l l yt h es a f e t yo f h i s t o r i c a lb u i l d i n g s ，ac o m p r e h e n s i v e e a r l yw a r n i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dt og u i d et h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ( 2 ) s t u d yo fs a f e t ya s s e s s m e n ta n do p t i m i z a t i o no fm e t r ol i n e 1a n d4 c r o s s z o n e w i t hf u l ls u m m a r yo ft h eg e o l o g yi ns u z h o ua n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e n g i n e e r i n gi t s e l f , t h ep r o j e c t sr e s e a r c hg r o u pc a r r yo u to nc h a n g e st ot h eo r i g i n a l d e s i g na n do p t i m i z a t i o n t h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt os t u d yt h em o d i f i e d p r o g r a m t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a ld e s i g n ，t oa m e n dt h e p r o p o s a li sm o r er e a s o n a b l e i tc a nr e d u c ec o n s t r u c t i o nr i s k ，c a ns i g n i f i c a n t l ys h o r t e n t h ec o n s t r u c t i o np e r i o d ，c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o s to fp r o j e c t ( 3 ) s t u d yo fs e c u r i t yr i s km a n a g e m e n to fc o m p l e xf o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n a n dd e m o n s t r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，t h es t u d yc a ni l l u s t r a t et h e a p p l i c a b i l i t yo fu s i n gr i s km a n a g e m e n ta n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：o v e rs i z ee x c a v a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；h i s t o r i c a lb u i l d i n g s ； o p t i m i z a t i o n ；r i s km a n a g e m e n t 致谢 本课题的从选题、试验到论文整理阶段得到了导师钱德玲教授的悉心指导 与严格把关。钱老师严谨的治学态度，高尚的品德，实事求是的精神给我留下 了极为深刻的印象。作为一名学者，钱老师对科学发展的前沿领域以及新事物 具有敏锐的分析与把握能力，使我深受教益；作为一名科技工作者，钱老师忘 我的工作态度值得我学习；作为师者，钱老师在学习上对我大力支持并且严格 要求，在生活上对我亲切关怀、热情帮助，使我终身难忘。在此，我谨向恩师 致以最崇高的敬意和最良好的祝愿! 师恩难忘! 感谢在我教育成长过程中丁亮政、楼苏青、应法高等恩师给我无私的帮助 和关怀! 是您们的辛勤与爱心把一个懵懂无知的少年塑造成为一个社会有用之 入，我将铭记于心! 感谢敬爱的父母对我的养育之恩! 不管我身在何处，总能感受到您们永远的 牵挂；不管我遇到多大的艰难险阻，您们的豁达是我强大的精神支柱，一直以 来您们不辞劳苦的身影，淳淳教诲是我前进的不竭动力，未敢放弃! 感谢我挚爱的朋友杜瑞年、李世民、王凯、李元鹏、李静等在我精神上的 鼓励，生活上的关心与爱护，使我克服了一个又一个难关! 最后，向一直以来，关心我及在我成长过程中给予支持和帮助的老师、同 学和朋友表示最衷心的感谢和最诚挚的问候! 作者：陈彪 2 0 1 1 年4 月 1 4 复杂地质条件下本工程研究背景3 1 5 科研立项一5 1 6 研究内容及方法5 1 6 1 国内在富水软弱地层修造地铁的技术现状及发展趋向5 1 6 2 主要研究内容。6 1 6 3 研究的主要方法6 第二章苏州地铁基坑工程概况8 2 1 工程及设计概论8 2 1 1 工程概论：8 2 1 2 设计概况8 2 2 工程地质及施工环境条件1o 2 2 1 工程地质。1o 2 2 2 水文地质情况12 2 2 3 地形地势及周边环境情况1 2 第三章临近基坑古建筑安全控制与保护技术的研究13 3 1 基坑施工对古建筑的影响评价1 3 3 1 1 临近古建筑的概况1 3 3 1 2 古建筑物的破坏形式及破坏机理分析1 3 3 2 苏州古建筑保护现状评价与安全控制标准的研究1 4 3 3 对基坑周边古建筑保护方案的优化1 4 3 4 古建筑物保护施工过程动态模拟和预警1 4 3 4 1 基坑开挖的弹塑性有限元求解过程一1 4 3 4 2 计算模型的建立1 6 3 4 3 计算结果分析1 7 3 4 4 计算结果与实测值对比。2 9 3 5 结合数值分析过程对古建筑的保护对策分析3 0 3 6 对古建筑的保护控制技术及其工后评价3l 第四章地铁1 号和4 号线交叉地带施工安全评价与方案优化的研究3 2 4 1l 号线、4 号线施工方案评价与优化分析3 2 4 1 1 工程概况3 2 4 2 4 基坑十字交叉区数值分析4 4 4 2 5 施工方案评价与优化分析4 9 第五章复杂基坑开挖施工风险管理与示范研究51 5 1 引言5 1 5 2 复杂基坑的风险识别方法、风险评估方法及控制对策5 1 5 3 基坑开挖施工监测51 5 3 1 监测目的5l 5 3 2 进行监测的主要技术依据5 2 5 3 - 3 技术方案编制原则5 2 5 4 监测项目和具体内容5 3 5 4 1 监测项目5 3 5 5 监测点布置和埋设5 3 5 5 1 围护墙侧向位移( 测斜) 监测5 3 5 5 2 围护墙顶部水平位移和沉降监测5 4 5 5 3 坑外水位监测5 4 5 5 4 混凝土( 钢) 支撑轴力监测5 5 5 5 5 围护墙迎土面土体压力和孔隙水压力监测5 5 5 5 6 围护墙钢筋应力监测5 6 5 5 7 坑内立柱隆沉监测5 7 5 5 8 坑底回弹监测5 7 5 5 9 基坑周围地表沉降监测5 7 5 5 1 0 基坑周围建( 构) 筑物沉降监测5 7 5 5 1 1 基坑周围管线沉降监测5 7 5 6 观测频率及报警值5 8 5 6 1 观测频率5 8 5 6 2 报警值5 8 5 7 监测成果与分析5 9 5 7 1 土压力分析5 9 5 7 2 孔隙水压力分析6 0 5 7 3 围护结构钢筋应力分析6 0 f 。 卜 一、 岔西 no擗汁诽忖煳坌吉黪坷潮嘧；ua_辉黟；：；：；：小uan矶蒋h齐闷湔雌；小u 蜘蛛h嚣； 、 图3 3 基坑支护三维模型计算网格1 6 图3 - 4 第1 步基坑开挖x 方向位移图1 7 图3 5 第2 步基坑开挖x 方向位移图1 8 图3 - 6 第3 步基坑开挖x 方向位移图1 8 图3 7 第4 步基坑开挖x 方向位移图1 9 图3 8 第1 步基坑开挖y 方向位移图1 9 图3 - 9 第2 步基坑开挖y 方向位移图2 0 图3 1 0 第3 步基坑开挖y 方向位移图2 0 图3 1 l 第4 步基坑开挖y 方向位移图2 0 图3 1 2 第1 步基坑开挖z 方向位移图2 1 图3 1 3 第2 步基坑开挖z 方向位移图2 1 图3 1 4 第3 步基坑开挖z 方向位移图2 l 图3 1 5 第4 步基坑开挖z 方向位移图2 2 图3 1 6 第1 步开挖支撑轴力图2 2 图3 1 7 第2 步开挖支撑轴力图2 3 图3 18 第3 步开挖支撑轴力图2 3 图3 1 9 第4 步开挖支撑轴力图2 4 图3 2 0 第l 步开挖地下连续墙弯矩图2 4 图3 2l 第2 步开挖地下连续墙弯矩图2 5 图3 2 2 第3 步开挖地下连续墙弯矩图2 5 图3 2 3 第4 步开挖地下连续墙弯矩图2 6 图3 2 4 围护墙侧向变形监测点分布2 6 图3 2 5a o e 围护墙5 点投影y 向水平位移2 7 图3 2 6 分步开挖地表沉降图2 9 图3 2 7 分步开挖地表沉降对比图2 9 图3 2 8 计算值与实测值对比图3 0 3 4 5 图4 - 4 二期排水系统。3 6 图4 5 一期基坑开挖三维模型图3 7 图4 6 一期基坑开挖围护结构模型图3 8 图4 7 一期基坑开挖x 方向位移3 8 图4 8 一期基坑开挖y 方向位移3 9 图4 9 一期基坑开挖z 方向位移3 9 图4 10 一期基坑开挖连续墙弯矩分布图4 0 图4 1 l 一期基坑开挖移连续墙最大主应力分布图4 1 图4 1 2 一期基坑开挖支撑轴力图4 1 图4 1 3 二期基坑开挖三维模型图4 2 图4 1 4 二期基坑开挖围护结构模型图4 2 图4 1 5 二期( 4 号线) 基坑开挖过程中水平位移分布图4 3 图4 1 61 号线和4 号线十字交叉计算模型4 4 图4 1 71 号线和4 号线十字交叉围护结构三维模型4 5 图4 1 8 十字交叉区第1 步开挖y 向位移图。4 5 图4 1 9 十字交叉区第2 步开挖y 向位移图一4 6 图4 2 0 十字交叉区第1 步开挖z 向位移图4 6 图4 - 2 1 十字交叉区第2 步开挖z 向位移图4 7 图4 2 2 十字交叉区第1 步开挖支撑轴力图4 7 图4 2 3 十字交叉区第2 步开挖支撑轴力图4 8 图4 2 4 十字交叉区第1 步基坑开挖连续墙弯矩分布图4 8 图4 2 5 第2 步基坑开挖十字交叉区连续墙弯矩分布图4 9 图5 1 人民路车站站基坑围护及周边环境监测测点平面布置图5 4 图5 2 围护墙迎土侧土体压力和孔隙水压力测点布置示意图5 6 图5 3 监测反馈程序5 9 图5 - 4 土压力开挖深度曲线6 0 图5 5 孔隙水压力开挖深度曲线6 0 图5 - 6 钢筋应力开挖深度曲线。6 1 图5 73 撑钢支撑轴力历时曲线6 1 图5 84 拌钢支撑轴力历时曲线6 2 图5 9 人民路站古建筑物主体结构沉降时间变化曲线6 2 插表清单 表3 1 土层物理力学参数1 7 表3 2 观测点图3 0 表4 1 土层物理力学参数3 7 表4 2 十字交叉区土层物理性质4 4 表5 1 监测频率原则5 8 表5 2 监测项目的预警值。5 8 第一章绪论 1 1 基坑工程研究背景 随着我国国民经济建设的持续良好发展，建设和利用地下空间在经济社会 发展建设中的地位越来越重要。特别是城市轨道交通、超高层建筑物和铁路隧 道开挖等，都不同程度的涉及到基坑工程问题。基坑工程是一门综合性很强的 岩土工程专业分科，它内容广泛，包含强度、变形、稳定和土与支护结构等各 方面内容。基坑工程又是一项融合多种学科知识于一体的施工方式多样化的技 术，基坑工程的开挖和支护涉及到的学科有工程力学与工程结构、土力学与基 础工程、工程地质和水文地质以及工程施工与工程管理等。 在漫长的历史发展过程中，基坑工程经历一个从无到有从简单到复杂的发 展历史。在古代，比较简易的木桩桩基和简易放坡工程基本上算是人类历史上 最早的基坑工程。人们的社会生产活动相应地促进土木工程的发展，对陆上空 间和地下空间甚至海底空间的不断要求也促进着基坑建设工程的成熟和新的发 展，特别在二十世纪，涌现了大量的高层建筑物、超高层建筑物、地下工程以 及大型市政工程，相应地也提高了对基础的要求，基坑工程也随之大规模的发 展，在实际工程当中会遇到诸多问题，这些实际的工程难点会促使工程专业人 员重新去审视基坑工程这一具有悠久历史又不断变化发展的课题，这才使基坑 工程的理论创新和技术研究得以实现，并促进实际工程经验以及工程工艺的成 熟和发展。民国时期建成的位于上海的一十四层锦江饭店，1 9 3 4 年落成的二十 四层上海国际饭店，特别在过去几十年以来建造了大量高层建筑和超高层建筑 物，比如1 0 1 层高4 9 2 米坐落于上海的环球金融中心，基坑的直径达到l o o m ， 基坑深达到1 8 m ，基坑的面积达到3 x 1 0 4m 2 ，开创了我国深大基坑施工的先河， 随着社会的发展和工程技术的进步，深基坑工程在人们的社会生活中扮演的作 用也越来越大，在今后也将会应用到越来越多的土木建筑工程中。 图1 1 某地铁车站深基坑施工图l - 2 上海环球金融中心基坑施工 图l 3 人民路站基坑支护平面图 1 2 基坑工程特点和难点 基坑工程主要具有以下特点： ( 1 ) 由于基坑周边环境的复杂性导致施工的工期变长、工况增加，雨雪和荷 载不均匀堆放等会对基坑的稳定性造成不良影响； ( 2 ) 由于施工环境复杂，施工工序中的基坑开挖、降水及混凝土浇筑等会发 生不协调； ( 3 ) 随着建筑物越来越高和基础越来越深，基坑也越来越深，尺寸也越来越 大 ( 4 ) 土体具有蠕变性，土体这一特性会使作用于围护结构上的土压力随时间 变化，也就是说基坑工程具有时空效应这一特性，这将影响基坑的稳定性； ( 5 ) 规模大的基坑工程给设计和施工造成一定难度； ( 6 ) 基坑工程施工中将不可避免产生位移和沉降，对附近建筑物的正常使用 性造成不良影响； ( 7 ) 由于各地方的岩土性质各有一样，水文地质条件和地质埋藏条件也呈现 出复杂性和不均匀性的特性，会造成岩土工程勘察的数据具有离散性和不确定 性，不能完整准确反映各土层的实际情况，加大了基坑工程的设计和施工难度。 1 3 基坑工程研究现状及存在的问题 当今基坑工程会遇到诸多问题，具有代表性的一般有基坑整体和局部稳定 性问题、围护结构支护结构和土体变形问题及施工环境影响评估等三个问题， 并且涉及土压力稳定问题，在基坑开过过程中土体的应力路径及土体的本构模 型也是基坑工程研究重点。主要涉及到三大方面的研究：首先要对基坑开挖过 程中围护结构和邻近环境对象的施工响应进行预测和预报分析，涉及到一些相 2 关的研究手段，主要是通过动态数值仿真技术来实现施工过程的可视化，这也 是基坑施工力学研究的重点问题；其次是要对基坑施工过程中因为施工效应对 邻近建筑物、桥梁和管线等结构物的影响及其控制策略进行研究；最后就是要 研究安全快速施工技术，在本论文研究中所涉及到的就是具体工法的研究。 在基坑工程遇到的问题中，基坑工程对周围环境的影响及评价，包括周围 土体初始应力场和周围建筑、当地市政设施位移状态的评价分析，在基坑工程 实际开挖过程中产生的附加应力的系统计算，还有基坑破坏后产生的灾害分析 和基坑稳定性评价方案及根据后果严重程等级的划分等。在现代基坑开挖技术 中，开挖特性动态反演分析和标准信息化预警设计作为一项极其重要的技术， 为基坑开挖提供有效的安全保障，能使基坑监测更加精确，信息反馈更加及时， 系统更加完善，实现真实意义上的信息化施工。 1 4 复杂地质条件下本工程研究背景 本工程位于苏州市人民路与干将路十字型交叉路口地下，为l 号线和4 号 线间换乘车站，其中l 号线车站主体沿干将路方向布置，4 号线车站主体沿人民 路方向布置，并略有倾斜，见图1 3 。 工程承包范围包括人民路站主体工程及其附属设施( 9 个出入口，其中预留3 个，5 组风亭等) 的土建施工工程。 设计概况： l 号线沿干将路呈东西向，4 号线沿人民路呈南北向，并埋设于人民路与于 将路十字型交叉路口的地下。 车站l 号线方向有效站台中心里程为右c k l 2 + 4 3 4 3 7 0 ，设计起点分界里程 分别为右线c k l 2 + 2 1 7 0 7 0 、左线c k l 2 + 2 6 5 5 7 0 ，终点分界里程为右 c k l 2 + 5 0 1 9 7 0 。主体结构外包长度2 8 6 3 m 、标准段外包宽度2 2 7 m 、标准段基 坑开挖深度2 0 2 6 m 、顶板覆土为2 2 4 9 - - 3 9 m 。 车站4 号线方向有效站台中心里程为右c k l l + 7 9 1 8 5 3 ，设计起点分界里程 为右c k l1 + 6 9 2 7 0 3 ，终点分界里程为右c k l 2 + 0 0 1 6 5 3 。车站主体结构外包长度 为3 1 0 3 5 m 。本次设计为一期部分，设计分界里程为右c k l l + 8 4 6 8 5 3 ，施工车 站长度为1 5 5 5 5 m 、标准段外包宽度3 1 8 m 、标准段基坑开挖深度1 5 3 1 m 、顶板 覆土为1 7 6 - 3 1 m 。 车站主体侧墙结构采用复合式侧墙体系，主体结构1 号线部分采用钢筋混 凝土双层三跨的框架结构( 局部双层单跨和双层多跨) ；4 号线部分采用钢筋混凝 土双层双跨和双层三跨的框架结构。主体结构受力体系由侧墙、立柱、梁和顶 板、楼板、底板等构件组成。出入口通道采用单层单跨矩形框架，出入口敞开 段为u 形槽结构。 车站主体围护结构1 号线采用1 0 0 0 m m 厚地下连续墙，局部采用8 0 0 m m 和 6 0 0 m m 厚地下连续墙，4 号线采用8 0 0 m m 和6 0 0 m m 厚地下连续墙。l 号线部分 结构，间隔内插h 型钢，沿基坑深度方向设置三道支撑；4 号线部分附属结构基 坑埋深为7 9 0 m ，采用q 0 6 5 0 m m 劲性水泥土搅拌桩( s m w ) 作为围护结构，间隔内 插h 型钢，沿基坑深度方向设置两道支撑。 车站主体地基加固主要采用1 0 8 5 0 三轴搅拌桩局部加固。地下连续墙( c 3 0 抗 渗s 8 混凝土) 、( p 8 0 0 抗拔桩采用c 3 0 ；结构顶底板、侧墙采用c 3 0 、抗渗s 8 混 凝土；结构中板、站台板采用c 3 0 混凝土，柱采用c 4 0 混凝土，垫层采用c 2 0 早强混凝土。 车站结构工程设计使用年限为1 0 0 年，安全等级为一级，结构按6 度地震 烈度进行抗震设计。地下结构具有战时防护功能，按平战转换进行设计，设防 部位按6 级人防荷载进行验算，设置相应的防护设施。结构主要构件耐火等级 为一级。根据车站底板所处地层的特性，为避免人为设缝导致结构纵向刚度降 低，故不设置贯通整个横断面方向的变形缝，而采用设置后浇带、分段浇筑等 方法，以消除大部分收缩应力，并适当增大结构底板的厚度、加强纵向配筋数 量以抵抗后期差异沉降对结构的影响。 地下车站、人行通道及机电设备集中区段的结构防水等级为一级，不允许 渗水，结构表面无湿渍。风道结构的防水等级为二级，即结构不漏水，结构表 面允许有少量、偶见湿渍。 主体基坑工程于2 0 0 9 年3 月1 6 日开始施工，2 0 1 0 年8 月3 0 日全部完成。 技术特点和难点： 1 ) i 程规模大、工期紧、结构复杂。人民路站主体建筑为地下两层结构，是 1 号线和4 号线间换乘车站，1 号线车站长度2 8 6 3 m 、标准段外包宽度2 2 7 m 、 填深2 0 2 6 m ；4 号线车站长度3 1 0 3 5 m ( 本次施工1 5 5 5 5 m ) 、标准段外包宽度 3 1 8 m 、埋深1 5 3 1 m 。车站共设9 个出入口( 其中3 个为预留) 、换乘通道2 处、5 组风亭，工程规模大、结构复杂。 本工程于2 0 0 7 年1 2 月2 8 ，日开工，工期为3 3 个月，分四期施工，工期较 为紧张。 2 ) 管线迁改协调、保护等工作量重，协调难度大。本工程位于城市闹市区， 地下电力、中燃、通信、上水、污水管各类管线较多，涉及各行各业、社会各 界及干家万户。管线迁改协调、防护工作量大，涉及面广，难度大。 3 ) 车站地处城市交通主干道交叉路1 2 1 ，交通导改难度大。本工程位于人民路 乐桥与干将路相交叉道路口，人民路、干将路均需保持正常通行，地面交通需 要分四期导改、工程需要分四阶段实施，地面交通设施多，交通导改，人车分 流次数多、难度大。 4 ) 车站深基坑开挖变形控制要求高、难度大。基坑挖深2 0 m 左右，安全等 级为一级，且附近有怡园等文物建筑，环境保护和地面沉降及围护结构水平位 4 移要求严格。 5 ) 车站工程位于交叉路口，地面交通繁忙，施工干扰大。施工全过程中必须 保证人民路与干将路的正常通行，同时保证车站施工范围两侧沿街商铺正常营 业： 6 ) 站址地下管线密集，迁改协调、保护任务重。 7 ) 在地下水位高、周边建筑较多的条件下，车站深基坑成型，并确保稳定。 1 5 科研立项 苏州地铁人民路站初步设计和投标设计中，遇到一些实际问题。在工程严 重受阻阶段，有关单位和部门又提出地面降水、隔水帷幕和帷幕内降水、地面 注浆、地面幅射状旋喷桩加固拱部土体、深孔注浆、冻结法等多种方案。组织 过专家论证，仍未取得一致认可的既不影响地面交通和环保，又利于快速实施 的方案。业主要求施工单位再次组织论证，提出方案，组织实施，完成后再行 计价。面对困境，中铁四局集团公司领导深切认识到本工程的重要性和艰巨性， 把促进企业生产力向前发展的基础建立在科学研究上，决定把单纯的施工，转 变为在科学试验指导下的施工，开展以下内容的研究：临近基坑古建筑安全控 制与保护技术的研究、地铁1 号和4 号线交叉地带施工安全评价与方案优化 的研究、苏州地铁施工监控。并为协助尽快通过试验，确定地铁基坑施工方 案，由中铁四局与合肥工业大学进行联合科研，开展苏州地铁基坑开挖方案 优化研究。 1 6 研究内容及方法 1 6 1 国内在富水软弱地层修造地铁的技术现状及发展趋向 目前国内地铁车站施工，除在围岩稳定、干燥无水地区可用浅埋暗挖法( 如 北京天安门西站) 外，大多采用明挖法施工。即使在城市最繁华地区，一般全 部或部分封闭道路，维持有限行车( 单行线或双车道通行) 或改移道路。有些 地铁车站，穿越城市主干道，为维持主干道的行车通畅，在该穿越地段，采用 局部的盖挖( 逆作或顺作) 。 基坑性状影响因素很多，主要有场地工程地质和水文地质条件、周边环境 条件、基坑开挖深度、平面形状和面积大小。富水软弱地层工程主要有两类： 一类是深厚软粘土地基，另类是砂性土地基。两类地基地下水位都很高，但 由于土的渗透系数相差很大，土中水的性状截然不同。深厚软粘土地基中的基 坑主要解决土压力引起的稳定和变形问题，该类地基中基坑工程事故往往是工 程技术人员对作用在挡土墙上土压力估计不足造成的。二砂性土地基中的基坑 围护主要问题是地下水控制，该类地基中基坑事故往往是工程技术人员未能对 地下水进行有效控制而造成的。 地铁车站设计施工的方法不仅要满足地铁工程本身的使用功能要求以及合 理开发利用地上、地下有效空间，而且要考虑由于施工给周围环境带来的不良 影响。施工方法的选择对线路埋深、结构形式、工期及土建工程造价等影响很 大。 1 6 2 主要研究内容 由施工、设计、科研( 大专院校) 单位组成的科研攻关组，在对工程特点、 周边环境和边界约束条件详细分析的基础上，本着科技创新的精神，确定主要 研究内容： ( 1 ) 基坑临近古建筑安全控制与保护技术的研究。在已有的场地监测系统基 础上，建立有限元三维模型分析基坑开挖引起地表及周围建筑物的附加变形， 着重对古建筑物产生的影响进行研究，并制定一套完备科学的施工预警机制用 以指导现场施工，保证施工过程本身及周边建筑物特别是古建筑物的安全。 ( 2 ) 地铁l 号和4 号线交叉地带施工安全评价与方案优化的研究。本文充 分总结苏州的地质和本工程特点，对原设计方案进行了变更优化，取消原c 区 与d 、e 区之间设计的地下连续墙封堵，交通疏解将干将路整体南移绕过基坑， 在d 区东南部增设盖板，保证二期道路面宽度，人民路任然按照原方案改移。 通过合理的变更优化使得主体结构二、三期工程合并在一起施工，进而减少了 一个施工阶段和对城市道路的影响，并用数值分析进行仿真研究，相比较原设 计，缩短的工期3 个月，节约成本2 0 0 万元。 ( 3 ) 复杂基坑施工安全风险管理与示范的研究。基于基坑施工的安全性， 本文开展一整套完备的风险性管理研究，采用现场数据监测和动态数值模拟分 析相结合的方法，产生一套完整的的基坑事故安全预警机制，有效的保证了基 坑工程安全顺利的完成，并深入分析特别案例，用以说明采用风险性管理的适 用性和可靠性。 1 6 3 研究的主要方法 本文主要方法有： ( 1 ) 现场监测。建立专门队伍。采用先进的仪表、仪器，进行超前地质探 测和工程监控量测，随时掌握地质变化、土体力学参数变化、初期支护结构的 受力规律，应力应变状态，指导施工。距离基坑周边三倍基坑开挖深度范围内 的地层是受基坑开挖影响比较大的区域，在该范围内的建构筑物作为重点监测 对象。根据监测方案在施工前布置好监测点并落实监测的保护工作，按规定频 率监测，建立信息反馈制度，将监测信息及时反馈给现场施工负责人和相关人 员，以指导施工。及时整理、分析监测数据，将原始信息、分析结果及拟采取 的对策及时反馈给科研攻关小组，按监理工程师批准的对策及时调整施工工序、 6 工艺，或实施变形控制措施，确保安全、优质、按期完工。 ( 2 ) 数值模拟分析。采用有限元法，三维有限变形弹塑性有限元理论分 析基坑开挖时围护结构及土体的变形特性，研究不同开挖工法条件下的的围护 结构和土体的力学效应及施工对地面下沉、管线下沉的影响，提供信息和依据。 ( 3 ) 参数确定。旋喷桩的工艺参数决定桩体质量好坏和成本消耗，为了 确保止水帷幕的效果和经济性，在施工前必须根据土层地质情况，通过试验桩 和取芯检测确定最优的工艺参数。旋喷桩的工艺参数包括加固范围、机具型号、 注浆材料、水灰比、注浆流量和提升速度等。 ( 4 ) 工程类比法。大量收集国内外深大基坑开挖的施工实例，确定工期进 度，在基坑开挖攻关阶段采取重点监控和加强管理，保证整个基坑工程顺利进 行。 7 第二章苏州地铁基坑工程概况 2 1 工程及设计概论 2 1 1 工程概论 本工程位于苏州市人民路与干将路十字型交叉路口地下，为1 号线和4 号线 间换乘车站，其中1 号线车站主体沿干将路方向布置，4 号线车站主体沿人民路 方向布置，并略有倾斜。 工程承包范围包括人民路站主体工程及其附属工程( 9 个出入口，其中预留3 个，5 组风亭等) 土建工程。期已完成a 、b 区的施工，二期主要施工人民路方向 4 号线部分。 2 1 2 设计概况 本工程位于苏州市人民路与干将路十字型交叉路口地下，为1 号线和4 号线 间换乘车站，其中l 号线车站主体沿干将路方向布置，4 号线车站主体沿人民路 方向布置，并略有倾斜。 l 敬7 - 1 人剐满囊总平矗陆置目 图2 - l 一期总平面布置图 车站1 号线方向有效站台中心里程为右c k l 2 + 4 3 4 3 7 0 ，设计起点分界里程 分别为右线c k l 2 + 2 1 7 0 7 0 、左线c k l 2 + 2 6 5 5 7 0 ，终点分界里程为右 c k l 2 + 5 0 1 9 7 0 。主体结构外包长度2 8 6 3 m 、标准段外包宽度2 2 7 m 、标准段基 坑开挖深度2 0 2 6 m 、顶板覆土为2 2 4 9 - - - 3 9 m 。 3 图2 2 二期总平面布置图 车站4 号线方向有效站台中心里程为右c k l l + 7 9 1 8 5 3 ，设计起点分界里程 为右c k l l + 6 9 2 7 0 3 ，终点分界里程为右c k l 2 + 0 0 1 6 5 3 。车站主体结构外包长度 为3 1 0 3 5 m 。本次设计为一期部分，设计分界里程为右c k l l + 8 4 6 8 5 3 ，施工车 站长度为1 5 5 5 5 m 、标准段外包宽度3 1 8 m 、