（岩土工程专业论文）地铁车站基坑施工过程监控及数值模拟研究.pdf

氛 童 一j a s t u d yo nt h em 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 nf o r f o u n d a t i o np i te x c a v a t i n ge n g i n e e r i n go fs u b w a ys t a t i o n b y p a nl o n g w u b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw uc o n g s h i a p r i l ，2 0 1 1 $#蕾譬重t鬣矗el 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 1 作：秀商入嗍洲年r 月，乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电f 版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：活l 涛入 日期：弘年5 月多口 导师签名： e t 期：砌年月纫1 7 1 摘要 本文以南宁市轨道交通l 号线广西大学车站深基坑工程为工程依托，采用理论研究、 现场监测、数值模拟相结合的方法，对地下连续墙变形及支撑轴力变化规律进行了分析 研究。主要内容与结论有： ( 1 ) 论述了深基坑工程及其施工监测的研究现状，分析了深基坑的变形机理及影 响其稳定性的因素。并指出了目前地铁车站深基坑在勘察、设计、施工及监测等方面存 在的具体问题。 ( 2 ) 根据工程实际给出了地铁车站深基坑的现场监测方案，通过对现场监测数据 的整理，总结出在施工过程中地下连续墙的变形、支撑轴力等的变化规律，结果显示墙 体变形及钢支撑轴力均在安全范围内，但钢筋混凝土支撑轴力已超设计值，经分析得出： 由于混凝土收缩，徐变等因素的影响，钢筋混凝土支撑轴力的监测结果往往偏大。 ( 3 ) 运用m i d a s g t s 有限元分析软件对乍站中间部位开挖过程进行数值模拟分 析。将计算结果与实测值进行对比，显示连续墙在各施工阶段的变形曲线基本吻合，验 证了数值模拟的i f 确性。将支撑轴力与实测值对比得出：钢支撑轴力二者相差无几，但 钢筋混凝上支撑轴力实测值高于模拟值，探讨了钢筋混凝士支撑轴力监测值偏大的原 因。另外对钢支撑怪向位置进行调整模拟，得出不对支撑位置进行调整时基坑更为安全。 ( 4 ) 通过对盾构井部分的位移及轴力的模拟，对此处表现出与主体部分不一样的 变形分布及三道支撑轴力的变化规律等进行了分析，为今后同类工程提供参考。 关键词：深基坑、施工监测、变形规律、数值模拟、盾构井 a b s t r a c t b a s e do nt h ef o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n go fg u a n g x iu n i v e r s i t ys t a t i o no fn a n n i n gc i t yr a i l t r a n s i tl i n e1 ，t h ed e f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l la n dt h ec h a n g er u l e so fs t r u t a x i a lf o r c e sw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e db yt h ec o m b i n e dm e t h o do ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， 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 nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r e ： ( 1 ) d i s c u s s e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h ed e e pf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n ga n di t s e x e c u t i n gm o n i t o r i n g ，a n a l y z e st h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fi t s s t a b i l i t yo fd e e pf o u n d a t i o np i t a n dp o i n t s o u tt h es p e c i f i cp r o b l e m ss t i l le x i s ti nm e t r o s t a t i o ni nd e e pf o u n d a t i o np i tf o rs u r v e y , d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n g ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fd e e pf o u n d a t i o np i t ，t h es i t em o n i t o r i n g p l a ni sg i v e n t h r o u g ha n a l y s i so ft h es i t em o n i t o r i n gd a t a ，t h er a g u l a t i o no ft h ed e f o r m a t i o n o f u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l ，s t r u t a x i a lf o r c e s ，e t ci nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw e r e s u m m e du p ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a n g eo ft h ew a l ld e f o r m a t i o na n ds t e e ls t r u ta x i a l f o r c e sw e r es a f e ，b u tt h er e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u ta x i a lf o r c e sw e r eb e y o n dt h ed e s i g nv a l u e t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nw e r ey i e l d e db yc a r e f u la n a l y s i s ：d u et ot h ei n f l u e n c eo ft h e s h r i n k a g ea n dc r e e pe x i s t i n gi nc o n c r e t e ，t h em o n i o r i n gr e s u l t so fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u t a x i a lf o r c e sa r eo f t e nt o ob i g ( 3 ) u s i n g t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ”m i d a s ”g t s ，t h ee x c a v a t i o np r o c e s s o nt h em i d d l ep l a c eo ft h em e t r os t a t i o nw e r ea n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o m p a r e dt h e c a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h em e a s u r e d ，s h o w i n gt h a tt h ed e f o r m a t i o no fc o n t i n u o u sw a l li ne a c h c o n s t r u c t i o ns t a g em a t c h e dw e l l ，t h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o nw e r ep r o v e d b y c o m p a r i n gt h es t r u ta x i a lf o r c e sw i t ht h em e a s u r e d ，r e s u l tw e r eo b t a i n e d ：n od i f f e r e n c ei ns t e e l s t r u ta x i a lf o r c e s ，b u tt h em e a s u r e da x i a lf o r c e so fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u tw e r es t i l lf a r a b o v et h es i m u l a t i o nv a l u e ，t h a nt h er e a s o nw h yt h em o n i t o r i n gv a l u ei st o ob i gf o rr e i n f o r c e d c o n c r e t es t r u ta x i a lf o r c e si sa n a l y s e m o r e o v e rt h r o u g ha d j u s t i n gt h ev e r t i c a lp o s i t i o no fs t e e l s t r u c tb ys i m u l a t i o n ，i t ss a f e rb e f o r et h ea d j u s t i n gi ns t e e ls t r u c tp o s i t i o n l i ( 4 ) t h r o u g ht h es i m u l a t i o no nt h es h i e l dw e l lp a r to ft h ef o u n d a t i o np i ti na x i a lf o r c e a n dd i s p l a c e m e n t ，t h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o nf r o mt h em a i np a r ta n dt h ec h a n g e r u l eo fs t r u ta x i a lf o r c e si nt h et h r e er o w sw e r ea n a l y z e d ，a n dp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h e s i m i l a rp r o j e c t si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d e e p f o u n d a t i o np i t ；i n - s i t um o n i t o r i n g ；d e f o r m a t i o nl a w s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s h i e l dw e l l i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i 1 绪论 1 1 课题研究的背景1 1 1 1 城市地下轨道交通发展现状1 1 1 2 地铁车站基坑工程的特点1 1 2 基坑工程的研究现状2 1 3 深基坑工程监测研究现状一4 1 4 目前存在的问题6 1 5 本文研究的乇要内容8 2 深基坑工程支护体系的理论分析 2 1 基坑支护技术的主要内容9 2 2 地铁车站深基坑工程支护结构类型9 2 2 1 一般基坑支护形式9 2 2 2 地铁车站深基坑常用支护形式1 0 2 3 地铁乍站深基坑围护结构稳定性分析1 0 2 3 1 作用于支护结构的倚载一1 0 2 3 2 土压力计算理论1 0 2 3 3 土压力变化的影响因素1 3 2 3 4 深基坑变形机理1 3 2 3 5 深基坑稳定性影响因素及失稳形式1 4 2 3 6 基坑稳定性验算1 5 3 地铁车站深基坑现场监测 3 1 工程概况1 7 3 1 1 周边环境及工程地质情况：1 8 3 1 2 水文地质条件1 9 3 1 3 、气候环境1 9 3 2 监测方案2 1 3 2 1 监测等级的确定一2 l 3 2 2 监测内容2 2 3 2 3 监测方法2 2 3 2 4 监测频率及警戒值的确定。3 0 3 2 5 监测数据分析与预测3 l 3 2 6 现场监测注意事项3 2 4 现场监测数据分析 4 1 连续墙侧向位移监测结果分析3 3 4 1 1 监测数据3 4 4 2 支撑轴力监测结果分析4 0 4 2 1 对应5 l 幅墙处支撑轴力4 0 4 2 2 对应2 4 幅墙处支撑轴力。4 2 4 2 3 对应3 幅墙处支撑轴力4 3 4 2 4 支撑轴力综合分析4 4 4 2 5 钢筋混凝上支撑轴力分析一4 5 5 深基坑支护结构的有限元数值模拟分析 5 1 建立模璎4 8 5 1 1 基本假定及计算范围4 8 5 1 2 模型参数的取值4 9 5 1 3 边界及荷载5 0 5 1 4 开挖过程的模拟5 1 5 2 中间主体部分计算结果分析一5 2 5 2 1 连续墙水平位移5 2 5 2 2 支撑轴力5 6 5 3 端头盾构井部分计算结果分析6 l 5 3 1 连续墙体位移分析6 l 5 3 2 支撑轴力分析6 7 5 4 本章小结7 0 6 结论与展望 6 1 结论7 1 6 2 展望7 2 参考文献7 3 致谢7 7 附：录7 8 1 1 课题研究的背景 1 绪论 1 1 1 城市地下轨道交通发展现状 随着时代与经济的发展，目前世界各国大多已进入现代城市化阶段，随之而 来的便是城市人口膨胀、用地住房等资源紧张、交通堵塞等现实的问题。西方发 达国家发展地铁和轻轨的经验表明：开发和利用地下空问、发展地下交通不失为 各国解决交通问题的根本途径，对于2l 世纪实现城市持续健康发展有非常重要的 意义。1 8 6 3 年世界上第一条地下铁道于首先在伦敦的建成通车，标志着城市地下 轨道交通方式的诞生【。在世界各地不同的国家、不同的发展阶段与程度，凡经 济较发达的城市都建有地f 铁路，显然地铁已成为一个国家或者城市的综合实 力、经济与人民生活水平水平及现代化的重要标志。 我田地下轨道交通建设起步较晚，改革开放以来，随着我国经济社会的发展， 城市化进程迅速加快，大量人口流向城市，导致其规模逐渐外扩，而居民出行和 物资交流的高度频繁，加上目前我困汽车越来越多，路面交通已经日趋紧张而严 重影响人们的日常生活。地下轨道交通这种动力大，速度快，运输能力强而不占 用地面空间的交通运输设施，正在大中城市建设中悄然兴起，并成为解决城市交 通问题的最佳选择。目前从全圈的情况来看，己建有地铁或已开工建设地铁的城 市有：北京、上海、天津、深圳、广州、武汉、南京、成都、杭州、沈阳、西安、 哈尔滨、长沙、大连、南宁等二十余座城市，另外有合肥、济南等城市正在筹备 建设。据我国地铁发展规划显示，到2 0 2 0 年我国地铁总罩程将达到61 0 0 公里，以 我国的人口基数，以及目前并不算高的城市化来看，大力发展地下轨道交通将为 我困的可持续发展扫清一道重要障碍。 1 1 2 地铁车站基坑工程的特点 地铁车站是城市轨道交通的重要组成部分，现代地铁车站已不再是单纯的地 下轨道交通的建筑，而是集中地铁车站、地下商城、人行地下通道等多种功能于 一体的大型多功能性建筑物。因此地铁车站深基坑工程具有一些自己的特点1 2 j ： 1 属于典型的长条形深基坑 我国所修建的地铁车站大多为2 3 层的地下建筑，车站深基坑开挖深度一般 在l4 m 2 5 m 之间不等，其宽度约为1 9 m 2 2 m ，长度则一般在2 0 0 m - 5 0 0 m 之间，属 于非常典型的长条形深大基坑。 2 大部分采用以地下连续墙或排桩作为围护结构的多撑式支护体系 由于地铁车站大多建在城市人口及建筑密集地区，开挖场地极其有限，多数 法进行放坡，为保证车站深基坑工程自身结构的稳定并控制基坑开挖的变形对 边建筑物及环境的影响，地铁车站基坑工程多采用以地下连续墙或排桩为围护 构的多撑式支护体系，然后将围护墙( 桩) 作为车站结构侧墙的一部分。 3 施工工艺与开挖步骤对围护结构的受力和变形有很大影响，地铁车站深 坑的开挖是受时间和空间效应影响的，施工工艺和施工步骤对围护结构的受力 变形有非常重要的影响。及时架设支撑在施工过程中对基坑稳定性的控制尤为 要。 4 周边环境保护要求高 地铁车站一般位于城市人口与商业较集中的繁华地段，深基坑的开挖对周边 建的建筑( 构) 物影响比较大。因此，要对基坑开挖引起的变形进行严格的控制， 确保周边环境不被破坏。地铁车站基坑具有开挖深度大且位移控制的要求高等 点，而我国目前的环境岩土工程理论基础处于研究的较初级阶段，因此从环境 土工程的角度进行地铁车站深基坑的设计还存在较大的困难。 5 工期要求紧迫 为了降低对城市路面交通的影响，一般地铁车站工程的工期都会比较紧迫， 所以通常建设单位会尽一切町能的加快施工进度，让其早日竣工。 1 2 基坑工程的研究现状 基坑工程是地下工程设计施工中内容丰富的一个方向，是一门既富于理论内 涵而实践性又很强的综合性交叉学科，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、结构设计原理以及环境岩土工程等多方面理 论。对于以上这止粤问题在理论上的认识与对策上的研究，是随着我国土力学理论、 计算技术水平、测试仪器以及施工机械及施工工艺的进步与提高而向前发展的。 国内外不少专家、学者针对当前的问题，相继提出了各自新的理论方法： b olt o n 等1 3 】利用模璎实验的方法研究了基坑末失稳情况下地下连续墙的工 作性能、土与地下连续墙的相互作用以及土体的水平位移、墙体侧向位移、坑周 地表七体沉降和孔隙水压力的分布情况。 l a e f e r ，d e b r af e m ( 2 0 01 ) 1 4 j 通过基于实际工程进行的模型试验，比较分析 了刚性和柔性两种悬臂式支护结构对基坑周边受开挖影响的土体和邻近建筑物 沉降与倾斜的不同影响。 b r y s o nl i n d s e ys e b a s ti a n ( 2 0 0 2 ) 1 5j 依托于芝加哥市国家地铁工程在 f r a n c e sx a v i e rw a r d es c h o o l 处的施工，引起了校舍的开裂及围护结构的变形 这一工程实例，研究了建在软土地基中的深基坑，应用刚性围护结构进行歼挖的 过程中，对近邻建构筑物及地下管线等的影响，得出建构筑物的自重预沉降量是 2 围护结构开裂的函数的结论。 g ex u e w u ( 2 0 0 2 ) 【6 l 则基于香港地铁隧道的实际工程参数，进行二维数值模拟 分析，研究了深基坑的开挖对邻近隧道的影响，指出其对隧道的挤压变形是极其 不利的影响因素。 陆瑞明( 1 9 9 9 ) 【7 l 等提出了考虑围护结构空间非线性共同作用的计算方法，他 将围护结构前面与后面的土压力随位移的变化视为双曲线，提出了将土压力与位 移的关系式作为其共同作用时计算的物理模型，另外还提出了弹簧补偿迭代法， 可以考虑基坑土体与围护结构、支撑系统三者的空间非线性相互作用，能够模拟 基坑的分步开挖过程。 周治国( 2 0 0 4 ) i s l 等研究了在基坑坑内对土体进行加固来控制围护结构变形 的规律性，认为坑内土体的加固提高了土体强度，降低了基坑坑底隆起量和基坑 围护结构的侧向位移，使受基坑影响的土体塑性区范围明显减小，对控制围护结 构变形具有非常好的效果。 张钦喜( 1 9 9 9 ) 等1 9 l 深入地探讨了基坑变形控制设计，并提出变形控制设计的 总体思路：支护体系在满足自身强度要求的前提下，还需要满足它的使用要求。 即基坑在施工过程中一方面要保证其结构的安全与不失稳，同时还需保证施工过 程对周围环境的稳定与正常工作不造成破坏性的影响。另外作者还对变形控制设 计的主体内容以及变形控制标准问题进行了深入探讨。 简浩，顾国荣，陈晖( 2 0 0 4 ) 1 0 l 等基于对水泥土挡墙变形机理的分析，对挡 墙的压顶作用进行了深入研究，探讨了压顶的有效利用范围及优化措施。结合工 程的研究发现：合适的压顶是对挡墙变形控制的一种有效措施。 俞建霖，龚晓南等( 19 9 9 ) 1 1 l 用三维宅间的有限元分析方法研究了基坑在开 挖过程中围护体系的变形情况、基坑周边地表土体的沉降、基坑底部土体的隆起 与七压力的空问分布及基坑的几何尺寸效应( 空间效应) 。通过对杭州市某基坑 实例的研究，验证了对基坑工程进行三维有限元数值模拟的正确性与计算方法的 合理性。 陆新征( 2 0 0 3 ) 1 2 l 对某具体基坑进行了整个施工过程的三维有限元弹塑性的 分析和模拟，综合考虑支护结构和士体之间的相互作用问题以及各种不同的歼挖 方案、降水方案对基坑围护结构变形的影响。 f o o k h o ul e e 1 3 l 等( 1 9 9 8 ) 曾对新加坡一个高层建筑的软土基坑做过监测， 结果表明拐角的强化效应呵显著地减少支护墙变形和地层沉降。同时，三维分析 比二维分析更能准确地预测位移。他还指出，基坑的拐角效应取决于三个因素： 基坑的长深比，较硬七层的厚度，支撑系统的刚度。 李大勇( 2 0 0 4 ) 1 4 l 采用三维有限元分析方法，探讨了内支撑基坑的开挖对地 3 管线的影响规律，经计算结果表明：( 1 ) 地下管线的位移是随着支撑刚度的增 而减小的，即增大支撑的刚度可以有效的控制地下管线的位移，但是这种反向 影响关系存在着一个最优刚度的界限，即当支撑材料超过最优刚度时，再增加 刚度，对地下管线的位移的控制就并不显著了；( 2 ) 内支撑式基坑开挖过程中 在着端部效应问题，地下管线距离基坑越近，其端部效应就越明显，并改变了 线的位移形状。 t s u i ( 1 9 8 9 ) 【1 5 1 、w a n g ( 1 9 8 9 ) 1 1 6 l 、刘国彬( 1 9 9 0 ) 1 1 7 1 、o u ( 1 9 9 3 ) i s 】、 d h a v ( 1 9 9 5 ) 1 1 9 】、r o w e ( 1 9 9 8 ) 2 0 l 、姜洪伟( 1 9 9 8 ) 2 1 l 等通过比较支撑刚度、挡墙 度、开挖形状和土的力学性质等对土体沉降的影响，得出了一些关于基坑形状、 续墙设计尺寸等具体因素对土体沉降影响的结论； 3 深基坑工程监测研究现状 基坑工程监测是指在土方开挖施工及建成投入运行过程中，使用科学仪器设 对围护体系、周边环境，如土体、建( 构) 筑物、道路、地下管线等的位移、 裂、沉降、倾斜、轴力、地下水位、孔隙水压力及基底隆起等在基坑开挖过程 的动态变化进行综合性的监测，并根据现场监测得到的岩土变位等各种行为表 ，对： 程的施工给予一个综合性的安全评价。在基坑，f ：挖期间则应根据现场监 信息并及时比较勘察、设计所给出的预期变形与监测所反馈的结果上的差别， 对原设计方案与成果进行评价分析，以判断设计方案的合理性；还可以通过反 法进行计算分析并对工程的各种参数予以修正，预测下一阶段施工中可能出现 新变化、新动态、新趋势，为施工过程中进行的设计优化及合理的施工组织提 改进意见，对施工过程中可能出现的事故与险情作出及时的预报。 在深基坑丌挖过程中，应该对基坑整个支护结构、周边土体、邻近建构筑物 及管线等进行系统的监测，才能对工程的安全情况有全面的了解和把握，确保 程施工的顺利进行。深基坑工程施工监测有较明显的特点：一方面是时效性； 二是精度要求高；第三是监测项目较多。近年来，深基坑工程监测水平有了很 的提高，监测手段不断多样化，监测项目不断多层次化，以及监测仪器逐渐先 化促使监测的精度不断提高，对于监测数据的处理分析也有了不小的进展，如 过监测数据利用数值模拟反演岩土体力学参数，以修改优化原设计方案，并预 预报未来时段内基坑支护系统变化情况，从而对保障基坑施工的稳定性，对工 的开挖具有积极作用。不少的专家学者为深基坑工程的监测提供了十分宝贵的 料： 朱文忠【2 2 l 依托南京地铁工程实践，对明挖深基坑的围护结构沉降与水平位 、桩体水平位移收敛等方而进行了介绍，阐述了施j 亡监测技术在明挖深基坑工 施工中的应用和软土地区深基坑施工时的注意事项。李惠强【2 3 l 等认为基坑围 4 护结构的变形一方面关系到基坑本身的安全稳定问题，另一方面更影响到基坑周 边环境的安全，且提出构建支护结构安全的预警系统，基于对深基坑工程的设计 及现场实测数据分析研究，采用改进的b p 神经网络，建立起了围护结构位移的预 测模型，并讨论了基坑围护结构安全监测的预警指标。王洋，汤连生l z 4 j 认为监 控预警值不仅是设计计算的重要依据，同时也是制定出合理施工方案、保护周边 环境安全的重要指标，监测项目的预警值是根据监测目的、基坑本身的特点、周 边环境的复杂程度等，结合国家相关规范并经过相关各部门协商评审后综合确 定。刘利民与张建新1 2 4 j 则指出在深基坑工程开挖监测时，埋设于基坑周边土体 中和埋设于围护结构中的测斜管量测结果的规律，指出对埋设于围护结构中测斜 管的量测结果更能真实地反映出基坑围护结构的水平位移情况。胡春林等l z 5 j 系 统地介绍了高层建筑深基坑斤挖施工期的监测技术以及险情预报的方法。吴泳川 【2 6 l 回顾和综述了现场监测在深基坑工程施工中所发挥出的安全预警作用，以及 对信息化施。亡的指导作用以及对支护结构没计的验证及优化作用。李爱民1 27 j 根 据深基坑工程施工的特点，详细介绍了一种较为可靠的深基坑水平位移监测方 案。覃卫民1 2 8 l 等基二f 明挖隧道深基坑的开挖引起近邻房屋出现的明显裂缝，结 合：f 程设计开展相关的施j 安全监测工作，其内容主要有建筑物沉降、房屋裂缝、 土体深层水平位移、围护结构水平位移以及爆破振动等。根据对相关监测成果的 总结与评价，对房屋裂缝成因进行的分析研究，可推断出房屋裂缝出现较快扩展 的主要原因是施工动荷载，再将分析研究的成果应用于后续工程施工中，对房屋 附近区域的爆破工作做出严格的振速控制限制，使房屋裂缝的扩大趋势得到较好 的控制。朱敬军1 2 9 l 等针对高地f 水位的沿海地区，依据相关规范，对实际工程 进行基坑支护设计，并在基坑施工过程中进行监测，得出基坑支护设计的成败不 仪取决设计的理论于与实践水平，也同样取决于施工过程中的监测与施工方法和 技术措施。张明富【3 0 l 等基于杭州地铁某明挖车站深基坑工程实例，对基坑施工 中引起的变形进行现场监测，对围护结构测斜、支撑轴力、建筑物沉降等多方面 进行综合分析与探讨，同时对基坑监测结果产生异常的原因进行深入研究，并对 基坑安全性进行整体评价。罗金生l3 1 l 等以广州地铁三号线某车站深基坑支护工 程为背景，采用以开挖深度、支撑位置和圈梁截面为设计变量，以支护桩变形曲线 面积为目标函数的设计优化体系，对支护结构设计及施工工艺进行方案优化，采 用间隔桩作为深基坑围护结构。通过对现场监测数据的研究得出，该设计体系、 支护方案及施工工艺切实可行，具有一定的参考意义。高德恒1 32 j 则基于广捎某地 铁车站深基坑工程的设计与施工方案，对钢筋混凝土支撑轴力的监测计算原理进 行了介绍，在对基坑开挖过程中支撑轴力监测数据的变化舰律进行分析，研究其 形成原因，并得出一些较具参考价值的经验性结论。陈泰霖等【3 3 j 通过对郑州某 深基坑工程施工的变形监测结果分析与研究，阐述了此工程的地质概况，并指出 5 测的主要内容及监测点位的布设，得到该工程的周边地表沉降、坡顶水平位移 围护结构及土体测斜孔位移的现场监测值均小于其施工控制值，验证了该基坑 程的安全性。何春保1 3 4 l 探讨了围护结构测斜监测( 深层水平位移) 对于深基 工程支护结构的安全稳定有非常重要的作用，根据规范中对位移的控制标准及 监测频次的要求对基坑围护体系进行综合安全评价，根据监测结果对基坑工程 工进行指导，并优化基坑支护结构的设计，确保了基坑支护体系的安全。王光 【3 5 l 等结合某深基坑工程施工实例，通过分析施工对不同地基基础与结构形式 建筑物变形规律，得出了引起建筑物不均匀沉降变形的主要影响因素，并分析 高压旋喷桩对地基进行加固措施于不同建筑物的适用程度。实践证明，深基坑 工过程中对周边建筑物的保护其关键是保证基坑围护结构水平位移在预警控 范围内，并通过监测信息对施工设计予以反馈，及时调整施工与设计方案，保 邻近建筑物安全。 4 目前存在的问题 地铁车站深基坑工程大多兴建于城市繁华地段，人口和建筑物均较密集，它 要保证工程结构本身在施工过程中的稳定与安全，另一方面极其重要的是需要 制受施工影响的周围土体的变形，以确保周边建筑物、构筑物地下管线等设施 安全。而工程本身又需要降低造价，因此，如何做到确保基坑工程的安全可 的前提下，做到经济合理、实用可行是目前我国工程界的一个普遍问题。特别 在目前我国各地兴建地铁之时，地铁车站深基坑是其重要组成部分，随着深大 坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多。就近两年出现的地铁施 的大小事故就有2 0 l o 年7 月，北京地铁m 1 5 号线顺义站明挖车站施工过程中，车 深摹坑钢支撑脱落；2 01 1 年3 月出现的大连地铁交通大学施 段发生塌方等等。 故一旦发生，对人民的生命财产安全会造成不可估量的损失。那么究其原因， 认为目前主要是存在以下几个方面的问题： 1 、勘察方面基坑工程的地质勘探所提供的报告和资料，是基坑工程设计与 工的一个先决性依据。现场的勘探主要包括掘探、钻探、触探、物探等四大类， 中钻探以其高度的适用性成为目前应用最为广泛的一种勘察手段，但是目前在 程勘察中往往容易出现各种问题如在钻探中出现钻孔深度不够，现场取土人员 现士样随意摆放等工作态度问题而造成土层记录与实际不相符，另外甚至还出 布孔不合理或数量过少等等情况均会造成不同程度上的勘察资料错误与误差。 日后的工程设计与施工埋下了安全隐患。 2 、设计方面基坑工程设计必须具有结构力学、土力学、基础工程等多种专 学科知识，同时还需要丰富的现场经验，并结合拟建场地的实际情况及周边环 情况，再参照勘察资料因地制宜的制定出合适的设计方案。基坑工程支护结构 6 的设计目前多采用等值梁法，由于它无法分析支护结构的变形，因而也无法预估 开挖对周围建筑物、管线和道路的影响。设计中又容易出现尚未了解清楚拟建工 程的地质条件，周围地下管线、建筑物或构筑物的使用要求等，而常出现支撑位 置设计不合理等情况，造成围护结构变形过大支撑受力不均匀，或设计过于保守， 造成不必要的成本浪费。另外目前深大基坑支撑体系常采用材料有钢筋混凝土， 在施工后期需要进行爆破拆除，其使用受到一定的限制。 3 、施工方面在施工中主要存在：施工质量问题、超挖问题、施工管理问题 在盘 守。 支撑结构不合理，施工质量得不到保证。比如钢管支撑支点数量过少，连接 不稳固；有些钢管与斜撑、支撑焊接质量差，容易出现焊缝拉裂等情况；有的钢 管使用多年，表层被氧化而造成壁厚变薄，结果出现部分钢管变形过大，节点遭 到破坏，而后造成整体破坏。 超挖是基坑施工中一大忌，有些工程为赶进度，来不及架立支撑的情况下就 继续向下开挖，往往会造成围护结构变形过大等情况而影响基坑的整体稳定。 现场施工管理，目前往往是工程总包是一方，支撑系统施工是一方，开挖土 方又是另外一方，三方的协调工作显得尤为重要，稍有疏忽就可能出事。难以做 到先撑后挖，而是超挖或支撑跟不上，往往与上述管理体制关系。管理e 的层层 分包、多层分包，更容易发生偷工减料而引起事故。 4 、监测方面目前我国对地铁车站深基坑工程施工是要求必须有施工监测 的，施工监测工作是指导施工、避免事故发生的必要措施，也是进行信息化施j 【 的手段；监测也是检验设计理论的正确性和发展设计理论的霞要依据。但是目前 监测仍然存在以f 几方面的问题： 1 ) 目前监测工作的数据采集还只是停留在人工采集数据的层次上，尚无法 做到真正的实时监控，易出现监控的盲时，所以还无法做到真正意义上的信息化 施工。 2 ) 监控布点与元件埋设方面的问题。监测点位的布置由于受现场施工、环 境变化等影响往往容易出现无法完全按照设计来进行，另外操作人员也可能出现 偷工减料的情况而无法达到监测要求。比如： 地铁车站基坑监控中周边建筑物沉降一项，一般会采用在墙脚打入钢筋，将 钢筋和建筑视为一同沉降变形的方式进行监测，但是在现场监测的过程中经常会 发现打入墙体的钢筋是不稳固的，此时测出来的数据显然毫无意义。 地铁车站周边地表沉降点位一般要求将元件打入混凝土底下的土层，以观察 土层的沉降变形情况。而现实埋设过程中经常是将元件与混凝土路面固结在一 起，与之一起变形。 3 ) 数据处理上的问题。由于分析者的不认真或者其本身水平不高，也易对 7 工程造成一定的影响，另外目前的一些监测项目没有一个比较准确的方法。比如 钢筋混凝土支撑轴力的监测，目前常用的方法是预埋钢筋应力计，通过应力计受 力换算其应变，并假设钢筋混凝土支撑的应变和钢筋应力计具有相同的应变，通 过应变与弹性模量计算得到钢筋混凝土支撑的轴力。这里存在钢筋与混凝土的热 膨涨系数不一致，而造成计算结果受温度影响很大的问题。目前根据现场测试的 结果来看，测试结果往往大于或远大于实际值。 1 5 本文研究的主要内容 本文以南宁市轨道交通一号线广西大学地铁车站为工程依托，对其现场监测 数据进行分析并依据工程实际情况对施工过程进行有限元模拟，具体内容如下： ( 1 ) 对深基坑工程支护理论进行了系统的介绍，分析了基坑施工中所受的 土压力计算理论以及基坑的稳定性影响因素。 ( 2 ) 对广西大学地铁车站的施工工况进行了详细介绍，并据此结合相关规 范给出了此站施工监测的具体方案。 ( 3 ) 根据监测方案进行现场的数据采集，整理并分析了连续墙侧向位移及 支撑轴力在施工过程上的变化情况。 ( 4 ) 运用有限元分析软件对基坑开挖过程进行数值模拟，并将计算出的墙 体侧向位移及支撑轴力结果与实测结果对比分析，找出其变化规律与影响因素。 8 2 深基坑工程支护体系的理论分析 2 1 基坑支护技术的主要内容 在建筑物、构筑物进行地下部分施工或地铁车站修建时，需开挖基坑，为保 证基坑施工及周边环境的安全，要进行施工降水和基坑周围的围挡，同时要对基 坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下进行的监测和维护，以确保顺利、安全施 工的一项综合性工程，其内容主要包括勘察、设计、施工、监测以及信息的反馈 等几个方面。几乎土木工程的所有领域都涉及到基坑工程，如建筑工程、水利工 程、港口近海工程、道路桥梁、市政工程及地下工程等工程领域。 基坑工程围护结构作为地下轨道交通及建筑工程中一个较为重要组成部分， 越来越受到人们的关注和重视：一方面足基坑的开挖深度越来越深，技术难度越 来越大；另一方面是基坑开挖的事故时有发生。特别是一些重大地铁车站深基坑 支护工程的事故，教训非常深刻。总的来说，基坑支护技术要从以下三方面进行 考虑： ( 1 ) 保证基坑周边边坡的稳定性，满足基坑开挖的空间需要，即基坑支护 体系应起到稳定周边士体的作用。 ( 2 ) 保证受基坑开挖影响的近邻建筑物、构筑物及地f 管线的稳定与安全， 即控制基坑在开挖过程中周边土体的变形，将基坑周边的地表沉降及土体水平位 移控制在可控范围内。 ( 3 ) 保证基坑开挖的工作面在地下水位以上，即通过截水、降水等排水系 统措施，保证施工作业面的要求。 2 2 地铁车站深基坑工程支护结构类型 2 2 1 一般基坑支护形式 基坑开挖总体上分为两大类，即放坡开挖和有围护结构的开挖。实际工程中， 选择何种形式进行开挖，应根据当建构筑物要求，工程地质勘察报告和现场试验 报告，综合开挖尺寸，形状以及深度，施工现场的可用空间，开挖时间和施工工 期，场地周围建筑物的重要性，周围地下管线的安全性要求等诸多因素，在保证 工程安全且经济合理的情况下，选择合适的开挖方式。 ( 1 ) 放坡开挖适合于基坑周围空旷，有允许放坡所必须的场地，基坑深度 不大，土层性质较好，周围无邻近建筑物和地下管线。其主要优点是施工主体工 程作业空间宽裕，工期较短，造价较低。 9 ( 2 )有围护结构开挖的围护形式主要有：水泥土搅拌桩围护、排桩围护、 下连续墙围护、土钉墙围护结构、s m w ：i ：法等加适当的支锚系统。 2 2 地铁车站深基坑常用支护形式 地铁车站长条型基坑由于其复杂的周边环境及基坑开挖深度、平面尺寸等因 决定其常用的围护形式有以