（水利工程专业论文）地铁车站深基坑监测及其稳定性研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文以沈阳地铁一号线启工街站为工程背景，给出了地铁基坑围护设计方案和施工 方法，采用现场监测、分析等方法研究了影响地铁深基坑稳定的主要因素，得到了地铁 车站深基坑的变形规律，完成了基坑稳定性评价。同时为了对支护结构体系优化进行可 靠性及科学性分析，本文运用大型工程有限元分析软件a n s y s 建立分析模型，考虑了土 体非线性，对其进行有限元分析，模拟施工过程的土体的稳定性及支护结构的受力和变 形。 研究结果表明：启工街站基坑围护方案设计是合理的；桩顶水平位移反映支护结构 的顶部变形情况，能直接反映支护结构变形特性，是支护结构安全状况的重要指标，过 大的桩顶位移往往是支护结构破坏的前兆。钢支撑的位置及安装时机对基坑稳定性影响 很大，设置钢支撑对减小支护结构变形和弯矩十分有利，现场监测结果表明设计的预应 力施加值偏大，造成一定的浪费。利用现场监测和数值计算方法，可以很好的了解围岩 在施工过程中的应力动态和支护结构的工作状态，为施工组织提供了决策依据，完善了 设计；同时，可以对支护结构的最终变形作出预测，起到了预警作用，实现了动态设计 及信息化施工。 关键词：基坑；监测；变形；稳定性；a n s y s r e s e a r c ho nm o n i t o r i n ga n ds t a b i l i t y f o r d e e p f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n go fs u b w a ys t a t i o n a b s t r a c t b a s e do nn l eq i g o n g i i es u b w a ys t a t i o n , t h em a i n t e n a n c ep l a na n dc o n s t r u c t i o nm e m o d a f eg i v e n 1 1 1 em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fd e e ps u b w a y e x c a v a t i o na r es t u d l e d 砌t n 廿1 ei n s i t um o m t o 血培a n a l y s i s t h ed e f o r m a t i o nl a w so ft h ed e e p e x c a v a t i o no 士s u b w a y s t a ：i o na r eo b t a i n e d ，a n dt h es t a b i l i t ya s s e s s m e n to f t h ee x c a v a t i o ni sa c c o m p l i s h e d a n dt h ep a p e rp u tt ou s e dt h em a c r o p a t t e r nw o r k sf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o 脚盯e a n s y si no r d e rt os e tu pt h em o d e la n da n a l y s i st h es u p p o r ts y s t e m sr e l i a b i l i t ya n d s c l e n c e t h e nf i n i t ee l e m e n t 锄a l y s i so nt h es u p p o r ts y s t e ma n ds i m u l a t e dt h es t a b i l i t yo f t h es o i la n d t h ed e f o r m a t i o na n dt h es t r e s so ft h es u p p o r ts y s t e mi nt h e c 0 1 r s eo fw o r k i n g n l es t l j d v i n gr e s u l t sa r ea sf o l l o w s t h em a i n t e n a n c ep l a ni sr e a s o n a b l e t h eh o r i z o n t 砒 d i s d l a c e m e n tv a l u eo fp i l et o pi sa ni m p o r t a n t i n d e xt ot h es a f e t yc o n d i t i o no ft h e m a i n t e n a n c es 缸u c n l r e ， a n dr e f l e c t st h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em a i m e l l a n c e s 们l c c l l r e e s p e c i a l l yt h ep i l et o p e x c e s s i v e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tv a l u eo fp 1 l et o p1 s a l w 吖st h ep r e c u r s o ro ft h ed e s t r o yo fm a i n t e n a n c es t r u c t u r e t h ep l a c ea n d t i m es 毗m gs t e e l p i l eb r a c ei n n u e n c e 戗1 ee x c a v a t i o ns t a b i l i t yo b v i o u s l y ，a n di su s e f u lt or e d u c e t h ed e f o r m a t l o n a n dm o m e n to fm a i m e n a i l c es t r u c t u r e t h ei n s i t um o n i t o r i n gr e s u l ts h o w s t h a tt h ep r e t e n s l o n f o r c ei sal i t t l el a r g e ，w h i c hc a u s e ss o m e w a s t e u s i n gt h el o c a l em e a s u r i n ga n ds u m e r a ls i m u l a t i o nm e t h 。dc a l l f i n do u tt h es 仃e s so f s u n - 0 u n dr o c ka n ds o i la n dt h e i rw o r k i n gs t a t eo f t h ee n f o r c es y s t e m ，a n dp r o v i d et h eb a s i so f c o l l s t r u c t i o np l a n n i n g ，c o n s u m m a t ed e s i g n a tt h es a m et i m e ，i t a l s oc a ng i v eo u tt h e p r e d i c t i o n 。f t h ee n dd i s t 。r t i 。n ，m a k ej u a g r n e n t 。fd a n g e r 。u sc 。n d i t i 。n ，a n dr e a l i z ed y n 枷c a n di n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：f o u n d a t i o np i t ；m o n i t o r i n g ；d e f o r m a t i o n ；s t a b i l i t y ；a n s y s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：兰黧墼皇堑至盈望盈堕主丝垦塑丝垒兰兰塑盔 作者签名：兰盎圭亟 日期：三呈：z 年么月二么日 蝰铁车站深基坑监颢l 及萁稳定经研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向冒家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的意义 基坑工程是基础工程施工中的一个传统课题，但随着我国经济的快速增长和城市建 设的迅速发展，高层建筑、地铁、地下车库、地下商场等工程建设中的深基坑工程日益 增多，并不断向大而深的方向发展，深基坑的施工、支护和施工监测越来越受到人们的 关注和重视。 随着城市高层建筑的发展和地下空间的利用，深基坑开挖越来越普遍。在深基坑开 挖过程中，土体变形的控制是工程成败的关键问题之一。只要在土体中进行深基坑开挖 工作，由于应力释放等原因，土体总要发生变形，基坑的变形将对基坑本身稳定性和周 围环境产生不同程度的影响。当基坑变形量达到一定程度时就会出现基坑失稳的问题 ( 即基坑工程事故) 。科学的监测结果可以对基坑安全状况进行正确的评价，并可以及 时地对基坑安全进行预警，从而为基坑安全防护提供必要的条件( 包括保护方案的制定 及保护方案的实施) 。因此，在基坑开挖过程中要非常重视变形观测工作。 在基坑开挖过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压 力状态转变，应力状态的改变引起土体的变形，即使采取了基坑支护措施，基坑支护结 构的变形也是不可避免的，这些变形包括：支护结构以及周围土体的侧向位移与沉降； 坑内土体的沉降等。这些位移的量值如果超出允许范围，都将会对基坑支护结构本身造 成危害，如支护结构内倾、变形、严重时会导致整个基坑支护结构的倒塌破坏，进而导 致基坑周围的建筑物及地下管线开裂、倾斜甚至倒塌。因此，足见一套合理的可用于基 坑安全监测及变形预警的系统具有非常重要的意义。 由于目前还没有成熟的方法计算基坑周围土体的位移量，岩土工程师在进行设计时 往往只能借助于过去的经验和工程类比，因此，需要在施工过程中通过现场变形观测与 设计时的预测进行对比，验证支护结构设计合理性，指导基坑开挖及支护工程施工，必 要时对设计方案或旋工过程和方法进行调整。为了指导施工，保证基坑开挖安全，在 深基坑开挖与支护过程中，要满足支护结构和被支护土体的稳定性，就必须防止破坏极 限状态发生。在破坏极限状态发生前，多数基坑都会在侧向不同部位出现较大的变形， 因此必须加强开挖过程中的变形监测工作，进行科学的预测，从而指导开挖，必要时采 取应急措施，避免破坏发生。 在基础工程施工中，确保深基坑开挖的稳定性具有重要的意义。近年来因基坑失稳 地铁车站深基坑鉴测及萁稳定性研究 豢! 晌旎工的事故发生较多。零| 起这些事故的原因很多，支护类型选择不当，雷前在基坑 支护设计中尚无成熟的可兼考虑多种因素影响的计算理论和方法，对水土压力及施工荷 载馋计不足，施工方法不当或施工过程受n # t - 界因素的于扰等，都可成为引发事故的原 因。如对有关施工过程做进步分析可以发现，对施工监测尚未形成较为完善的规章， 以及尚不能依据现场采集的监测信息对基坑开挖的安全性及时作出预报以便针对可能 磁现的险情及时确定对策是事故发生的重要原因。换言之，如采基坑工程的环境监测与 险情预报到位、准确且及时，往往可以防止事故的发生，或者说，可以将事故所造成的 损失减少到最小。 对于深基坑工程这种土体与围护结构体相互共同作用的一个动态变化的复杂系统， 仅靠理论分析和经验估计难以把握在复杂条件下基坑支护结构与体破坏形态，也难以 完成安全、可靠、经济的基坑设计与施工。通过施工时整个支护系统的监测，可以了解 其变化的态势，利用监测信息的反馈分析就能较好的预测系统的变化趋势。当出现险情 预兆时，可做出预警，及时采取措施，保证施工的安全和环境的安全；当安全储备过大 时可及时修正设计，削减围护措施；通过反馈，可修改计算模型，调整计算参数，总结 经验，以便提高设计与施工水平。 基坑工程的监测预报技术是指基坑在开挖施工过程中，用科学仪器、设备和手段对 支护结构、周边环境( 如体、建筑物、道路、地下设施等) 的位移、倾斜、沉降、应 力、开裂、基底隆起以及地下水位的动态变化、土层空隙水压力变化等进行综合监测。 然薏，根据前一段开挖期闻监测到的岩土交位等各种行为表现，捕捉大量的岩土信息， 及时比较勘察、设计所预期的形状与监测结果的差别，对设计成果进评价并判断施工方 案的合理性。通过监测取褥的数据和现场描述，利用优化反分析法、时效曲线法、动态 施工的粘弹性反演法、智能预测控制法等手段进行分析计算和体整岩土力学参数，预测 下一段工程实践可能出现的新行为、新动态，为施工期间进行设计优化和合理组织施工 提供可靠的信息，对后续的开挖方案与开挖步骤提出建议，对施工过程中可能出现的险 情进行及时的预报，当有异常情况时立即采取必要的工程措施，将问题抑制在萌芽状态， 以确保工程安全。 可见，基坑工程的施工监测预报技术既是检验设计正确性和发展理论的重要手段， 又是及时知道正确施工、避免事故发生的必要措施。正在建设中启工街地铁车站采雳的 就是明挖法施工，论文结合在施工过程中采集的数据以及所遇到的问题进行课题研究。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基坑及监测预警技术的研究现状 基坑是建筑工程的有机组成部分，也是古老而有时代特点的岩土工程课题，其发展 与土木工程建筑的发展密切相关，人类的土木工程活动促进了基坑的发展，特别是上世 纪3 0 年代( 我国主要是8 0 年代) 以来，高层建筑的兴起对基坑的要求越来越高，出现 的新问题越来越多，这就促使人们不断探索研究这一古老课题，从而涌现了许多新的经 验和理论及研究方法比，。 上世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人开始研究基坑中的岩土工程问题。以后各国学者开 始投入了这方面的研究，t e r z a g h i 和p e c k 等人在上世纪4 0 年代提出了预估挖方稳定程 度和支撑荷载的总应力法，这一方法一直沿用到了现今。5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 提 出了分析深基坑地板隆起的方法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软黏土深基坑中使用 仪器进行了现场监测，后来工程中的大量实测资料提高了预测的准确性。7 0 年代则开始 出现了指导开挖的相应法规1 。 在我国，基坑工程的广泛出现起始于上世纪8 0 年代，十一届三中全会以后，随着 改革开放的深入，我国经济快速发展，高层、超高层建筑大量出现，部分城市开始修建 地下铁道，相应的，基础埋深不断增加，基坑开挖深度不断加深，9 0 年代以后，好多城 市开始了大规模的旧城改造的建设，在繁华的市区进行深基坑开挖使新问题出现，如何 控制深基坑开挖的侧壁稳定及其环境效应问题变的十分突出，这一现实需要推动了我国 基坑开挖技术的研究和发展，产生了许多先进的设计计算方法，施工工艺也不断得以发 展进步，在深圳地区的第一个深基坑支护工程率先应用了信息施工法，大大节省了工程 造价。进入9 0 年代以后，我国总结深基坑施工和支护经验，开始着手编制深基坑支护 设计与施工的有关法规，1 9 9 9 年9 月1 日，我国开始施行建筑基坑支护技术规程 ( j g j l 2 0 9 9 ) ( 中国建筑科学院主编) 。 基坑工程主要涉及土层性质、围护结构、支撑型式、地基处理、防水以及环境影响 等方面，目前设计及研究的主要课题集中在墙体及支撑系统刚度、墙体埋深、开挖方式 以及土性改良等对基坑变形和稳定的影响。通常可将对基坑工程研究划分为四类：即土 层性质、新型围护结构及施工工艺计算分析的理论方法，环境问题对策。在土层性质研 究上，曾国熙、陈永福和曹名葆对土体卸荷和再加荷等过程中的性状进行了室内土工实 验研究，分别提出了非线形模量的表达式。在基坑的围护形式上，至今已经发展出数十 种之多，其中土钉墙和水泥土搅拌连续墙( s m w 法) 是新兴的两种比较好的方法。在计 邋铁车站深薹坑楚羧l 及其稳定性研究 算分析方法方面，朱合华强调了动态施工反演分析的思想帮在常规的反分析过程中弓| 入 逐步开挖和逐道支撑的动态施工因素，以求仿真模拟工程实际情况，进而为相继施工阶 段的变形预报提供可靠保证，反推了备土层的弹性模量系数。徐墨庆从流变学的观点出 发，给出土压力与位移和时间有关的计算公式，对进一步探讨土压力的计算方法有一定 的实际意义和实用价值。国外的许多专家学者也都研究提出了许多新的计算分析方法? k i s h n a n i 利用有限元技术分析了渗流对土压力的大小和分布、挡墙的侧囱位移以及墙后 沉降的重要影响。s u 根据上限理论，分析了土体的强度各项异性、非均质性、挡墙深度 对基坑稳定性的影响，且与数值计算结果作了毙较，说明了优缺点强弱。 近几十年国内外学者取得了不少的研究成果，下面进行简单的回顾： p e c k 却( 1 9 6 9 年) 遁过工程实测统计缛出的一套与层性质及开挖深度有关的地表 估算方法。 l a m e ( 1 9 7 0 年) 定性分析了影响坑周土体变形的各种因素，并将其归为八个方面： 基坑尺寸( 长度、宽度、深度) ；土的性质；地下水条件；基坑暴露时闻； 支撑系统；开挖和支撑的顺序；邻近基坑结构型式和设施；动荷载。 c l o u g h 等( 1 9 7 1 年) 首先将有限元法应用到基坑变形分析中。 c l o u g h 和s c h m i d t ( 1 9 7 7 年) 研究得出：基坑地面沉降量的分布型式取决与沉降 量的大小；基坑的安全系数f 越小，基坑周围的土体变形就越大。 a t t e w e l l ( 1 9 7 7 年) 、0 r o u r k e ( 1 9 7 7 年) 分析研究了受土体位移影响的建筑物 的破坏情况，并给出了容许变形值的些具体指标。 s t a m a t e l l o ( 1 9 8 0 年) 得出了在粘土中开挖基境的影响距离的公式。 p o r t s 和f o u r i e ( 1 9 8 4 年) 运用有限元法研究典型结构和初始应力对由单一支撑挡 墙性状的影晌。利用理想弹塑性本梅关系模拟土的形状，并假设支撑点作用在挡土墙的 顶端。研究认为，土体的位移值取决于开挖和墙体的尺寸、土和墙体的性质、支撑点的 位置、墙体的构造方式、土中的初始应力等。 w o n g ( 1 9 8 9 年) 用有限单元法对施工降水的影响进行了分析，计算结果表面：降水 产生的位移占总位移的比例较大。 侯学渊瓣3 ( 1 9 8 9 年) 等通过以菲线性的b i o t 固结理论芜基础的有限元和无限元藕 合计算，对弓l 起深基坑周围地表沉降的几种主要因素进行分析和模拟，探索了基坑周围 体位移的规律，并借鉴嚣入的研究成果及p e c k 估算隧道上访的体沉降的理论途径， 提出一种估算深基坑侧边地基土沉降的方法。 徐方京阱3 等( 1 9 9 3 年) 分析了影响基坑变形的因素及坑外地层移动影响的范围，并 认为抛物线沉降分布型式的地表沉降可表示为瑞雷( r a y l e i g h ) 分布函数。 大连理j 【大学专业学位硕+ 学位论文 张鸿儒m 3 ( 1 9 9 6 年) 通过数值计算指出，对于地下管线等地下工程设施，由开挖产 生的地层水平位移的影响往往会大于地层沉降，因而是不可忽略的。 杨光华( 1 9 9 7 年0 分析了降水对基坑周围地层和基础沉降差的影响。 俞建霖啪1 ( 1 9 9 8 年) 认为基坑周围地表沉降量的分布型式有“三角形”和“抛物线 两种，主要与悬臂开挖部分的深度有关。 俞建霖，赵荣欣啪3 ( 1 9 9 8 年) 用有限元法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与宽度变 化对基坑变形的影响。 张明聚，宋二详洲等( 1 9 9 8 年) 用三维有限元方法对土钉支护下基坑的变形进行了 模拟，其中对基坑外地表沉降规律以及对地层沉降的预测作了一些研究。 刘金元h 妇等( 1 9 9 9 年) 针对基坑工程中环境对策问题，提出循迹补偿原理，利用围 护结构变形和建筑位置响应变形的时间差，在基坑变形传递到建筑物之前，将由于围护 结构变形造成的土体损失通过注浆补充进去，从而有效地减少周围地层位移，达到保护 周围环境的目的。 周华根、董荣鑫h 2 1 ( 1 9 9 9 年) 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，建立地面沉降网格，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。 基坑的发展需要相关的监测来保证施工的顺利进行，这就带动了安全监测的发展。 早在远古时代便有边坡开挖和简易木桩支护。但在2 0 世纪初以前的建筑基坑一般具有 工程小，开挖面积不大的特点，而且那时的监测仪器尚不发达，基坑工程极少采用仪器 监测开挖及运行情况。上个世纪初以后，高层及超高层建筑大量涌现，部分建筑基坑开 始采用仪器进行监测。在2 0 世纪6 0 年代初期，已开始在奥斯陆和墨西哥软土深基坑中 使用仪器进行全方位的监测，经过几十年的发展，在2 0 世纪9 0 年代一些发达国家已经 出现了监测电脑数据采集系统，实现了监测自动化。我国的深基坑的全方位监测从2 0 世纪9 0 年代才刚开始起步。施工安全监测工作的蓬勃发展在国内外带动了监测仪器的 发展，一些先进的监测仪器逐渐在工程中得以应用啪1 。如g e o k o n 仪器主要用于大坝、 隧道、边坡、桥梁等工业及民用结构的安全监测，我国的三峡工程，小浪底水利工程等 工程中已有应用；s l o p ei n d i l e t o r 公司已可提供用于岩土及结构位移，应力监测的传 感器及一些相应的数据处理等软件；我国北京、武汉、南京等地也已经有监测仪器研制 生产单位。 地铁车站深基境监测及其稳怒睫瞬究 近十多年来，国内岁 对建筑基坑安全滥测开始越来越重视，许多学者开始对基坑边 坡安全监测工作进行研究。张文波研制了边坡监测信息微机管理系统、该系统f o x b a s e 、 f o r t r a n 、t u r l o 混合编程，其有对边坡监测资料进行数据管理、数据处理、变形预报以 及绘图等功能；袁宝远研究了一个具有监测信息管理，可视化查询分析边坡不稳定先兆 分析等功能的边坡监测信息系统，该系统具有面向对象风格和可视化特征，具有在专家 参与下对监测信息分析预报的特点；钟正雄研究建立了基坑监测数据库管理系统，该系 统能全面的将基坑监测信息的各种信息按数据库格式输入，其中包括一些不确定信息， 并能客观的评价监测项目豹稳定状态，设置含报警及相应的规程和规范指标等密嗣；麓 友健研究了深基坑监测数据处理与预测报警系统，该系统对深基坑的监测数据实施数据 库管理，利雳灰色系统理论建立变形预测模型，采用若干定性和定盘指标进行涤基魄工程 极限状态的分析判别与险隋预报。 近年来，由于动态设计及信息化施工技术的提出，国内外学者对建筑基坑预测预报 技术进行了更深入的研究。现在常用的建筑基坑预测预报分析方法有神经网络预测预报 方法、实时建模时序分析预测预报法、模糊数学预测预报分析法及灰色系统预测预报法。 倪立峰强1 根据基坑变形的特点，提出应用动态递癌享枣经网络实时建模预报，并采瘸一静 改进的在线学习算法，较好的描述了基坑的动态特性；贺可强口根据深基坑变形的基本 特征，用神经网络建立了深基坑变形的实时预报模型，编制了用予预报的神经网络程序； 曹红林疆1 将小波神经网络应用于深基坑周围地表沉降的预测，提出了一种有效的预测方 法，并构造了预测沉降的小波神经网络模型；张伟丽h 5 ，根据灰色系统理论，建立了基坑 变形的罐预测模型，根据现场位移观测值对后续施工中的变形值进行预测；荣延祥珏翻 利用灰关联分析研究基坑边坡位移数列与基坑周围边公寓位移数列之间的关系，并将二 者迭操生成一新的盘移数列，丽后利用灰色预测模型分别对以上三个数列进行预测；钟 正雄7 1 针对基坑变形的特点，提出了在基坑变形预测中应用实时建模预报时间序列的分 析方法；赵海燕阻羽提出了非线性变形动态趋势曲线，可对基坑开挖每一阶段的变形采用 函数形式定量的表示，并通过具体工程算例进行了验证，该曲线改进了以往仅凭经验难 以预测的特点；邓跃进n 们介绍了气候、地质等不同影响因素与位移量的模糊近似推论， 在戴基础上廒雳模糊人工神经网络进行位移量预报；杨林德通过将现场信息采集，优化 反分析支护位移和安全性监测建立了动态预报技术，提出了分析理论和方法，还有其他 许多学者都对基坑预测预报技术进行更深入的研究，提出了许多新的方法。 李云安3 对基坑工程变形控制进行了论述，提出了基坑有效系数、有效区、失效区、 临界线的新概念，同时提出了变形控制参考标准和积极有效的变形控制对策。 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 李惠强1 等认为基坑支护结构的位移与变形不仅关系到基坑本身的安全问题，也影 响到周边环境的安全，提出了构建支护结构安全预警系统，在分析研究深基坑工程设计 和施工实测资料的基础上，采用改进的b p 神经网，建立起支护结构位移预测模型，并 就基坑支护安全监测预警指标进行了讨论。 王洋，汤连生h 5 1 认为监控报警值不仅是设计计算的重要基础，同时也是确定合理施 工流程、保护周边环境安全的重要依据，监测项目的监控报警值根据基坑自身的特点、 监测目的、周围环境的要求，结合本地区工程经验并经过有关部门协商综合确定，同时 也给出了一些参考预警指标。 1 。2 2 路面裂缝的研究现状 沥青路面( a s p h a l tp a v e m e n t s ) 因其行车舒适已成为道路铺面的主要类型。我国 2 0 0 3 年公路水陆交通行业发展统计公报表明：公路建设随着国家综合实力的提高和 西部大开发战略的实施而得到空前发展，而沥青路面已成为我国公路路面的主要形式。 因此，不断提高沥青路面的设计、施工和维修管理水平并防止和控制路面的早期破坏， 对于促进我国公路交通基础设施的健康发展具有特别重要的意义。 沥青路面的主要破损形式包括：疲劳开裂、车辙和低温开裂。路面宏观的破损现象 都是路面结构在轴载和环境共同作用下力学行为的直接反映。沥青路面一直暴露在自然 环境和行车荷载的作用下，加上前期施工因素的影响，使许多沥青路面在竣工后1 - 2 年 内就出现了早期破坏h 6 1 ，对交通部门和国家造成巨大的经济损失。积极开展路面力学行 为的研究，对于全面理解路面破损机理、优化路面混合料设计、合理选择路面破损维修 方式并有针对性地防止和控制路面早期破损是至关重要的。 沥青路面的设计方法已经从经验法、限制剪切破坏法、限制弯沉法和基于路面性能 和道路试验的回归法发展到力学经验法。力学经验设计方法是以材料的力学 特性为基础的一种设计方法，他将轮载等输入因素与路面响应如应力、应变等输出因素 联系起来。根据室内试验和现场性能测试数据，可以用计算结果预测路面破坏的程度。 传统的疲劳方法( t r a d i t i o n a lf a t i g u ea p p r o a c h ) 、形变能量法( d i s t o r t i o ne n e r g y a p p r o a c h ) 、损伤力学( d a m a g em e c h a n i c s ) 和断裂力学( f r a c t u r em e c h a n i c s ) 都可 用来分析和预测裂纹，传统的疲劳方法对路面评价的定义在一些书籍中( 如 y o d e r & w i t c z a k h 别) 已有介绍。既有的性能评测方法是粗略的，用这种方法不能解释现 在路面出现的损坏( 如纵向的表面裂纹) 。更确切地说，它是适应传统的发生在沥青路 面底部的与荷载相关的裂纹。传统的疲劳方法和形变能量法都应用在分析均质连续路 面，形变能量法被一些研究者用来分析表面裂纹的发展。然而，这种方法总是计算出最 高的形变能量在底部而不是在沥青层的顶部h 叼由于这个原因，这种方法不能充分地解释 地铁车站深基坑监测及其稳定性研究 由轮胎接触应力引起的拉应力区内裂纹是怎样进一步扩展的。因此裂纹扩展的特征不能 用均匀连续路面模型来解释。 p a r is e r d o g a n ( 1 9 6 3 ) 阿。首先提出裂纹扩展状态方程，他们通过对重复荷载条 件下试验数据的回归分析发现，裂纹扩展率可表示为p a r i s e r d o g a n 方程。 h s ue ta 1 ( 1 9 9 6 ) 乜刁应用线弹性断裂力学和粘弹性裂纹生长的s c h a p e r y ( 1 9 7 5 ) 2 3 理论来研究重复荷载作用下间歇期对沥青混凝土疲劳响应的影响。 c h a n ge ta 1 ( 1 9 9 7 ) 乜铂建立了一个基于离散单元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ， d e m ) 的h m a 微观力学模型( m i c r o m e c h a n i c sm o d e l ) ，并修改t r u b a l 程序为a s b a l 来 模拟i i m a 。 z h a n ge ta 1 ( 1 9 9 9 乜7 1 ，2 0 0 1 乜7 3 ) 基于弹一塑性断裂力学，提出了一种模拟疲劳裂 纹生长和预测疲劳裂纹寿命的数值方法，这种方法利用两个参数：j 一积分和r 一曲线，他 们是表征材料弹一塑性断裂行为，定义裂纹扩展准则和确定临界裂纹扩展长度。 b i r g i s s o ne ta 1 ( 2 0 0 2 ) 他7 3 在介绍了位移间断边界元法和有限元法的优缺点后认 为d d b e m 能很好地求解和模拟路面裂纹的发生和扩展。 沙庆林( 2 0 0 1 ) 3 对中国高等级沥青路面早期破损现象及防止措施进行了详细的研 究。 曹东伟等晦1 1 用有限元法分析了旧水泥混凝土路面沥青加铺层的力学响应。 张起森等( 1 9 9 2 ) 嫡2 3 通过对半刚性基层沥青路面的断裂应力分析和光弹试验验证， 认为由于负温度梯度作用引起的温差应力是高等级公路沥青路面开裂的基本原因。 周志刚等( 1 9 9 6 ) 呦3 通过建立路面结构随季节性变化的温度应力场和交通荷载作用 下路面结构粘弹性层状体系模型，分析了气温和交通荷载对低温缩裂的影响。 彭妙娟等( 1 9 9 8 ) 阳1 在假定半刚性基层中有一贯通整个厚度的裂纹以及其反射到面 层两种情况下，用有限元法分析了温度和荷载共同作用下的应力和裂纹尖端的应力强度 因子，估算了疲劳寿命，讨论了开裂机理。 综合国内外研究现状可以看出，很多学者在路面的开裂机理以及裂缝的发展规律方 面都提出了很多研究方法，但是关于深基坑开挖所引起的路面破坏情况却并没有相关的 研究，论文将会以启工街地铁车站深基坑及邻近的公路为研究背景，研究基坑变形对路 面破坏产生的影响。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 、在基坑围护桩内预埋测斜管，在施工过程使用测斜仪对桩体水平位移情况 进行监测；在围护桩主筋上预先焊接钢筋轴力计，在施工过程中用频率计对钢筋轴力大 大连理工大学专业学位硕十学位论文 小变化情况进行监测；在钢支撑上预装钢支撑应力计，在施工过程中，用频率计对钢支 撑轴力大小变化情况进行监测。 ( 2 ) 、在基坑周围重要的结构和居民住宅上设置沉降观测点，在施工过程中使用 水准仪对其沉降情况进行监测。 ( 3 ) 、在后期研究中对前期所采集的一系列数据进行分析研究，并结合基坑的稳 定情况分析围护桩倾斜、钢支撑轴力、钢筋应力之间关系，找出变化规律，为类似地区 基坑监测方案的确定提供参考。 ( 4 ) 、利用a n s y s 计算软件对整个基坑和临近道路进行模拟计算，分析路面产生 裂缝时基坑围护桩顶水平位移临界值及桩顶水平位移对道路变形的影响。为类似地区今 后的基坑监测工作提供一个参考。 地铁车站深基坑监测及其稳定性研究 2 深基坑工程监测 由于地质条件复杂、设计和施工方法的局限性以及各种不确定因素的影响，使得在 设计阶段确定的参数在施工阶段往往可能达不到工程要求。现场监测与信息反馈的内 容，为工程的安全实施以及设计参数的调整提供了有利的保证，使得现场的信息化设计 施工得以实现。 2 1 监测系统的设置原则 施工监测工作是一项系统工程，监测工作的成败与监测方法的选取及测点的布设直 接相关。监测系统的设计原则可归纳为以下5 条【3 2 1 。 a 、可靠性原则 可靠性原则是监测系统设计中所要考虑的最重要的原则。为了确保其可靠，必须做到：第 一，系统需采取可靠的设备。一般而言，机械式测试仪器的可靠性高于电子式测试仪器，所以 如果使用电测仪器，则通常要求具有目标系统或与其他机械式仪器互相校核；第二，应在监测 期间内保护好测点。 b 、多层次监测原则 多层次监测原则的具体含义有4 点： ( 1 ) 在监测对象上以位移为主，但也考虑其他物理量监测； ( 2 ) 在监钡u 7 5 - n 上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法； ( 3 ) 在监测仪器选型上以机测式仪器为主，辅以电濒0 式仪器，为了保证监测的可靠性， 监测系统还应采用多种原理不同的方法和仪器。 ( 4 ) 考虑分别在地表、基坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施处布点以形成具有一定 测点覆盖率的监测网。 c 、重点监测关键区原则 据研究，在不同支护方法的不同部位，其稳定性是各不相同的。一般地说，稳定性差的部 位容易失稳塌方，甚至影响相邻建筑物的安全。因此，应将易出问题而且旦出问题就将带来 很大损失的部位，列为关键区进行重点监测，并尽早实施。 d 、方便实用原则 为了减少监测与施工之间的相互干扰，监测系统的安装和测读应尽量做到方便实用。 e 、经济合理原则 考虑到多数基坑监测都是临时工程，基坑施工结束后监测仪器也完成其任务。所以在监测 系统时应尽量考虑实用而低价的仪器，不必过分追求仪器的“先进性”，以降低监测费用。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 监测方案的确定 为了建立典型的基坑监控体系，满足工程的需要，现场监测时在基坑标准段、端头 段、设计计算位置段以及基坑最危险断面重点布置了测试端面。这样就使得测试断面覆 盖了整个基坑施工段，既具有代表性，又使测试方法在主断面上相对集中，同时还可以 与设计计算直接进行比较验证。 深基坑监测工作包括两个方面：支护结构的监测和周围环境的监测。支护结构需监 测挡土墙顶的位移、倾斜、主钢筋应力、土压力、孔隙水压力、压顶梁、腰梁及内支撑 轴力、应变、立柱的沉降与隆起、锚杆的锚固力等。周围环境需监测开挖影响范围内的 建筑物、地下管线和土体的沉降、倾斜、水平位移、以及土体内的水位等。根据前期开 挖中监测到的应力，变形数据，与设计中支护结构受力和变形进行比较，对原设计进行 评价，判断基坑在目前开挖工况下的安全状况，并通过反分析，预测下一步工况下支护 结构变形和稳定情况，为优化设计提供可靠的信息，并为后续开挖及支护方案提出建议， 对施工过程中可能发生的险情报警，确保基坑工程的安全【3 2 j 。 2 2 1 基坑工程一般监测项目 1 、支护结构的监测 ( 1 ) 支护结构桩墙顶位移监测 支护结构桩顶位移常用经纬仪和全站仪监测。其原理为：应用水平角全圆方向观测 法，测出各点水平角度，然后计算出各点水平位移。具有测试简单，费用低，数据量适 用等特点。 ( 2 ) 支护结构倾斜监测 支护结构沿基坑深度方向倾斜常用测斜仪监测。在桩身或地下连续墙中埋设测斜 管，测斜管底端插入桩墙底以下，使用测斜仪由底到顶逐段测量管的斜率，从而得到整 个桩身水平位移曲线。 。 ( 3 ) 支护结构应力监测 用钢筋应力计或混凝土应变计沿桩身钢筋、冠梁和腰梁中较大应力断面处监测主钢 筋应力或混凝土应变，对监测应力和设计值进行比较，判断桩身、冠梁、腰梁内应力是 否超过设计值。 ( 4 ) 支撑结构应力监测 对于钢支撑，在支撑施加预应力前，将钢筋应力计焊接在钢管外壁，对于混凝土支 撑，在钢筋笼绑扎时，将钢筋计焊接在主钢筋上，随基坑开挖，量测支撑轴力的变化。 2 、周围环境的监测 地铁车站深基坑监测及其稳定性研究 ( 1 ) 邻近建筑物的沉降观测 在深基坑开挖过程中，为了掌握邻近建筑物的沉降情况，应进行沉降观测。在被观 测建筑物上设置测点，在开挖影响范围外的建筑物上埋设基准点或通过钻孔至基岩内设 置深埋式基准点。基准点个数2 - 3 个。测点布置间距以1 5 - 2 0 m 为宣。采用精密水准仪， 测出观测点的高程，再计算沉降量。 ( 2 ) 邻近道路及地下管线的沉降观测 邻近道路和地下管线的沉降观测方法也是采用精密水准仪观测。测点布置应根据管 线的材料、管节的长度、接头的方式而定。 ( 3 ) 地下水位监测 地下水位采用电极传感器进行监测。水位观测孔钻孔深度必须达到隔水层，钻孔中 应安装带滤网的硬塑料管。 2 2 2 现场监测方案设计 本着深基坑监测系统的设计原则：3 r 即精度( r e s o l u t i o n ) 、可靠性( r e l i a b i l i t y ) 、 坚固性( r u g g e d n e s s ) 原则；多层次监测原则；重点监测关键区原则；方便实用原则；经 济合理原则等五项原则对该工程的监测项目进行了设计。综合考虑设计、施工安全、以 及环境保护三方面的需要，设计的监测方案重点放在了支护结构的变形及应力、结构变 形及支撑轴力、地表下沉等项目的监测上面。监测方案具体内容详见表2 - 1 。 表2 1 监测内容表 t a b l e2 - 1t h et a b l eo f m o n i t o r i n g 监测对象监测项目传感器接收仪器 桩体变形测斜管测斜仪 桩体钢筋应力钢筋计频率读数仪 基坑侧壁稳定性 深层土体水平位移测斜管 测斜仪 徕卡t c r a l 2 0 1 r 3 0 0 全站仪 桩顶水平位移桩顶监测点变形观测专用铟钢尺 立柱稳定性 立柱轴力钢支撑立柱应变计频率计 支撑稳定性钢支撑轴力轴力计频率读数仪 地表变形地表沉降地表监测点 水准仪 建筑物建筑物沉降观测地表监测点水准仪 地下水变化 地下水位水位管报警器 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 监测基准值的确定 为了利用监测值来判断支护结构以及周围建筑物的安全，必须设置监测管理基准值 即施工篓全警戒值。一般以设计值或设计者提出的允许值为基准，然后建立绝对值或变 化速率的安全系数，并根据安全系数的大小设置不同的等级的警戒水平。经过实践经验 的总结，提出对下列情况之一应进行报警： 支护结构水平位移速率连续几天急剧增大，并且不趋于收敛时。 支护结构水“1 z 位移累计值超过设计容许值，如安全等级为一、二、三级的基坑， 支护结构水平位移值分别达到3 0 、5 0 、l o o m m 时，或最大位移与开挖深度的比值达到 0 2 5 0 5 0 7 0 时，周边有重要的建筑物和地下管线时取小值。 桩墙主钢筋应力、支撑轴力、锚杆锚固力等实测值超过设计容许值。 邻近地面及建筑物的沉降超过设计容许值。如地面最大沉降与开挖深度的比值 达到0 4 - 0 7 ，地面裂缝急剧发展。建筑物的不均匀沉降达到有关规范的沉降限值。 煤气管、水管等设施的变形超过设计容许值，采用承插式接头的铸铁水管、钢 筋混凝土水管两个接头之间的倾斜值达到0 8 ；采用焊接接头的钢水管两个接头之间的 倾斜达到1 ；煤气管局部倾斜达到0 4 时。 肉眼巡视发现的各种危险现象，如压顶梁、支撑梁上出现裂缝，邻近地面及建 筑物的裂缝宽度和数量不断扩大，基坑渗漏和管涌等。 基坑侧壁水平位移作为施工监测管理中的重要测试项目，目前尚未有统一的标准来 规范其控制的基准值。表2 2 给出了日本的基坑施工管理基准值，可供参考。现场应用 时，由于本基坑开挖深度1 4 m ，且在3 倍开挖深度范围内有管线等市政设施，因此本 基坑属于地铁基坑变形控制一级保护等级；根据有关规范、规程，类似工程经验以及一 级基坑相关要求，制定本工程监测允许值详如2 - 3 表所示。 表2 - 2 施工监测管理基准值( 日本) t a b l e2 - 2 t h er e f e r e n c ev a l u eo fm o n i t o r i n g ( j a p a n ) 警戒水平 项目安全系数 危险注意安全 设计值之和 土压力 一= f 、 1 2 8 实测值之和 。钢筋设计强度值 钢筋应力 h= f 。 1 2” 最大实测值 地铁车站深基坑监测及其稳定性研究 ：表2 - 2 续 t a b 2 2c o r n 警戒水平 项目安全系数 危险注意安全 变形 f 。= 最矣羹蒹值 f 。 1 2 轴力设计承载值 支撑轴力 f 。 1 o 一实测最大轴力 注意稍注意 综合判断处于危险水平的数目 4o 2 、31 表2 - 3 监控量测允许值u n t a b l e2 - 3t h ea l l o w a b l ev a l u eo fm o n i t o r i n g 序位移速率控制 号 工程项目监控值( m m )设计值( n u n ) ( m m d ) 3 0 且 l 桩顶位移 4 02m m 天 0 2 h 2 地面沉降3 05 0 2m m 天 3建 桩基础建筑物