（环境工程专业论文）土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究.pdf

土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 摘要 随着城市地下空间的开发和高层建筑的大量建设，基坑工程的环境条件日趋 复杂。影响深基坑安全的因素众多，导致国内外基坑安全事故频发。所以开展基 坑风险评估与研究、加强基坑工程安全控制与管理是当务之急，其中地铁工程深 基坑对于施工安全的要求更高。根据现有理论和实践结果，基坑工程的设计难度 已从强度控制转向变形控制，而变形控制的关键是确定合理的变形控制指标，主 要包含基坑周围地表沉降和围护结构的水平位移等。 目前，对于基坑开挖引起的变形研究大部分集中于软土地区的深基坑开挖工 程，而对类似青岛的土岩组合地层( 上覆土层，下部为岩层) 深基坑开挖变形的 研究较少。土岩组合地区竖向岩土体性质变化剧烈，侧向位移和周边地表沉降特 征显著区别于软土地区的基坑开挖工程，直接套用软土地区基坑开挖地表沉降和 围护结构位移的控制指标必然会有偏差，而造成不准确的评估和不必要的浪费。 因此，本研究定位于青岛土岩组合地层深基坑开挖的变形控制，且重点聚焦 排桩这一最常见的支护型式。论文采用现场监测、数值分析、经验借鉴、科学统 计等手段展开研究，主要取得以下结论与成果： 第一，基于青岛地铁一期工程( 3 号线) 汇泉广场站基坑的工程地质和水文 地质条件，以及基坑的设计、施工方案，制定了详细的监测方案，对基坑周围地 表沉降、管线沉降、桩体位移、地下水位、支撑轴力、土压力等项目实施了综合 持续的监测。并利用监测数据，对基坑的变形和受力进行系统地分析，获得了基 坑变形与受力的相关规律。 第二，利用p l a x i s2 d 数值模拟软件，建立基坑岩土层、支护结构的计算模 型，通过计算分析获得了基坑的变形规律，数值模拟曲线与实测值曲线的形态和 走势基本一致，最值出现位置相近。 第三，探讨了排桩支护基坑的破坏类型及判定标准，以软土地区基坑变形控 制指标为参考，结合青岛地铁一期工程( 3 号线) 其余明挖基坑以及青岛土岩结 合地层其他已完工的基坑工程监测数据，统计得出了提出了青岛土岩组合地层排 桩支护深基坑工程围护桩体水平位移及地表沉降变形控制指标的初值方案以及 基坑施工过程黄、橙、红三色预警指标体系初值方案。 最后，本文从勘察、设计、施工、监测等方面给出合理化建议，有待在工程 实践中进一步检验、完善该变形控制指标，建立更科学有效的安全评估体系和事 故预警系统。 关键词：土岩组合；排桩；基坑；变形控制标准 d e f o r m a t i o nc o n t r o lr e s e a r c ho fp i l er e t a i n i n gf o u n d a t i o n p i ti ns o i l r o c ks t r a t u m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu n d e r 矿o u n ds p a c ea n dt h eg r a n di n 仔a s t m c t u r eo f h i 曲 b u i l d i n g si nc i t i e s ，e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ff o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gb e c o m e m o r ea n dm o r ec o m p l e x e f r e c to fd e e pf o u n d a t i o np i t ss a f e t yf a c t o r i sn u m e r o u s ， l e a d i n gt o 仔e q u e n ta c c i d e n t so ff o u n d a t i o np i t s a th o m ea n da b r o a d t bc a r r yo u t a s s e s s m e n ta n dr e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o n r i s k ， s t r e n g t h e n i n gs a f e t y c o n t r o la n d m a n a g e m e n to ff o u n d a t i o np i te x c a v a t i o na r ep r e s s i n gm a t t e ro ft h em o m e n t ，a n d t h e s a f e t yr e q u i r e m e n t so fs u b w a yd e e pf o u n d a t i o np i tc o n s t r u c t i o ni s h i g h e r b a s e do n t h ee x i s t i n gt h e o r i e sa n dp r a c t i c er e s u l t s ，t 1 1 ed i 伍c u l t yo ff o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g d e s i g ni sa l r e a d yc h a n g e df b mi n t e n s i t yc o n t r o lt o d e f o r n l a t i o n ，a n dw h a t sm o r e i m p o n a n t t h ek e yo fd e f o m a t i o nc o n t r o li st od e t e m i n et h er e a s o n a b l ed e f o m a t i o n c o n t r 0 1c r i t e r i a ，i n c l u d i n gt h eg r o u n ds e t t l e m e n ta r o u n dd e e pf o u n d a t i o np i t 锄dt h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fr e t a i n i n gs t m c t u r e ，a n ds oo n a tp r e s e n t ，t h ed e f o m l a t i o ns t u d i e so ff o u n d a t i o np i te x c a v a t i o nm a i n l yf o c u so n d e e pf o u n d a t i o np i tp r o j e c ti ns o rs o 订d i s t r i b u t i o na r e a s b u tt h e d e f o r n l a t i o no fd e e p e x c a v a t i o np i ti ns o i la n dr o c kc o m p o s i t ef o m a t i o nj u s tl i k eq i n g d a o ( c o v e r e ds o i l l a y e ru p p e ra n dr o c kl o w e r ) i s 1 e s sr e s e a r c h e d v e r t i c a lp r o p e r t i e so fl a y e r s i n s o i l r o c ks t r a t u mc h a n g ed r a s t i c a l l y ，c a u s i n gl a t e r a ld i s p l a c e m e n t a n dp e r i p h e r a l s u r f a c es u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n tf 两mt h ef o u n d a t i o np i te x c a v a t i o ni n s o r s o i la r e a t h e r em u s tb ed e v i a t i o nb yd i r e c t l ya p p l y i n g t h es t a n d a r do fr e t a i n i n g s t r u c t u r ed i s p l a c e m e n ta n d 伊o u n ds u r f a c es e t t l e m e n tc o n t r o li n s o rs o i l ，r e s u l t i n gi n i n a c c u r a t ea s s e s s m e n ta n du n n e c e s s a r yw a s t e t h e r e f o r e t h i sr e s e a r c hi so r i e n t a t e di nd e f o r n l a t i o nc o n t r o lo fd e e pf o u n d a t i o n p i te x c a v a t i o ni nq i n g d a o ss o i l - r o c ks t r a t u m ，a n df o c u s e so nt h em o s t c o m m o nt y p e ， r o wp i l er e t a i n i n g t h i st h e s i s o b t a i n st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa n dr e s u l t s f i r s t ， b a s e do ne n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fh u i q u a ns q u a r e m e t r os t a t i o nf o u n d a t i o np i t ，a sw e l la st h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns c h e m eo ft h e e x c a v a t i o n ，t h et h e s i sd e v e l o p e dad e t a i l e dm o n i t o r i n gp r o g r a m m e ，i n c l u d i n gt h e 铲o u n ds e t t l e m e n ta r o u n d t h ep i t ， p i p e l i n es e 砌e m e n t ， p i l eb o d yd i s p l a c e m e n t ， u n d e r g r o u n dw a t e rl e v e l ，a x i a l f o r c ea n ds o i l p r e s s u r e m o n i t o r i n gi s c a r r i e do u t i n t e 争a t e dc o n t i n u o u si n t e g r a l l ya n dc o n t i n u o u s l y ，b yw h i c hr e a d i n gt h eb a s i cr e l a t e d l a w so fp i td e 氨引r r n a t i o na n ds t r e s s s e c o n d ， s o i l - r o c kl a y e r sa n df o u n d a t i o np i t s u p p o r t i n gs t m c t u r ea r ee s t a b l i s h e da sc a l c u l a t i o nm o d e l t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc u r v ea n dm e a s u r e dv a l u ec u r v eh a v e t h ec o n s i s t e n tt r e n da n dc l o s eo fm a x i m u mv a l u ep o s i t i o n t h i r d ，t h er e s e a r c h d i s c u s s e st h ef o u n d a t i o np i tf a i l u r et y p e sa n dj u d g m e n ts t a n d a r d a n dt h e nt a k i n g f o u n d a t i o np i td e f o m a t i o nc o n t r o ls t a n d a r di ns o rs o i lf o rr e f - e r e n c e ，c o m b i n i n g m o n i t o r i n gd a t ao fo t h e rp i l er e t a i n i n gf o u n d a t i o np i t si nq i n g d a om e t r oi ( l i n e3 ) a n do t h e rc o m p l e t e df o u n d a t i o np i ti nq i n g d a os o i l 一r o c ka r e a ，t h et h e s i sr e o 唱a n i z e l a t e r a ld i s p l a c e m e n ta n dg r o u n ds e t t l e m e n tc o n t r o li n i t i a ls c h e m e so fp i l e sr e t a i n i n g f o u n d a t i o np i ti ns o 订r o c ks t r a t u ma c c o r d i n gt os t a t i s t i c s a tt h es a m et i m e ，t h ei n i t i a l c r i t e r i ao fy e l l o w ， o r a n g e a n dr e dw a m i n gs y s t e mi sd r a w nu p ，t o o f i n a l l y ， r a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a l sa r eg i v e ni ns u n ，e y i n g ，d e s i g n i n g ，c o n s t r u c t i n g ，m o n i t o r i n g a n do t h e ra s p e c t s t h es t a n d a r ds h o u l db ei n s p e c t e da n dc o n s u m m a t e di ne n g i n e e r i n g p r a c t i c et oe s t a b l i s has c i e n t i f i ca n de f r e c t i v es a f e t ye v a l u a t i o na n de a r l yw a m i n g s y s t e m k e yw o r d s ：s o i l _ r o c ks t r a t u m ；p i l er e t a i n i n g ；f o u n d a t i o np i t ；d e f o r m a t i o nc o n t r o l s t a n d a r d 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 1 研究背景和意义 1 1 引言 2 1 世纪以来，国民经济建设和城市建设快速发展，城市化与城市用地紧张 之间的矛盾突显出来，城市地下空间的开发与利用作为解决问题的主要手段，越 来越成为城市基础建设的重要组成部分。在城市地下空问的开发利用中，建设大 型的复杂的地下工程、大运量的城市轨道交通，特别是地铁，已经成为解决大城 市交通和拥挤问题的关键。截至目前，全国已有涵盖北京、上海、广州、深圳、 南京等1 0 多个城市、共计6 0 0 多公里的城市轨道交通线路。1 7 个城市轨道交通 规划被国家批准，到2 0 1 5 年将会新建设总长度1 8 5 6 公里的6 5 条轨道交通，规 划投资近7 0 0 0 亿元。当下，仍有2 0 多个国内城市正在进行地铁等城市轨道交通 的论证和筹备。在世界各大中城市，除最具代表性的地下工程地铁以外，地 下商场、地下变电站、地下仓库、高层建筑地下室、共同沟等各类用途的地下空 间己得到开发和利用。建设大规模的城市地下工程，能有效减轻城市空间对国民 经济发展的制约，是构建和谐社会、建设新型城市的必然。 轨道交通工程施工中，车站的施工较常使用明挖法，深基坑也就由此而产生。 换乘枢纽站承载着多条线路交汇的作用，基坑将有更大的深度。相对于一般基础 工程，地铁深基坑工程具有以下特点： 1 、深度大，开挖面积大。深度通常在1 5 m 以上，换乘车站深度可能更大； 基坑开挖长度有的达数百米，给支撑系统的设计、施工和安全保障提出挑战。 2 、地质条件差。轨道交通常修建在大型城市，不少线路位于沿海或者滨江 城市，工程和水文地质条件差，地表交通复杂。 3 、施工周期长，场地受限制多。地铁深基坑附近已建或在建的高层建筑、 市政管线多，施工中除了基坑本身的安全外，还需进行周围构筑物的变形监控。 4 、深基坑设计、施工因地而异。工程和水文地质条件、环境及气象都是影 响深基坑安全的因素，不同地域的不同情况导致深基坑设计、施工的差异。 5 、技术要求高，涵盖知识广。深基坑工程设计、施工参数的确定涉及到土 力学、岩石力学、混凝土结构、钢结构等的理论及施工监测技术。 6 、安全隐患多，事故频发。影响深基坑施工安全的因素有很多，有些甚至 可能是随机因素，使得国内外深基坑安全事故屡见不鲜。 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 近十几年，在基坑开挖深度和开挖面积方面，以北京、上海地区为例，开挖 深度在2 0 m 以上的基坑不断涌现。如北京国际新闻文化中心基坑的平均开挖深 度为2 2 9 6 m ，局部深度达到2 4 3 6 m ；国家大剧院工程是中国最高表演艺术中心， 为国家标志性建筑之一，其最深基础埋深达3 2 5 m ；上海黄浦江处外环隧道浦西 暗埋段的超深基坑，最大开挖深度超过了3 0 m ；长宁区地铁二号线中山公园站基 坑，最大开挖深度为2 4 m ；位于浦东陆家嘴中央商务区的上海环球金融中心，中 央深坑区的最大挖深达到2 6 m 左右；世界上最大的全地下变电站上海5 0 0 千伏世博变电站，基坑挖深超过3 3 m ；虹桥综合交通枢纽工程基坑，总面积超过 15 万平方米；上海地铁最大埋深已经达到3 0 m 以上，而且随着多线交叉枢纽站 的增加，深度还会进一步加深。城市用地紧张，地下基础设施密集分布，相互之 间距离狭小，许多深基坑不得不紧邻建筑物或者管线道路等。地铁隧道的相互距 离也越来越近，像上海4 号线隧道间距最近处只有1 m ，杭州1 号线、2 号线隧 道最近距离也只有3 5 m 。 基坑工程是一门综合性很强的学科，涉及岩土工程、结构工程及施工工艺等， 而岩土工程本身又是一门经验性很强的学科1 2 j 。城市建筑密集，施工场地狭小， 工期紧张，加上地下工程埋置深，地质条件复杂，特别是在软土地区或者土岩结 合的复杂地质环境下，土的工程多样化，在施工过程中，极易产生各类事故，危 害到工程和周边环境的安全，造成巨大的生命财产损失和工期延误，这方面的教 训不胜枚举。我国多个城市地铁建设都出现了各种各样的事故。典型事故如2 0 0 3 年7 月，上海地铁4 号线的涌水流砂事故，引起隧道部分结构损坏及周边地区地 面沉降，导致三栋建筑物出现较为严重的偏斜，防汛墙局部坍塌陷落，造成1 5 亿元的经济损失p j ；2 0 0 7 年3 月，北京地铁l o 号线基坑倒塌，造成6 名地铁施 工工人身亡；2 0 0 7 年5 月，南京地铁2 号线茶亭站西基坑东端约5 0 0 立方米土 体发生滑坡，造成2 名工人死亡；2 0 0 8 年1 月，广州地铁5 号线施工中突然涌 水，发生塌方，导致珠江大桥引桥下的双桥路旁地面突然下吲4 ；2 0 0 8 年1 1 月， 杭州地铁l 号线南端湘湖车站的基坑工地突然坍塌，2 1 人遇难或失踪，造成中 国地铁修建史上最严重的事故1 5 】。国外在城市地铁建设中，也出现了事故，德国 科隆市中心的科隆城市档案馆因为档案馆所在地区正在修建地铁工程，致使档案 馆地基松动受损，令其及邻近的两栋建筑物倒塌。因此，开展城市地下工程安全 性基础科学问题研究，杜绝或减少各类事故发生，是我国城市地下工程健康快速 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 发展的关键，也是实现可持续发展的关键。 未来2 0 到3 0 年问，中国将进入城市地下空间发展的高峰，它的发展将带动 信息、材料、能源、制造等高新技术的开发和产业化进程，进而也必将促进农业、 制造业、交通业、旅游业、物流业和能源工业等行业的发展。城市地下工程是一 个庞大的产业，地下空间的建设和设备投资巨大，是我国工业基础的重要构成部 分。国家中长期科学和技术发展规戈0 纲要把城市发展与城镇化列为重点发展 领域，将开发利用城市地下空间技术作为优先发展命题。随着城市地下工程建设 的大规模推进，地下工程的安全问题将遇到更为严峻挑战。合理开发与利用地下 空间，深入地研究复杂地质条件下的基坑工程，特别是地铁基坑的稳定性，积极 应对地下工程建设中面临的安全问题，已成为当务之急。 1 2 研究背景和意义 深基坑工程是高风险项目，在轨道交通建设安全方面存在许多问题，这些问 题必须依靠技术和管理两种方式解决1 6 j 。然而，在目前阶段的深基坑计算和分析 理论还不完善，如何准确分析导致基坑不稳定的施工与环境因素，合理规避事故， 成为地铁设计、施工以及监理工作的重中之重【7 1 。深基坑工程的稳定性和变形控 制是困扰基坑工程的热点和难点问题，国内外学者已经做了大量的研究。但深基 坑工程变形控制与治理的问题尚未得到圆满解决，主要问题如下： 1 、现有深基坑设计方法不能准确预测变形，地铁深基坑围护结构的变形规 律和一般民用建筑基坑工程有很大的差异，其深度效应特别明显。开挖一定深度 以后，地铁深基坑支护结构位移和弯矩不像一般的基坑那样不断增大，而是处在 一个相对稳定的状态1 8 】| 9 1 。这种现象表明，一般基础设计理论已经不适用于超深 基坑的支护设计，超深基坑往往由于深度原因，承压水的作用不可忽略，加之土 的本构关系的复杂性、土的异质性、岩土工程的区域性以及许多其他因素，导致 超深基坑变形控制问题悬而未决，给超深基坑工程的设计、变形控制和管理带来 了很大的困难1 1 0 1 1 1 】。 2 、地铁工程深基坑，主被动土压力分布完全不同于普通的深基坑工程。以 往的土压力方面的研究主要集中在刚性挡墙，其土压力的大小、分布及其与挡墙 位移的关系已经得到理论和实践的验证，但对于轨道交通深基坑的土压力的研究 相对较少1 1 2 1 13 1 。现有的深基坑支护设计，仍然采用经典土压力理论【1 4 】，而实际 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 影响轨道交通深基坑工程土压力的除土层的不均匀性、流变性、支护结构特性、 开挖暴露时间、开挖次序、挖方大小等众多因素外，在轨道交通深基坑开挖过程 中，土压力还因受到施工进程、土体沉降、桩体挠曲、施工机械布置等各种因素 的影响而发生动态变化，因而使轨道交通深基坑的土压力计算变得异常复杂，它 是荷载作用与结构变形、土体与桩体变形协调的结果【1 5 】【2 1 】。这个问题已经引起 了国内外研究者的极大兴趣，成为当前研究的热点话题。 3 、地铁深基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区，因此对于周围 环境要求极高1 2 2 1 。以往的建筑物保护研究，多基于低层、多层建筑物的研究，而 且部分研究结果已经在实践中得到验证，但是对邻近高层建筑物尤其是1 0 层以 上建筑物的影响分析和保护关键技术研究不多，成为迫切需要解决的问题1 2 引。 深基坑工程作为临时性支护结构，如果一味追求安全，按照永久性的结构进 行设计，会浪费惊人。所以在深基坑的设计过程中要统筹考虑，在保证基坑工程 的安全性、稳定性和变形控制的前提下，也要满足经济合理性要求。因此，正确 认识基坑变形机理、影响因素及控制措施，对基坑工程设计和施工具有重要的意 义。基于很多经验，我国在近2 0 年已颁布实施的行业标准建筑基坑工程技术 规范( y b j 9 2 8 9 7 ) 、建筑基坑支护技术规程( j g b1 2 0 9 9 ) 等，上海、广东、 浙江、深圳、武汉也陆续制定了符合本地区特点的基坑工程地方标准。可是，随 着环境、安全条件的限制，对基坑工程的要求不断提高，深基坑工程的设计和施 工难度也越来越大，深入的研究必不可少。 随着青岛经济的腾飞，城市化进程加快，城市土地日益紧张，地面交通越来 越拥挤。地铁成为缓解城市土地利用和地面交通压力的必然选择。然而，在楼房 林立，地下隧道与管线纵横交错的复杂环境中，地铁建设这样一个大型土木工程 基础施工，必然会对地铁沿线已有建筑物、市政管线设施产生不利影响。此外， 在地铁附近的大型岩土工程建设也会对地铁工程将产生不利影响。地铁建设中有 两大工程问题已受到土木工程界和学术界的高度重视：一个问题是，在保证地铁 建设工程质量和施工进度的同时，经济有效地控制地铁车站深基坑施工引起的周 围地层移动，保护邻近建筑物和市政道路，管道设施的安全和功能；另一个问题 是，控制地铁附近的岩土工程施工影响地铁建设，保障地铁工程安全【2 4 】。 地铁车站深基坑工程是一个庞大的开挖工程，其最直接的后果是引起周围土 体应力应变重新分布，导致土体或围岩移动，造成较大的地面沉降和建筑物的不 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 均匀沉降。青岛所处的第四系岩相变化快、岩性复杂、成因类型多、厚度变化大、 结构松散易风化、含有机质，物理力学性质复杂，对深基坑支护设计带来了一定 的困难；而且由于地铁站位于市中建筑密集区，周围建筑、设施密集而陈旧，对 变形的反应更为敏感，这使得车站基坑开挖对周围环境的不利影响更加突出，会 产生裂缝，严重时会出现管线断裂，房倒屋塌现象，造成巨大的人员财产损失， 产生严重的后果。地铁深基坑的设计和施工，在青岛地区没有现成经验可循。周 围地层易扰动变形，对邻近建筑物会产生较大影响，同时开挖坑底的稳定性和管 涌等问题也有发生的可能。此外，青岛地区缺乏合理的地铁深基坑变形控制方法。 地铁深开挖扰动远大于一般深基坑工程，由于地铁深基坑深度大，被动区的土样 处在高应力状态下，土的流变性能更明显。由于地铁深基坑变形影响范围内，变 形值较大，因此地铁深基坑施工对坑内及坑周土体扰动比一般深度基坑工程更大 1 2 5 1 。随着深度的增加，上部桩体、支撑及立柱等的重力作用需要抵抗土体的隆起 效应，进一步增加了变形控制的难度。 地铁工程是与人民日常生活息息相关的市政工程，建设投资大，所以保证建 设和运营过程中设施的安全至关重要。地铁附近难免会有其他的岩土工程施工， 可能会对地铁工程造成不利影响。如何既能确保地铁沿线岩土工程的顺利进行， 又能确保地铁工程本身的安全，是非常值得关注的课题。例如：对于深度分别是 1 0 m 、2 0 m 的两个基坑工程，在保护等级和保护要求相同的情况下，如果要控制 其周围的地面沉降在2 c m 以内，毫无疑问，深度为2 0 m 的深基坑工程的保护难 度和代价要高昂得多，而且保护起来非常困难。为保护周围建筑物、地下管线和 已建成的地下空间结构，就必须对地铁深基坑的变形进行经济、合理、有效地控 制。为避免和减少因轨道交通车站设计、施工等原因引起周边建( 构) 筑物、市 政基础设施等环境安全施工的发生，建立一套完整的工程建设环境安全技术管理 体系十分必要。 为此，本项目开展了青岛地铁一期工程( 3 号线) 基坑监测研究和模拟分析， 重点通过对汇泉广场地铁站进行综合监测及数值模拟，研究深基坑自身的受力、 变形的评估技术与控制措施，以及深基坑围护结构对周围环境影响的评估技术与 控制措施，并提出青岛地区地铁深基坑不同施工阶段的控制标准。本课题的研究， 对于验证设计、施工方案的安全性，预测施工中可能出现的问题并能及时采取措 施以防患于未然，保证施工的安全性，具有重要的意义。研究成果也可有效地控 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 制基坑周边的变形，减小轨道交通深基坑对周围环境的影响，同时验证设计参数 及结果，对设计参数、施工过程和工艺提出优化建议，从而节省工程投资，减小 工程加固费用，最终将对青岛土岩组合地层地下空间开发技术与风险管理起到积 极的推动作用。 1 3 国内外研究现状 基坑开挖引起的基坑支护体系和基坑周围环境的变形形式的研究已经有很 长时间的历史。作为基坑开挖系统中最为直观的表现形式，地表沉降和桩( 墙) 水平位移已经成为基坑监测与研究中必不可少的两个因子。陈万鹏( 2 0 0 6 ) 在前 人研究的基础上，较为系统地总结了坑外地表沉降曲线和围护结构侧向位移形态 1 2 6 1 。如图1 1 ，图1 2 和图1 3 。 吃、弋垂基曲垡 - 二 ；_ _ o 。一； _ 一一一。 一弋抛物线型曲线 、- 。：二一一一 上海经验曲线 ：二 ；石荔荔 一， 图1 1 地表沉降曲线的形式 f i g 1 1g r o u n ds e t t l e m e n tc u ef o r m 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 图1 2 基坑周围地表沉降曲线形式2 6 】 f i g 1 - 2c u r v ef o mo fg r o u n ds e t t l e m e n ta r o u n dd e e pf o u i l d a t i o np i t ( a )( b ) ( c ) ( d ) 图1 3 围护结构变形形式 f i g 1 - 3d e f o m 撕o nf 0 mo f t | l er e t a i l l 咄s 仃u c t u r e 随着社会对基坑工程安全的要求不断提高，在定性研究取得一定成果后，基 坑工程风险评估越来越受到重视，定量研究也取得进展。1 9 6 4 年，c a s a g r a n d e 首次提到岩土工程中的计算风险问题，标志着岩土工程风险分析研究的开始【2 7 】。 j b b u r l a i l d ( 1 9 9 7 ) 、s j b o o n e ( 1 9 9 8 ) 【2 9 研究了地表沉降量和房屋破坏之间 的关系，并评估了基坑开挖引起的房屋损坏渊【3 3 1 。m a r t i nt h v a ns t a v e r e n ( 2 0 0 4 ) 提出通过监测地层和工程系统的变形情况来控制工程风险【3 4 】，并在2 0 0 7 年对大 型地下工程施工导致的建筑物破坏风险进行了评估【3 5 】。国内对基坑工程风险评估 的理论研究及其应用的研究相对起步较晚。范益群( 2 0 0 0 ) 提出了地下结构的抗 风险设计概念，李惠强( 2 0 0 1 ) 和黄宏伟( 2 0 0 5 ) 分别用事故树方法和风险矩阵 法对深基坑工程边坡开挖的风险进行评估并分析案例【3 6 】【3 8 】。廖少明( 2 0 0 6 ) 通 过对深基坑变形数据的分析，得到了地铁深基坑变形速率与工程风险的关系，确 定了相应指标的阀值【”j 。 b o w l e s 在19 8 2 年提出地表沉降曲线基本符合正态分布6 ( x ) = 6 m 觚e x p 7 c ( x r ) 2 ， 其中6 m 积为最大沉降量( m m ) ，r 为沉降槽计算影响半径。基坑工程手册也规 定了地表沉降范围和地表最大沉降量的计算1 2 j 。实践证明，用正态分布曲线拟合 坑外地表沉降曲线是合理的。实测法和数值分析法是解决地表沉降问题的主要方 法。唐孟雄( 1 9 9 6 ) 、王保建( 2 0 0 7 ) 、聂宗泉( 2 0 0 8 ) 等是在确定了地表沉降曲 线模型后，根据地层损失法的机理和对工程数据的拟合来确定模型参数，进而提 出地表沉降计算的公式和方法【4 l 】 4 3 】。实测统计法方面，p e c k ( 1 9 6 9 ) 、g o l d b e 唱 ( 1 9 7 6 ) 、李琳( 2 0 0 7 ) 根据现场实测数据，通过统计分析，提出了不同土质条 ，j耐 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 件下相应的关系图表与变形规律【4 4 】“【4 6 】。徐中华、王卫东( 2 0 l o ) 根据上海地区 大量基坑工程的统计资料，提出了各环境保护等级基坑的变形设计控制指标，并 阐述了地表沉降曲线的预估方法并验证了其合理性m 【4 8 。数值分析法方面，m a n a & c l o u g h ( 1 9 8 1 ) 对软土和中等硬度粘土地区影响基坑水平和垂向变形的影响因 素进行了有限元分析，建立了估算地表沉降的c l o u 曲图剽4 圳。l o n g ，m ( 2 0 0 1 ) 对世界范围内3 0 0 多个基坑工程实例进行了分析，并与c l o u g h 图表进行了对比 验证【5 0 】。王保建、杨敏( 2 0 11 ) 分别采用摩尔库伦模型与修正剑桥模型计算分 析，得到了围护结构侧移与墙后土体沉降之间的关系1 5 1 | 。对于基坑开挖引起围护 结构的侧向变形问题，则可以应用杆系有限元法得到实用性解决。 1 4 论文研究内容 论文主要基于汇泉广场地铁站深基坑有限元分析及综合监测研究，在此基础 上展开土岩组合地层排桩支护深基坑数据统计与控制标准研究。对于所选中的汇 泉广场站深基坑工程进行实际设计、布置和日常监测，配合有限元数值计算进行 变形分析比对。依此基本方法推广至青岛土岩组合地层的排桩支护基坑，在科学 统计的原则下总结出适用于土岩组合地层排桩支护深基坑不同施工阶段的控制 标准和预警指标。主要研究内容包括： l 、汇泉广场地铁站深基坑有限元分析及综合监测研究 ( 1 ) 汇泉广场站深基坑工程综合监测设计及现场实测研究 ( 2 ) 汇泉广场站深基坑工程有限元模型建立及分析、计算 ( 3 ) 监测结果与有限元计算结果对比分析 2 、土岩组合地层排桩支护深基坑监测数据统计与控制标准研究 ( 1 ) 排桩支护基坑破坏类型及破坏机理分析 ( 2 ) 青岛地区排桩支护深基坑开挖导致的支护结构及地表变形规律统计 ( 3 ) 提出适用于土岩组合地层排桩支护深基坑不同施工阶段的控制标准( 包 括预警值、报警值等) 1 5 论文研究思路 论文先后采用了现场实测、有限元数值分析、数据收集、数学统计等方法， 技术路线包括前期资料查询和调研一选定工程进行监测方案的拟定和实施 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 一p l a x i s2 d 软件数值模拟一土岩组合地区排桩支护基坑数据统计一推理提出适 用于土岩组合地区控制标准。基本研究思路如下： 1 、前期资料查询和调研。收集整理排桩支护地铁深基坑和其他实际工程以 及现场试验资料；以此为基础确定课题的研究方向。 2 、选定工程实例进行监测方案的拟定和实施，对监测数据进行系统总结与 分析，归纳特定工程基坑的基本变形规律与量值。 3 、根据选定工程的支护结构设计及实际施工工况确定有限元计算模型，对 基坑整体的开挖过程进行分析计算，对数值计算结果及现场实测数据进行对比验 证。 4 、依照选定工程模拟与实测对比过程与结果，统计更多青岛地铁基坑以及 其他土岩组合地区排桩支护基坑数据，结合现有规范规定的控制标准，提出适用 于青岛土岩组合地区深基坑不同施工阶段的控制标准。 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 2 基坑工程概况 2 1 引言 青岛地铁一期工程( 3 号线) 起自市南区的青岛火车站，向东沿广西路、太 平路、文登路、香港路，至市政府拐入南京路向北，经江西路、宁夏路、辽阳西 路，后进入哈尔滨路、黑龙江路、万年泉路至李村，向西沿京口路、振华路至终 点铁路青岛北站。线路呈“西东北西”走向，途经市南区、市北区、四方区、李 沧区，正线全长2 4 9 k m 【5 2 】。全部为地下线，设车站2 2 座，其中换乘车站6 座， 最大站间距1 5 5 8 7 0 m ，最小站间距7 5 9 m ，平均站间距1 1 5 9 8 1 m 。 青岛地铁一期工程( 3 号线) 2 标段起点里程为k 2 + 7 4 7 3 0 9 ，终点里程 k 4 + 5 9 7 7 5 3 ( 左线) 、k 4 + 5 9 7 7 8 2 ( 右线) ，全线长1 8 5 k m 。其中包含汇泉广场 站、汇泉广场站中山公园站区间、中山公园站、中山公园站太平角公园站， 2 站2 区间，含车站和区间主体工程、附属工程等的土建施工( 含安装的预留预 埋) 及车站除公共区外的办公用房、设备用房等区域的装修。 图2 - l 青岛地铁一期工程( 3 号线) 线路图及汇泉广场站位置 ( 青岛地铁一期工程( 3 号线) 初步规划，2 0 1 0 ) f i g 2 一lq i i l g d a om e 仃oi ( l i n e3 ) w i 订n ga 1 1 dh u i q u a i ls q u a r es t a t i o nl o c a t i o n 1 0 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 2 。2 车站工程概况 车站地点：汇泉广场站是青岛市地铁3 号线第三个车站，位于栖霞路、延安 一路、文登路交叉口东侧，车站沿文登路东西向布置，位于文登路与延安路交汇 路口东侧，位于文登路正下方，车站周边较空旷，场地条件良好，而且线路埋深 较浅，地质条件适宜明挖法施工，文登路下方现状管线较少。 车站规模：车站中心里程为k 2 + 8 1 6 0 5 9 ，起点里程k 2 + 7 4 7 3 0 9 ，终点里程 k 2 + 9 9 6 8 0 9 。站台宽度为l o m ，有效站台长度1 2 0 南，设安全门，车站总长为 2 4 9 5 m ，标准段宽度为1 8 9 m 。车站共设4 处出入口、2 处风亭，l 处消防专用 出入口，车站设有混合变电所。 周边环境：车站北侧为汇泉广场景观草坪，南侧为汇泉广场主广场，路口东 侧为旅馆及居住设施。车站辐射范围内包括了第一海水浴场、汇泉广场、中山公 园等旅游景点，如图2 2 。 车站结构：汇泉广场站为双层明挖车站，站后设置单渡线，车站偏东端距端 墙5 0 m 处设轨排基地。车站采用岛式站台。为地下二层二跨矩形断面，高度为 1 3 1 1 4 7 m ，覆土为1 8 3 4 m ，车站底板基本位于强风化岩层，局部位于中风 化岩层。本站采用的支护方式有两种：轨排区域采用桩锚体系；其余均采用围 护桩+ 内支撑预应力锚索体系。 图2 2 汇泉广场站站址平面图 f i g 2 - 2h u i q u a i ls q u a r es 诅t i o ns i t ep l 锄 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 2 3 工程地质条件 2 3 1 场地岩土地层条件 本场地各岩土层的工程条件评价如下： 人工填土层：杂填土和素填土l ，该层土成分较为复杂，工程条件差， 均匀性极差，中等透水性，土的可挖等级为i 级，开挖时容易发生坍塌事故，该 层土在本场地中分布比较广泛。 第四系全新统冲洪积层粉质粘土：该层在场地中分布广泛。土层为软塑 可塑状态，具有较高的压缩性和较低的承载力，工程性质不良，可挖性等级定为 i 级，开挖时容易出现坍塌。 第四系冲洪积层粉土、粉细砂1 和中粗砂：粉土、粉细砂该层在场地中 普遍分布，地层渗透性为中等，中粗砂在场地中呈透镜体分布，为强透水层，基 坑开挖时，可能会出现流沙现象，造成基坑坍塌等施工事故，砂层为良好的排水 通道，若止水措施不力容易造成基坑周边地面沉降，导致附近建筑物沉降不均。 该层土的工程性质差，粉土、粉细砂土的可挖性等级为i 级，中粗砂土的可挖性 等级为级。本场地明挖基坑时要及时做好支护及止水工作。 第四系冲洪积层粉质粘土：该层在场地中广泛分布。该层土承载力较高， 压缩性较低，土的工程性质较好，开挖时可能出现坍塌，土的可挖性等级为i i 级。 全风化、强风化花岗岩上、中亚带、煌斑岩、上、中、l 、1 ：该层 土地基承载力较高，压缩变形小，工程力学性质较好，但开挖时可能出现掉块现 象，岩石的可挖性等级为i i i 级，本场地主体结构需要开挖该层，并以该层为持力 层。该层作为持力层，需注意其遇水软化的特点，采取适当措施。 强风化花岗岩下亚带”中风化煌斑岩1 ：该层地基承载力高，压缩变形 小，工程力学性质较好，岩石的可挖性等级为级。中风化煌斑岩较破碎，且具 有遇水软化特性，本场地主体结构局部位置需要开挖该层，并以该层为持力层， 作为天然的地基持力层较为合适。 中风化花岗岩：该层地基承载力高，压缩变形小，工程力学性质较好，岩 石的可挖性等级为v 级，中风化岩体较破碎，本场地主体结构局部位置需要开挖 该层，并以该层为持力层，该层为本场地良好的天然地基持力层。 微风化花岗岩、煌斑岩l ：该层地基承载力高，压缩变形小，工程力学 土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究 性质较好，岩石的可挖性等级为级。该层为本场地的稳定基底。 总体评价本场地岩土工程地质条件属中等复杂类型。 2 3 2 结构底板