（岩土工程专业论文）地铁车站深基坑变形规律监测及flac模拟研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导老师： 地铁车站深基坑变形规律监测及f l a c 模拟研究 岩土工程 高立新 任建喜 摘要 ( 签名) ( 签名) 深基坑围护结构设计及其变形规律研究是地铁车站建设中的重要问题之一，开展地 铁车站深基坑变形规律研究具有重要的工程应用价值。本文以北京地铁奥运支线折返线 车站基坑工程为背景，采用理论研究、现场监测和数值模拟相结合的方法，对车站深基 坑变形规律进行了研究，分析了深基坑围护体系的空问效应。主要内容和结论如下： ( 1 ) 对地铁深基坑的变形机理及破坏模式进行了分析，得出了影响深基坑稳定的 主要因素：水文地质条件、基坑规模及土压力值、设计方案及施工方法与组织的合理性 缝 守。 ( 2 ) 给出了地铁深基坑围护结构施工监测方案，完成了现场监测工作。监测结果 表明：随着基坑开挖深度的增加和钢支撑的旌加，围护桩的变形形态由向坑内的前倾型 曲线逐渐变为弓形，最大水平位移发生的位置也随之下移。围护桩的水平位移、水平钢 支撑的轴力、围护桩钢筋应力也随着基坑开挖深度的增加而增大，但其实测值都远小于 警戒值，说明围护结构设计偏于保守。 ( 3 ) 运用有限差分软件f l a c 3 d ，对深基坑开挖支护的全过程进行了三维模拟，分 析了六种工况下围护结构的受力特性，研究了深基坑的变形规律。围护桩最大水平位移 计算结果和监测结果基本- 致。 ( 4 ) 深基坑工程空间效应f l a c 分析表明：围护结构变形呈现出较强的空间效应， 基坑中部的围护结构水平位移最大，越靠近基坑的角点，围护结构的水平位移越小；水 平支撑轴力分布也呈现出明显的空间效应，位于基坑中部的水平支撑轴力最大，离角点 越近，水平支撑轴力越小。研究结果表明三维计算是分析深基坑空间效应的有效手段。 关键词：地铁车站深基坑；现场监测；变形规律：f l a c 模拟；空间效应 研究类型：应用基础研究 s u b j e c t：m o n i t o r i n ga n df l a cs i m u l a t i o ns t u d yo fd e f o r m a t i o nl a w s o fd e e pe x c a v a t i o ni ns ub w a ys t a t i o n s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m c：g a ol i x i n i n s t r u c t o r ：r e nj i a n x i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 臣迦兰! ! ! 塑 ( s i g n a t u r e ) d e s i g no fr e t a i n i n gs t r u c t u r ea n ds t u d yo fd e f o r m a t i o nl a w so fd e e pe x c a v a t i o ni s a l l i m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ec o n s t r u c t i o no fs u b w a ys t a t i o n i th a si m p o r t a n tp r o j e c tv a l u et o r e s e a r c ht h ed e f o r m a t i o nl a w so fd e e pe x c a v a t i o no fs u b w a ys t a t i o n r e l y i n go nt h ed e e p e x c a v a t i o no ft h er e e n t r a n tl i n es t a t i o no fb e i ji n gm e t r oo l y m p i cb r a n c h ，t h ed e f o r m a t i o n l a w so fd e e pe x c a v a t i o no fs u b w a ys t a t i o na r es t u d i e dw i t ht h em e t h o d so ft h e o r ya 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 es p a t i a le f f e c to fd e e pe x c a v a t i o nw a s a n a l y z e d t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e f o r m a t i o np r i n c i p l e sa n df a i l u r em o d e so fr e t a i n i n gs t r u c t u r ea r ea n a l y z e d ，a n d t h 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 pe x c a v a t i o na r eg i v e n ：h y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o n , t h es o i lp r e s sa n dt h es c a l eo ft h ee x c a v a t i o n ，t h ed e s i g np l a na n dt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d ( 2 ) t h ei n - s i t um o n i t o r i n gp l a no fd e f o r m a t i o ni sd e s i g n e d ，a n dt h ei n s i t um o n i t o r i n g w o r ki sa c c o m p l i s h e d t h er e s u l ts h o w st h a tw i t ht h ei n c r e m e n to fe x c a v a t i o nd e p t ha n dt h e a p p l i c a t i o no fs t e e ls u p p o r t ，t h ed e f o r m a t i o ns t a t eo ft h er e t a i n i n gp i l e sg r a d u a l l yd e v e l o p s f o r mt h ea n t e v e r t e dc u r v et o w a r d sf o u n d a t i o np i tt ob o wc u r v ea n dt h ep l a c eo fm a x i m u m h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta l s om o v ed o w n t h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no ft h er e t a i n i n g p i l e s t h ea x i a lf o r c eo ft h es t e e ls u p p o r ta n ds t r e s s o fr e t a i n i n gp i l e si n c r e a s e 、析mt h e i n c r e m e n to fe x c a v a t i o nd e p t h i nf a c t ，t h em o n i t o r e dv a l u e sa r em u c hs m a l l e rt h a nt h e w a r n i n gv a l u e ，s ot h es u p p o r ts c h e m ei sc o n s e r v a t i v e ( 3 ) b yt h eu s eo ff i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r ef l a c 川，at h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no f t h ee m i r ep r o c e s so fe x c a v a t i o na n ds u p p o r to fd e e pe x c a v a t i o ni sa c c o m p l i s h e d t h eb e h a v i o r o fr e t a i n i n gs t r u c t u r ei sa n a l y z e d ，a n dt h ed e f o r m a t i o nl a w so fd e e pe x c a v a t i o ni ss t u d i e di n s i xc a s e s m o n i t o r i n gr e s u l t sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h el a r g e s th o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f r e t a i n i n gp i l ea r eb a s i c a l l yt h es a l t l e ( 4 ) t h es p a t i a le f f e c to fd e e pe x c a v a t i o ni sa n a l y z e db yf l a c ，t h er e s u l ts h o w st h a t ：t h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h eb r a c i n gs t r u c t u r ed i s p l a c e m e n t s a n dt h ea x i a lf o r c eo ft h es t e e l s u p p o r th a ss t r o n gs p a t i a le f f e c t ：s p a t i a le f f e c to ft h ec o m e ri ss t r o n g a n dt h es p a t i a le f f e c to f t h ec e n t r a ls e c t i o nw e a k e n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l a n a l y s i so fd e e pe x c a v a t i o ni sa ne f f e c t i v em e a n st os t u d ys p a t i a le f f e c t k e yw o r ds ：d e e pe x c a v a t i o ni ns u b w a ys t a t i o n i n - s i t um o n i t o r i n gd e f o r m a t i o nl a w s f l a cs i m u l a t i o n s p a t i a le f f e c t 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 娄料技大学 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t 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，论文叶不包含 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m , , - g 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。 学位论文作者签名喀勿讼啡呻芗1 加 学位论文知识产权声明书 本入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问 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川本声明。 学位论文作者签名乡多指导教师签名：越 哆年r 具弦e l ， i 绪论 l 绪论 1 1 问题的提出 2 l 世纪是地下空间开发利用的世纪。随着城市建设的迅速发展和城市人口的急剧膨 胀，城市用地同趋紧张，交通压力越来越大。开发和利用地下空间、发展轨道交通成为 各国解决交通问题的重要方向之一。2 0 世纪8 0 年代以来，我国城市地铁建设发展迅速， 上海、北京、天津、广州等地的地铁深基坑工程发展很快，西安、成都、重庆等城市也 相继开展了地铁施工建设。在地铁建设中当然离不开地铁车站的建设，由于地铁车站基 坑一般位于城市的繁华路段，基坑附近建筑物密集，地铁深基坑平面尺寸和开挖深度的 增大带来系列复杂的问题，如：基坑围护结构的变形和稳定、施工中对相邻环境、地 下管线、地面交通所带来的影响受到地铁建设及设计单位的广泛关注。基坑工程都是隐 蔽的地下工程，如何在保证质量安全的前提基础上，实现工程造价的最低，是地铁建设 部门所关心的。开展地铁车站深基坑围护结构变形规律研究具有重要的工程应用价值。 1 2 研究的价值 在地铁设计中，地铁车站的设计与施工无疑是整个地铁设计与施工的重点。在明挖 法结构设计中，基坑围护结构的设计在整个工程结构设计中占有重要的比重。根据国内 明挖地铁车站的统计数据，围护结构的造价大约占整个工程造价的三分之一。由此可见， 地铁深基坑工程的围护结构设计是否科学合理，不但对结构和周边环境的安全起着重要 的作用，而且直接影响到工程的总造价。 地铁车站深基坑支护设计与旌工既是我国各大城市基本建设工程中的重要关键问 题，又是岩土力学学科中比较复杂和困难的问题，其所以重要，是由于现代化大城市高 层建筑的地下部分和城市地下交通均需要充分利用地下空间。基坑开挖深度以从十几米 发展n - 、三十米。我国已经有不少基坑工程由于深基坑围护结构方案的选择失误，导 致重大经济损失并延误建设工期，因此，如何保证深基坑围护结构既安全又经济合理， 已成为当前城市建设中的一项重要课题。 由于深基坑支护设计是深基坑工程的关键，基坑支护具有基坑越来越深、工程地质 条件越来越差、基坑周围坏境条件复杂多变、基坑支护方法众多、基坑工程事故多等特 点，针对同一个支护工程，可供选的方案很多。本文拟通过工程实例的围护结构各项 监测数据与数值模拟的结果进行研究比较，提供选择最佳基坑支护结构方案的方法，既 保证整个围护结构在地下施工过程中的安全，又要控制结构变形及土体变形，以保证周 围建筑物的安全。通过合理准确的施工监测信息，在安全的前提下，对方案进行优化设 西安科技大学硕士学位论文 计，节约造价，方便施工，缩短工程周期，为以后类似条件下的深基坑围护结构设计提 供一些有价值的参考。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 基坑工程的研究现状 基坑工程是基础和地下工程施工中的一个古老而又有时代特点的岩土工程课题，同 时又是一个综合性的岩土工程难题【l 】1 2 】，既涉及到土力学中典型强度问题，又包含了变 形问题。同时还涉及到与支护结构的共鼠作用阕题。对于这些问题的认识及其对策的 研究，是随着土力学理论、计算技术、测试仪器以及施工机械、施工工艺的进步而逐步 完善的。 最早提出分析方法的是t e r z a g h i 【1 2 】和p e c k 1 3 】等人，他们早在2 0 世纪4 0 年代就对开 挖的稳定和支撑的内力等进行了研究并提出了计算方法。这一理论原理一直沿用至今， 只不过有了许多改进与修正。2 0 世纪5 0 年代，b j e l t u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板 隆起的方法【1 4 】。2 0 世纪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预测的准确性，并从2 g 世纪7 g 年代起，产生了相 应的法规【1 5 】。 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2 0 世纪7 0 年代初建成了深2 0 m 的地铁区间车站。2 0 世纪8 0 年代在上 海软土地区出现两层地下室，开挖深度8 m 左右。基坑多采用钢板桩围护。这时我国开 始逐渐重视基坑设计和施工领域的研究，并逐渐应用于实际工程。进入2 0 世纪9 0 年代， 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也已成为发展方向之一，地铁、地下商城、 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。大坡度大深度的基坑 开挖给设计、旌工及周围环境保护都提出了许多新的问题，使岩土工程的经典理论面临 着新的课题。这一阶段，全国各地的科研机构、设计和施工单位，在学习外国先进理论、 借鉴外国先进技术的基础上，积极开展了基坑工程的理论研究，在基坑支护设计基本原 则、水土压力的分算与合算、土的强度等级、土压力计算方法、支护结构设计计算方法、 支护结构选型等多方面进行研究。比如在上海市，建筑物密集，地下管线众多。交通网 络纵横，环境保护要求高，给深基坑工程设计与施工带来极大困难，虽然也有过一些事 故，但总体来说设计和施工水平有很大提高，基本上达到了国际水平。与此同时，国内 各大城市正在兴建自己的快速轨道交通体系。除己开通的北京、上海、广州、天津的地 铁外，正在兴建的有北京地铁、上海地铁、广州地铁、深圳地铁、天津地铁、南京地铁、 2 1 绪论 水平有很大提高，基本上达到了国际水平。与此同时，国内各大城市正在兴建自己的快 速轨道交通体系。除己开通的北京、上海、广州、天津的地铁外，正在兴建的有北京地 铁、上海地铁、广州地铁、深圳地铁、天津地铁、南京地铁、青岛地铁等。此外，国家 已批准或正在筹建地铁的城市有成都、杭州、沈阳等2 0 多座城市。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、设计和旄工单位，在学习国外先进理论、借鉴国外先进技术的基 础上，都在积极开展基坑工程的理论研列1 6 j 。 2 1 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 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【l7 1 。该理论在上 海软土基坑工程实践中取得了很好的成果l l 副。 目前，基坑开挖与围护问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之。基坑工程数 量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问题也很多。总体来看，我国基坑开挖与围护 状况具有以下特点： ( 1 ) 基坑越挖越深。在大中城市的高层建筑普遍建1 2 层地下室，地下3 “层地下 室也不断出现。因此，基坑深度多大于l o m 。 ( 2 ) 工程地质条件越来越差。由于受到地域的限制，城市建设地质条件一般较差。 多位于海滨、湖滨、淤河、泥塘或沼泽地，工程地质条件十分复杂。 ( 3 ) 基坑四周己建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施。建设工程不仅要确 保基坑本身稳定，还要确保周围建构筑物及市政设施的安全。 ( 4 ) 基坑围护方法多。诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支 撑、木支撑、砂袋堆撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网围护法，各种桩、板、墙、管、 撵同锚杆联合围护法，以及土钉墙法等，种类繁多。 ( 5 ) 基坑工程事故不断产生，造成市政交通堵塞，影响居民安定生活，给国家造成 巨大经济损失。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 2 深基坑变形规律现场监测研究现状 基坑工程监测例是指在岩土开挖施工及建成运行过程中，用科学仪器、设备和手段 对围护结构、周边环境，如土体、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、土层孔隙水压力变化等进行综合监测， 并根据监测到的岩土变位等各种行为表现，及时捕捉大量的岩土信息。对于施工期则根 据监测信息及时比较勘察、设计所预期的性状与监测结构的差别，对原设计成果进行评 价，并判断事故方案的合理性，并通过反分析方法计算和修正岩土力学参数，预测下一 段工程实践可能出现的新行为、新动态，为施工期阃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措施，将问题抑制在萌芽状念以确保 工程安全。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 布设有关。根据不同安全等级的基坑，对监测所得到的数据进行分析，可以对基坑工程 的施工、设计进行适时指导，从而能够达到防止基坑工程事故发生的目的。 在深基坑施工过程中，只有对基坑围护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行 系统的监测，才能对工程情况有全面的了解，确保工程顺利进行。深基坑施工监测的主 要特点是【9 】：时效性；高精度；等精度。近些年来，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，从而对保障基坑稳定性，指导施工具有 积极作用。 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施。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。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。 任建喜【1 9 】等给出了北京地铁某车站深基坑围护和变形监测方案，对基坑变形规律进 行了现场监测研究，重点分析了基坑的水平变形、锚索内力和钢支撑轴力变化规律。任 建喜【2 0 】等以北京地铁奥运支线森林公园地铁车站北区深基坑工程为依托，采用现场监测 的方法研究深基坑围护结构变形规律，对于后续地铁车站基坑的设计施工具有重要的指 导意义。朱文忠【2 l 】结合南京地铁工程实践，对明挖深基坑的围护结构沉降、水平位移、 桩体水平位移收敛等方而进行了介绍，阐述了施工监测技术在明挖围护结构深基坑施工 中的应用和软土深基坑旌工时应注意的事项。凌坤 2 2 l 介绍了地处黄金地段，闹市区中心， 在施工场地狭小情形下如何考虑监测点与测试点布设，主要突出布点的全面性，综合性， 4 1 绪论 对于工程实际很有意义。姚伯金【z 3 j 针对当时常见的围护桩基坑开挖的施工方法，提出此 施工工艺下的基坑水平位移监测的一种新方法。胡钧【2 4 1 研究了当时深基坑维护测斜监测 的不足，并通过理论分析和实验研究提出改进的计算方法和测试技术，该方法对深基坑 的设计和监测有较大价值。刘利民f 2 纠指出在深基坑开挖监测时，埋设子基坑边缘土体和 埋设于围护结构中测斜管量测结果的特点，指出埋设于围护结构中测斜管的量测结果更 能真实地反映基坑的水平位移情况。胡春林【z 6 】系统地介绍了高层建筑深基坑开挖施工期 的监测技术和险情预报方法。李爱民【27 】根据深基坑施工的特点，详细介绍了一种监测深 基坑水平位移的可行方案。吴泳川【2 剐回顾和综述了现场监测在深基坑工程中所发挥的安 全预警作用。覃卫民l z 9 1 等针对明挖隧道深基坑旁6 f 房屋出现明显的墙体裂缝，结合施工 设计开展相应的安全监测工作，监测内容主要有房屋裂缝、房屋沉降、土体深部位移、 支护桩水平位移及爆破振动等。根据对监测成果，对裂缝成因进行分析，推断出藏工动 荷载是房屋裂缝出现较快扩展的主要因素，将分析成果应用于后续施工中，对7 | 房屋附 近区域的爆破作业提出严格的振速控制要求，使7 i f 房屋裂缝扩展速率得到很好的控制。 熊智彪p u j 等在支护结构施工和基坑开挖的过程中，对基坑进行了水平位移监测。介绍了 该基坑支护结构的设计和监测情况，分析了1 9 个点的监测数据，说明了险情发生的机制， 并在此基础上提出了加固措施，取得了良好的效果。张明富p l j 等结合杭州地铁某明挖基 坑工程实例，对基坑变形的现场实测数据测斜、支撑轴力、建筑物沉降等方面进行分析 与探讨，同时阐述基坑监测数据产生异常的原因，并对基坑安全性进行评价。李章林【3 2 1 等以军工路越江隧道浦西岸上段基坑工程为背景，研究分析了基坑开挖施工过程中围护 墙体变形、钢支撑轴力的监测结果，得出基坑开挖过程中支撑轴力、墙体水平位移的基 本规律，为类似基坑工程设计、施工提供参考。陈军【3 叫指出深基坑支护工程的设计、施 工与监测三者需紧密结合，以达到动态施工的目的。孙凯【3 4 】运用同济曙光岩土及地下工 程设计分析软件进行了深基坑动态旌工模拟。高德恒1 3 s l 结合广捎某地铁基坑工程的设计 和施工方案，对混凝土支撑轴力监测原理进行了介绍，在对基坑施工过程中轴力监测数据 变化进行分析的基础上，对其形成原因进行探讨，并得出一些可供参考的经验性规律，丁 华1 3 6 j 等根据近年来对软土地区深基坑安全监测的工作经验，结合工程实例介绍了内支撑 围护体系下的深基坑开挖监测过程中出现的一些预警征兆，并对其的产生原因和发展趋 势进行了探讨分析。陈泰霖【3 7 】等采用变形监测的方法对郑州某深基坑进行监测分析，阐 述了工程地质概况，指出了主要监测内容及监测点的布置，得到的该工程的沉降、坡顶水 平位移及测斜孔位移的监测值均小于施工控制指标，说明该基坑满足工程要求。何春保 u 8 l 探讨了测斜监测对于深基坑支护安全施工有重要的作用，根据预定的安全控制标准和 监测频次对基坑支护体系的进行安全评价，根据监测结果指导基坑支护结构的设计施工， 保证了基坑支护的安全。胡俊【3 州等结合南京地铁某车站深基坑施工，介绍了该工程监测 系统的设计原则，并综合考虑设计、施工安全及环境保护等因素，分析了该工程的监测数 5 西安科技大学硕士学位论文 据，包括围护结构水平位移、支撑轴力、地表下沉等，供今后类似工程参考。王光辉m 】等 结合某深基坑旌工工程实例，通过对不同地基基础和结构形式的建筑物变形规律分析， 找出了引起建筑物变形的主要影响因素，并讨论了高压旋喷桩加固地基对不同建筑物的 适用性。实践证明，深基坑开挖过程中对邻近建筑物保护的关键是保证基坑支护结构不 发生超过预警值的水平位移，并通过监测反馈信息，及时调整支护参数，保证邻近建筑物 安全。 近些年来，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， 从而对保障基坑稳定性，指导施工具有积极作用。 1 3 3 深基坑空间效应的研究现状 基坑空间效应的影响因素很多，国内很多的学者都对此进行了深入的研究。俞建霖、 龚晓南【4 i j 对方形和矩形基坑的空间效应进行了研究，得出了位移和土压力的空间分布特 性，以及长、宽比对位移和土压力的影响。赖冠宇【4 2 】对不同形式的排桩支护结构的空间 效应进行较全面的分析，认为圈梁效应、平面尺寸效应、桩身插入深度的影响、地基抗 力比例系数1 1 1 的影响、支撑刚度的影响、角撑效应对基坑变形特性和应力的分布都有重 要的影响。王晓军【4 3 】用二维有限元详细探讨了支护墙刚度及插入深度、支撑刚度及位置、 预应力水平、被动区土体加固、基坑开挖的深度和宽度、无支撑暴露时间、土体的物理 力学性质和基坑周围的水环境等设计、施工和自然环境因素对于基坑支护结构内力和变 形的影响，并作了定性和定量的分析，提出了一些控制基坑交形的方法和措施。陆瑞明、 赵锡宏【2 0 】中对圆形和椭圆形深基坑的空间效应进行了研究。结果表明椭圆形的长、短轴 的比值较大时，在两短轴的顶部支护墙向坑内移动，而在长轴两端的支护墙却向坑外移 动。当长、短轴的比值逐渐变小时，墙顶径向位移也逐渐变小，此比值等于1 时支护墙 都向坑内移动且位移量为最小。由此可见，椭圆形平面形状的基坑存在着明显的空间效 应，这种效应不仅改变支护墙位移值的大小，甚至改变位移的方向。当长短轴相等，即 为圆形平面形状基坑时支护墙位移最小，空间效应最显著。颤志禄m 】通过对石家庄热电 厂卸煤沟护壁桩进行设计及现场实测研究，认为空闻效应确实存在，靠近端部桩的空间 效应系数实测值比黄强【4 5 】提出的空间土压力影响系数偏大，在支护结构的中部两者比较 接近。陈页开等【4 6 】认为悬臂式支护结构的基坑角效应主要是通过压顶梁来对维护桩进行 约束；当距基坑角部距离足够小时，桩身位移和弯矩分布形式类似于在桩顶加设一道支 撑的情况；基坑的角效应程度与基坑尺寸有关，基坑尺寸越小，坑角效应越显著。高印 立等1 4 7 j 通过对角撑在多支撑结构工程中的作用进行分析得出以下结论：在悬臂支护结构 设计中，角撑的位置可以减小支护结构的内力及变形，在一定程度上能起到改善支护结 6 1 绪论 构性能的作用，但由于角撑设置长度的限制，其作用有一定的限度。在满足稳定性的前 提下，角撑设置范围应尽量放大。角撑刚度对支护结构形状有一定影响，但当角撑刚度 增大到一定程度时，其影响趋于稳定值。对于内支撑支护结构角撑的位置还可以使整个 支护结构变形沿跨度方向分布趋于均匀，且与一般水平支撑相比，具有旅工方便，工程 量较小等特点。该文研究的不足之处是分析基于平面问题的情况，将坑角简化为固定支 座。曾国熙等1 4 8 】分析结果表明当板桩的插入深度满足最小值要求时，继续增加插入深度 对于减小侧向位移几乎没有效果。增加顶部支撑刚度能有效地减小板桩上部侧向位移， 但是对插入部分影响不大。土的刚度对侧向位移及板桩弯矩有明显的影响。但是，该文 采用平面应变有限元，没有考虑土与板桩之间可能发生的脱离和滑动。陈晓军f 4 川分析 结果表明深基坑支护结构存在较强的空间角效应，同等条件下的桩身位移和弯矩小于平 面有限元计算结果：闰军岱o 进一步计算证明支撑和圈粱的联系结构对支护结构设计有重 要作用，在一定范围内加大支撑和圈梁的刚度可明显控制支护桩顶位移，但这一效应存 在一临界值，超过这一值后，效果不再明显：在深基坑支护结构设计中，选择合理支撑 位置具有重要意义。不足之处是只探讨了基坑一次开挖到位的施工过程所对应的支护结 构变形和受力情况。吴兴龙等【5 1 1 认为基坑坑壁的边长越短，其空间效应越明显，从而使 坑壁土体越容易呈较浅层的三维失稳破坏。越靠近深基坑的边角，其空间效应影响越大。 所以，从经济和维护基坑稳定的角度看，基坑周边宜采用不同的支护参数。吴志敏【5 2 】 利用f l a c 如三维弹塑性有艰插分软件研究了土钉支护结构空阃效应，利用锚杼单元模 拟土钉与土体之间的互相作用，对土钉支护结构的施工过程以及空间效应进行了仿真模 拟。 国内外其他学者都对基坑工程中的空间效应进行了研究p 孓卯j ，得出了相关的有益结 论。 1 3 4 深基坑空间效应的常见分析方法 深基坑是一个具有长度、宽度、深度的三维空间结构体系。在以往的设计和研究中， 人们常常将其简化为二维平面应变问题进行分析计算。这不能完整地反映基坑的空间性 状及尺寸效应。究其原因，将基坑开挖问题当作平面问题处理主要有几个便利之处： ( 1 ) 简单。有现成的公式计算，如土压力计算，一般的技术人员都可应用；当采用 数值分析方法时，也可避免三维分析上遇到的很多复杂问题，如有限单元不同形态、类 型的剖分、计算机容量限制、计算结果处理等。 ( 2 ) 有经验。前人的研究和大量的工程实践，使平面问题分析应用己经积累了丰富 的经验，而且很多经验已经集中体现在建筑规范中，成为大家共同遵守的规定。 ( 3 ) 保险。平面问题不考虑侧边的约束，实践研究表明按平面问题设计其结果是偏 于保守、安全的。 7 西安科技大学硕士学位论丈 但是，基坑开挖问题，在很多情况下按平面问题处理是不合适的，应用二维分析则 存在一些缺陷和不可解决的问题。例如：无法研究基坑开挖弓l 起的空闻位移分布情况； 无法考虑场地土压力在空间的分布变化情况；对大面积的基坑开挖，施工中往往采用分 块、分层、分段开挖，分层、分段设置支撑结构。如果采用平面分析方法，无法反映土 方分块分段开挖效应，也无法考虑支撑结构的分段设置效应。这些按二维方法无法解决 的问题，是实际存在的，而且在一些情况下还会对工程起控制性作用，因此我们有必要 从三维角度进行分析。 近年来，人们越来越关注对深基坑空间效应问题的研究，提出了多种分析方法，本文 将它们归纳为有限元法、有限差分法和简化分析方法三类【姐l 。 1 4 研究的内容与方法 本文以北京地铁奥运支线折返线深基坑工程为依托，采用理论分析、现场监测及 f l a c 数值模拟相结合的方法，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施工方法的确定提供参考。主 要研究内容如下： ( 1 ) 研究深基坑的变形机理及破坏模式，分析影响深基坑稳定的主要因素。 ( 2 ) 给出地铁车站深基坑围护结构设计方案和施工监测方案，完成现场监测工作， 重点分析围护桩的变形、钢支撑轴力变化的规律，研究地铁车站深基坑围护结构变形规 律。 ( 3 ) 建立三维f l a c 模型，考虑围护桩、钢支撑共同作用，完成深基坑围护结构 变形旌工过程模拟，将计算结果和监测结果进行比较分析。 ( 4 ) 在三维数值模拟的基础上，对基坑的空间变形性状进行较系统的分析，研究 在基坑分步开挖过程中，围护结构变形、基坑角部效应、坑底隆起的空间分布情况。 8 2 地铁车站深基坑变形机理研究 2 地铁车站深基坑变形机理研究 地铁车站从旌工方法来看，其施工方法分两大类：明挖法和浅埋踣挖法。明挖法葱 工是修建地铁车站的最常见的方法之一，而明挖法施工的车站围护结构形式的选择与周 边环境的安全、车站结构稳定、地下水防渗漏、工程综合造价等多种因素有关。本章很 有针对性地深入研究深基坑围护结构的的变形机理破坏模式及其稳定影响因素。 2 1 地铁车站深基坑围护结构形式 2 1 1 一般基坑围护结构形式 基坑的围护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力并将此压力传递 给支撑，是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构，目前，主要的围护结构类型大致可归纳 为以下几种【1 i ： ( 1 ) 悬臂式围护结构( 2 ) 重力式围护结构( 3 ) 内撑式围护结构( 4 ) 拉锚式围护 结构( 5 ) 土钉式围护结构。 2 1 2 地铁车站基坑常见围护结构形式 地铁车站基坑围护结构应根据车站基坑所处周边地理环境、地下管线条件、工程水 文地质条件、施工设备以及基坑深度等因素，合理地选择结构形式。常见的地铁车站基 坑围护结构形式有阳1 ： ( 1 ) s m w 工法桩 s m w 工法桩具有旌工速度快和造价低等特点，傻此工法对于饱和粉土和粉砂层的 成桩效果较差，从国内现有的s m w 施作设备来分析，s m w 的有效桩长最长仅3 0m ， 因此，其使用范围受到一定限制。 ( 2 ) 钻孔灌注桩+ 水平钢支撑 钻孔灌注桩+ 钢支撑围护结构适用于一般黏性土、填土、淤泥质土及砂土等，穿越 方便，成孔效果较好，而对于碎石土则不宜采用。 ( 3 ) 钻孔咬合桩 钻孔咬合桩是采用机械钻孔旌工，桩与桩之间相互咬合排列的一种薪型基坑团护结 构。由于其桩心相互咬合，与传统相切桩相比，防水效果良好，节约投资显著。钻孔咬合 桩适用于黏土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。如 果采用具有大扭矩动力钻头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层的施工。 目前，国内旋挖钻机的最大钻孔直径为3i l l ( 矿8 0 0n u n 直径桩体成孔难度较高) ，最大 9 西安科技大学硕士学位论丈 钻孔深度达1 2 0m 。 ( 4 ) 地下连续墙 地下连续墙适用于较深的基坑，特别是周边建筑密集的软土地层。明挖顺作法、盖 挖逆作法施工一般采用地下连续墙作围护结构。 各围护结构形式具体特点见表2 1 。 表2 1围护结构形式比选表 2 1 3 地铁车站基坑分类 地铁车站基坑按照变形控制保护等级分类，第一类为变形控制保护等级为特级和 一级的基坑，第二类是变形控制保护等级为二级和三级的基坑1 6 4 1 。 ( 1 ) 第一类基坑。周边环境对围护结构的变形及止水效果要求较高，不宜采用止 水效果存在隐患以及自身刚度较差的围护结构形式，如放坡开挖、土钉墙、钢板桩、锚 杆式排桩等。应采用防水效果好，刚度较大的支护结构形式。 ( 2 ) 第二类基坑。周边环境对围护结构的变形及止水效果要求相对较低，甚至没 有要求，围护结构形式的可选择范围较大，支撑体系可选择的方式也较多。 根据工程实践经验，地下车站按照基坑深度可采取相应的围护结构类型：对于 2 01 1 1 的深基坑，一般推荐采用内附支撑 体系的地下连续墙。 2 。1 4 地铁车站深基坑常用支撑体系 支撑体系的作用是维持支护墙体的受力平衡，根据支撑( 或拉锚) 系统所处位置的不 同，坑外为拉锚系统，坑内为支撑系统。 ( 1 ) 外支撑体系( 拉锚) ( a ) 。、4 。 、3 囊 、 、5 、 藿 、2 图2 1 拉锚系统 ( a ) - 锚锭拉锚；( b 卜锚桩拉锚( 其中：l 锚旋：2 一锚桩；3 拉杆；4 一围檩：5 一支护墙体) 当旌工场地周围条件许可，而且工程地质条件较好时，可以采用拉锚系缴图z ，2 ) 。 拉锚系统主要由锚锭、锚桩或土锚的锚固体，拉杆、围檩组成。 一般来讲，对于开挖深度不大且施工场地周围有足够空地设置锚旋或锚桩的基坑 采用锚旋拉锚或锚桩拉锚；当基坑开挖深度较大时，宜采用土层锚杆形式。 ( 2 ) 内支撑体系 当基坑较深，地质条件较差或坑边距邻近建筑物、地下管线较近，施工受到周围环 境限制时，多采用坑内支撑系统( 图2 2 ) 。位于市区建筑物密集的深基坑，如地铁车站 深基坑、高层建筑深基坑等多采用此支撑体系。 西安科技大学硕士学位论丈 ，i , t mi i k? i - - 孺 乡 ii 耄 4 2 一3 l 一雾 z i i 。1i i k i i 了 萎 冬 图2 2 内支撑体系 ( 其中：l 一支护墙体；2 一支撑；3 一立柱；4 一围檩；) 常用的水平支撑体系主要有：钢筋混凝土体系，钢支撑体系( 钢管或型钢) ，钢支撑 和钢筋混凝土混合体系。 1 ) 钢筋混凝土体系 钢筋混凝土体系又可以分为现浇式钢筋混凝土体系和装配式钢筋混凝土体系。 现浇式钢筋混凝土支撑是我国应用较早的一种支撑形式。现浇式钢筋混凝土支撑施 工简便，刚度大、变形小，基坑变形控制的可靠度较高，可根据基坑平面形状，浇筑成 任意形状；但施工工期长，且支撑材料不能重复使用，不经济，而且支撑的拆除比较困 难，需要爆破拆除。目前常用的爆破拆除方法通常会给周围环境带来一定的影响，这些 问题都有待于进一步的改进。 装配式钢筋混凝土体系克服了现浇钢筋混凝土体系施工局期长、拆除困难、费用高， 以及钢支撑体系的刚度不足等缺点，该体系刚度大，安装、拆除简便，施工速度快，可 完全回收再利用，经济性高。 2 ) 钢结构支撑体系 钢结构支撑体系是一种装配式支撑体系，由于其施工简便，构件可多次重复利用， 经济环保，正广泛应用在大量的深基坑工程中，如城市地铁车站基坑的开挖。由于钢支 撑是预制装配式组件，不适合于不规则的支撑布置排列。 3 ) 钢支撑和钢簇混凝土混合体系 对于开挖深度较大的基坑，坑底位置处的轴力较大，变形较大，钢管支撑无法满足 要求，合理的选择支撑材料成为关键。通常在基坑的顶端和底端设置钢筋混凝土支撑， 中间的部位设置钢管或型钢支撑，这样既充分发挥了材料的性能，又保证了基坑施工的 安全。尤其是对于某些局部不规则的基坑，在规则区域选用钢支撑，在不规则区域选用 钢筋混凝土支撑。 1 2 2 地铁车站深基坑变形机理研究 2 2 地铁车站深基坑变形机理 深基坑的开挖过程是一个开挖面不断卸荷的过程，坑内土体被挖出导致土体自重应 力释放，致使基坑发生变形。基坑的变形主要有三种：基底土体隆起、墙体侧移、地表 沉降。研究表明这三方面是相互关联的，这一结论也是很多计算方法的出发点。 ( 1 ) 基底土体隆起 基坑隆起是垂直向卸荷而改变基底土体原始应力状态的反应。基坑开挖的直接表现 是土体隆起。土体歼挖引起自重应力的释放，致使坑底向上回弹，同时，由于支护墙体 对土体的挤推，引起基坑隆起。在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直向隆起， 当围护墙底为清孔良好的原状土或注浆加固土时，围护墙在土体作用下也被抬高。坑底 隆起为中间大，两侧小，这种隆起基本不会导致两侧围护墙体的侧向变形。随着开挖深 度不断加大，坑内外土面高差