（岩土工程专业论文）成都地铁车站基坑支护结构受力变形研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 排桩支护是目前国内普遍采用的一种深基坑支护形式，在成都 的建筑深基坑工程中有着广泛的应用。对地铁车站的深基坑，其支 护系统则有着不同的特点。为掌握其受力变形特点，本论文进行了 以下工作： 1 对成都地铁锦江宾馆车站基坑工程进行施工监测，监测项目包 括冠梁水平位移、桩身变形( 水平位移) 、桩身内力、钢支撑轴向力等。 2 对地铁车站现场量测结果进行系统的分析，包括冠梁水平位 移、桩身水平变形、桩身弯矩和钢支撑支撑轴力等，研究其变化规 律。 3 提出一种由桩的水平位移量测值反演桩的受力的反分析方法。 通过上述研究，得出以下主要结论： 1 钢支撑尤其是第一道钢支撑，对基坑围护结构的变形控制有重 要的作用。 2 支护结构变形呈前倾型，类似于悬臂梁的变形规律，而不是通 常的弓形。这是由于第一道钢支撑经常不能及时安装的缘故。 3 支撑附近的开挖对本支撑轴力的影响最大，中板、底板等对支 撑轴力有分担作用。 4 桩中的钢筋最大拉应力为l8 21m p a ，最大压应力为2 7 2 8 m p a ， 均远小于其强度设计值，说明桩中钢筋的配置偏于保守。 5 论文中提出的反分析法具有较多优点，但存在的求解方程病态 等问题还有待解决。 关键词：地铁；基坑；排桩支护；监测；反分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs trac t r o wp i l e ss t r u c t u r ei s w i d e l yu s e da sr e t a i n i n gs t r u c t u r ef o rd e e p e x c a v a t i o n p i t o fs u b w a ys t a t i o ni n c h e n g d u t or e c o g n i z et h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r e ，c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n go n t h ee x c a v a t i o np i to fj i n j i a n gh o t e ls u b w a ys t a t i o nh a sb e e nd o n e t h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to nt h eg r a d eb e a m ，t h ed e f o r m a t i o no f p i l e ，t h e s t r e s so fs t e e lb a ra n dt h ea x i a lf o r c eo fs t e e lp i p eb r a c ew e r em e a s u r e d i tw a sf o u n d ： 1 t h eb r a c e s ，e s p e c i a l l yt h o s ea tt o p ，p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n c o n t r o l l i n gt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r e 2 t h ed e f o r m a t i o nc u r v eo fp i l ei sl i k et h a to fac a n t i l e v e rd u et o t h ed e l a yo fi n s t a l l a t i o no ft h eb r a c e 3 t h ef l o o r so fs u b w a ys t r u c t u r em a yr e t a i nt h ed e f o r m a t i o no f p i l e st o g e t h e rw i t ht h eb r a c e s 4 t h em e a s u r e ds t r e s si ns t e e lb a ri np i l ei sf a rl o w e rt h a ni t s s t r e n g t h m o r e o v e r ，am e t h o dt ob a c ka n a l y s i st h e e a r t hp r e s s u r eo np i l e ， f o r c ea n dm o m e n ta tt h et o po fp i l e ，t h ea x i a lf o r c ei nb r a c ee t c ，w i t h t h em e a s u r e dd a t ao fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t s ，w a sd e v e l o p e d k e y w o r d s ：s u b w a y ；e x c a v a t i o np i t ；p i l er o w s ；m o n i t o r i n g ； b a c ka n a l y s i s 西南交通大学 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子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 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 或扫描等复印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、歹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：l 匦d 参鸯、 日 期：y 吖年苫月弓日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过对锦江宾馆站基坑进行量测和分析，得到成都地铁车站基 坑“人工挖孔桩+ 钢管支撑”支护结构的受力变形规律，对本地区该 类支护结构的设计施工具有参考价值。 2 提出一种由桩的实测水平位移量测值反演出桩的受力的反分 析方法。 学位论文作者签名：乡鸟他怠 日期：沙了年月乡日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 随着我国经济建设的飞速发展，人口越来越多地向城市涌进、 聚集，人们对城市功能的要求也越来越高，从而极大地推动了市政 改造和城市建设的发展。面对城市建设用地日趋紧张和地价昂贵的 现实，三维城市空间的开发和利用引起各界的广泛重视。城市向三 维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的惟一现 实的途径。在对城市中心区进行改造更新与再开发的实践过程中， 形成了地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市空间构成新 概念，即城市的立体再开发。发达国家解决城市“交通难 的主要 措施是发展高效率的地下有轨公共交通，形成四通八达的地下交通 网。根据预测和分析，我国特大城市的主要干道在21 世纪初将达到 巨大的高峰。城市单向断面客流量，靠一般的公共汽车是不能解决 的，只能选用高流量的有轨交通系统方案才行。高架道路对城市景 观、噪声和震动的影响将是很难接受的，高架线的建设往往使沿线 地价贬值，而地铁沿线的地价很快增值。因此，地铁的建设将是我 国21 世纪城市地下空间开发的重点。除已开通的北京、上海、天津、 广州、深圳和南京地铁等外，正在兴建的城市有杭州、武汉、哈尔 滨、沈阳、成都、太原、苏州和青岛等，此外已经国家批准和正在 筹建地铁有长沙、无锡、福州、东莞、宁波、济南、厦门、常州、 郑州和南昌等城市，预计21 世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁 的年代。而地铁的兴建，其中一个突出的问题就是深基坑的设计和 施工，如何合理的设计基坑支护和施工方案，做到既经济合理又安 全可靠，已成为目前岩土工程界的重要研究课题之一。 目前，深基坑工程仍处于边实践边摸索阶段，尚缺乏成熟技术 规范的指导，主要是用半理论半经验的方法解决问题，导致深基坑 事故时有发生，轻者会使整个基坑四周土体内倾、变形，严重时会 导致整个基坑倒塌损坏，不仅影响工期耗费大量抢救资金，而且可 能使与基坑相邻的周边建筑物或地下设施开裂，倾斜甚至倒塌，并 发生人员伤亡，从而制约了深基坑工程的发展。另一方面，也有一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 些深基坑工程不惜成本进行强化支护设计，设计出非常保守的支护 结构，使深基坑的工程费用居高不下。何颐华【- 】等对北京、上海、杭 州、深圳等地的十几个悬臂式工程实例进行现场实测，表明主动区 土压力仅为朗肯主动土压力的1 3 1 2 ，土抗力也仅为被动土压力的 1 2 ，钢筋的应力也仅发挥不到设计值的一半，造成很大的浪费。因 此，加强对基坑受力变形规律的研究，以提高深基坑工程实践的科 学性尤为重要。 1 2 基坑工程的研究状况 1 2 1 围护结构的位移 p e c k t 2j 的研究表明，围护结构的侧移型态与基坑的开挖阶段紧密 相关。在开挖的初期，最大变形发生在钢板桩的项部，如果早期就 在钢板桩的顶部施加支撑，则其侧移将会明显减小。根据c l o u g h m 的研究，内支撑和锚拉系统的开挖所引致的围护结构变形型式有三 种，第一为悬臂式位移，在开挖初期围护结构顶端尚未支设支撑而 发生类似悬臂梁变形的位移；第二为深槽向内位移，在支撑支设后， 围护结构顶端位移被抑制，使围护结构产生深槽向内的位移型态； 第三种为上述两种型态的组合。吴佩轸根据台北的有关监测资料将 连续墙的变形曲线归为四种型式，分别为标准型、旋转型、多折型 和悬臂型，具体的型式与地层条件、测斜管的埋置深度等因素有关。 1 2 2 围护结构的受力变形 t e r z a g h i 和p e c k 等人早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳 定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论原理一直沿用至今， 但已有了许多改进与修正。a je r r u m 和e i d e 在5 0 年代给出了分析深 基坑底板隆起的方法。此后不久，6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城软粘 土的深基坑中开始使用仪器进行现场监测，此后大量实测资料提高 了预测的准确性，并从7 0 年代起，制订了相应的指导开挖的法规。 l e v i s t r a u s s 大楼挖方和有限元分析证实了软粘土中一个挖方的稳定 性、支撑荷载和位移之间存在的整体关系 55 。在挖方稳定性达到局部 屈曲开始的水平之前位移很小，并且主要是侧向的，支撑荷载也很 小。一旦出现了明显的屈服区，位移就变大，并且更指向挖方的底 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 部以下。 p e c k t ：j ( 19 6 9 ) 在收集了旧金山、西雅图、芝加哥、圣路易斯及奥 斯陆等地关于基坑开挖的有关实测数据的基础上，研究了侧向位移、 地表沉降、坑底隆起失效、减小地表沉降的措施及土压力计算图式 等内容。p e c k 收集的基坑工程案例的围护结构为钢板桩或企桩，支 撑系统包括对撑、斜撑、锚拉和锚杆多种支撑型式，土层条件则包 括软到中等硬度粘土、硬粘土及砂土。重点讨论了土层种类和性质、 开挖深度以及施工质量对基坑变形的影响。p e c k 实际上提出了一种 研究基坑行为的方法，该论文是基坑工程领域被引用得最多的文献。 l a m b e r 6 ) ( 19 7 0 ) 对基坑开挖的设计和分析及其支护系统进行了研 究，回顾了基坑开挖中影响土体位移的相关因素。采用当时的设计 和分析方法研究了波士顿m b t a 地铁中的三个基坑工程，并将预测 结果与实测进行了对比，由于预测的支撑系统的受力和土体位移与 实测相差甚远，因此认为当时关于深开挖的设计和分析方法远难如 人意。l a m b e 还指出有限元方法和从工程案例中得到的经验是理解 深开挖行为的两个最有效的途径。 g o l d b e r g ，1 ( 19 7 6 ) 等人为美国联邦公路管理局( f h w a ) 撰写了三 卷关于开挖支撑系统的设计、施工及变形行为总结等内容的研究报 告。这是当年关于基坑开挖研究现状较为详尽的资料。该报告以6 3 个工程案例的实测数据为基础，研究了墙体最大侧移、最大地表沉 降及沉降分布形态，并将墙体变形和地表沉降分布形态与开挖深度 及土层条件联系起来。 o r o u r k e t s j ( 19 81 ) 分析了基坑开挖及其相关工程活动引起的土体 变形，指出基坑开挖前期的工程活动如降水、围护结构施工、桩基 施工等会对土体的变形产生影响。根据7 个工程案例的实测数据研 究了墙体的变形形态与墙体侧移与地表沉降比值之间的关系。并讨 论了支撑刚度、支撑加预应力、最下道支撑以下的开挖深度、留土 的作用等对基坑变形的影响。 c l o u g h t ：j ( 19 9 0 ) 根据有关工程案例和前人的研究对深开挖引致的 变形进行了较全面的研究。将变形分为两种，一种是基坑开挖和支 撑的基本过程引起的变形；另一种则是由于相关的施工活动如墙体 的施工、基础的施工或拆除等引起的变形。对所收集的工程资料的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 变形进行了总结，以有助于估计墙体的变形及地表的沉降；并指出 在考虑引起变形的主要原因的情况下，能将变形的预测限制在较合 理的范围内。 l o n g 。j ( 2 0 01 ) 收集了全世界范围内大量基坑工程的墙体变形和 土体变形的实测资料，根据土层条件进行了分类，并分析了各类情 况下基坑变形。讨论了开挖深度、支撑系统刚度、坑底抗隆起稳定 系数等对基坑变形的影响。这对于理解基坑变形的变化趋势具有积 极的作用。 p e c k t 2 】、l a m b e t6 1 、g o l d b e r g t 7 】、o r o u r k e t 8 】、c l o u g h t 3 】及l o n g t 9 】 的研究对理解深开挖的行为作了重要的贡献。从这些研究中可以发 现： 1 土体的种类是影响基坑变形的主要因素； 2 及时支撑能减小基坑的变形； 3 支撑施加预应力能有效减小基坑的变形； 4 降水往往会导致地表沉降； 5 施工程序是影响基坑变形的重要因素； 6 施工技术和质量是影响基坑变形的重要因素； 7 采用临时支撑时应考虑温度改变的影响； 8 支撑间距是影响基坑变形的一个重要因素； 9 支护墙体的类型对基坑的变形有显著的影响； 10 打桩、连续墙施工等施工活动可能导致显著的土体变形。 张尚根等t 0j ( 2 0 0 0 ) 在基坑支护结构内力及变形动态分析中得到 以下结论： 1 从考虑空间效应和不考虑空间效应的计算值与实测值对比表 明，压项梁、腰梁对支护结构侧移有较大的限制作用，考虑其约束 作用的计算结果更符合工程实际。 2 考虑工况之间的连续性计算值比各工况单独计算更接近实测 值，与工程实际相符。 许明辉等1 ( 2 0 0 6 ) 在某软土地区深基坑支护变形分析中得到以 下结论： 软土地区深基坑围护由于地质的复杂性、受力状态的多变性、 结构形式的多样性，要控制其变形，应充分考虑周边土压力的分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 情况，防止由于土压力分布不均，造成整个支撑体系失效，冠梁局 部节点处易发生剪切破坏，应考虑局部加强钢筋，其次还应该尽量 缩短工期，减少基坑暴露时间使基坑围护变形控制在安全的范围内。 陈娟等t ：1 ( 2 0 0 9 ) 在深基坑变形监测实例分析中得到以下结论： 1 土体开挖对基坑支护结构变形有较大的影响，开挖过程中变形 较大，开挖过程中及时支撑预应力锚杆能有效的控制变形。 2 故在完成开挖后，应尽快完成后续工作，浇筑底板，以降低因 土体蠕变造成的变形积累。特别对于软土地区，土体流变效应明显， 流变产生的位移可能是土体位移的主要部分，甚至可能导致蠕变破 坏。 高文华、杨林德等r ，j ( 2 0 0 0 ) 在对香港广场深基坑围护结构变形的 时空效应分析中得到： 1 围护墙体水平位移的空间效应是明显的。越靠近墙体两端，空 间作用越明显。越靠近跨中，空间作用越弱。研究表明，墙体两端 空间效应影响带的宽度与基坑长度之比约为1 ：8 。 2 在各开挖步内，围护墙体的水平位移随时间的延长而增大，但 增大的速率逐渐减小。 鲁宏、陆培毅 1 4 1 ( 2 0 0 3 ) 在深基坑开挖变形性状的时空效应分析中 得到以下结论： 1 在开挖后迅速加支撑和完成底板浇筑，可以减少施工扰动，减 小坑底土体暴露时间，而且可以起到底层支撑的作用和被动区土体 加固的作用，有效地防止由于坑底暴露的时间过长引起的土体流变 变形。 2 在正常条件下应尽量对称开挖。防止在施工过程中不对称开挖 引起围护结构过大的不对称变形。在围护结构设计中，围护墙体刚 度、入土深度和支撑刚度可根据工程在围护墙体中部处可适当增加 墙体刚度、墙体入土深度和支撑刚度，而在基坑边角处，支撑刚度 可适当减小，从而可以优化基坑围护结构设计。 宫全美、王炳龙和周顺华等t js ) ( 2 0 01 ) 通过室内静力模型实验，得 到了劲性桩围护结构侧向土压力随开挖过程的变化规律以及影响范 围随开挖深度的变化规律：存在临界开挖深度，当开挖深度小于临 界开挖深度时。侧土压力的影响范围随开挖深度的变化较快；当开 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 挖深度大于临界开挖深度时，影响将变缓。 1 3 本论文的研究内容及方法 排桩支护是目前国内普遍采用的一种深基坑支护形式，在成都 的建筑深基坑工程中有着广泛的应用。对地铁车站的深基坑，其支 护系统则有着不同的特点。成都地铁1 号线锦江宾馆地铁车站基坑 深约16 米，周边高楼林立，由于地铁车站深基坑的设计施工在成都 尚属首次，故缺乏类似的实践经验。本论文对成都地铁锦江宾馆站 进行施工监测，对量测数据进行分析，研究支护结构受力变形规律； 另外，本文提出一种反分析方法，利用桩的实测水平位移值反演桩 的受力。 本文研究的内容及方法如下： 1 对成都地铁锦江宾馆车站基坑工程进行施工监测，内容包括冠 梁水平位移、桩身变形( 水平位移) 、桩身内力、钢支撑轴向力和人工 挖孔桩桩侧土压力等。 2 对围护桩的受力变形进行分析，总结分析不同工况下支护结构 的受力变形规律。为今后的进一步研究及设计提供参考。 3 探索由桩的水平位移量测值反演桩后土反力、横向支撑力、桩 顶水平力及弯矩的反分析方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章基坑的受力及变形规律 2 1 基坑变形机理 深基坑变形主要包括3 个部分：围护结构变形、基坑底部隆起、 基坑周围地表及建筑物的沉降。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。 2 1 1 围护结构变形和位移 基坑开挖时，荷载不平衡导致围护结构产生水平向变形和位移， 从而改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开挖 时，围护结构内侧卸去原有土压力，而基坑外侧受主动土压力，基 底围护结构内侧受全部或部分被动土压力，不平衡土压力使围护结 构产生变形和位移。围护结构的变形和位移又使围护结构主动土压 力区和被动土压力区的土体发生位移，围护结构外侧主动土压力区 的土体向坑内移动，使背后土体水平应力减小，剪力增大，出现塑 性区；而在基底以下的被动区土体向坑内移动，使基底土体水平应 力加大，导致基底土体剪应力增大而发生水平向挤压和向上隆起的 位移。 围护结构变形不仅使其外侧土体移动引起地表沉降，而且使围 护结构外侧塑性区扩大，因而增加了围护结构外土体向坑内的移动 和相应的坑内隆起，围护结构的变形是引起周围地层移动的重要原 因。 当基坑开挖较浅，还未设支撑时，不论对刚性围护结构还是柔 性围护结构，均表现为其项位移最大，向基坑方向水平位移，呈三 角形分布( 图2 1 ( a ) ) ，随着基坑开挖深度的增加，刚性围护结构继续 表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移，而一般柔性围 护结构如设支撑，则表现为其项位移不变或逐渐向基坑外移动，而 腹部向基坑内突出( 图2 1 ( b ) ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 变位 变位恢复 l-一一 图2 - 1 围护结构水平变形 2 1 2 基底土体隆起 基底土体隆起主要由两方面原因：一方面，由于在基坑开挖过 程中，基底的土体竖向卸载，基底土体原有应力状态因垂直卸荷而 改变。在开挖深度不大时，基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。基底隆起量为中间大，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，基坑内外土 面高差不断加大，到达一定程度时，将导致基底产生塑性隆起，同 时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地表沉降；另一方面，由 于围护结构外侧的土体在自重和地面超载的作用下从底部向基坑内 方向移动。 对于软粘土的深基坑，地表沉降的大小与抗隆起的安全程度直 接相关。根据工程经验，开挖宽度不大的时候，基底为弹性隆起， 其特征为基底中部隆起最高。当开挖到达一定深度且基坑较宽的时 候，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中间最大转变为两边大中间小 的形式。 2 1 3 基坑周围地表沉降 当在软土地区开挖深基坑时，基坑周围土体塑性区比较大，土 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的塑性流动也比较大，土体从围护结构外侧向坑内和基底流动，因 此地表产生沉降，这是沉降产生的主要原因。基坑开挖前期的地下 连续墙的施工也会造成地层位移，并相应引起地表沉降，有关资料 表明，如果施工中控制措施不得力，地下连续墙的施工引起的变形 最大可以占到地表最大沉降的3 0 。长期的工程实践发现，地表沉 降分布形式主要有两种：一是三角形分布，主要发生在地层软弱且 墙体的入土深度不大的时候，墙底有较大水平位移，墙体边缘出现 较大的地表沉降，另一种是抛物线分布形式，主要发生在有较大的 入土深度或墙体底部深入刚度比较大的地层当中，此时，地表沉降 的最大值发生在离基坑边有一段距离的位置上。 2 2 基坑支护结构主要变形类型 1 弓形变形曲线 这种变形曲线在深厚软土层中，当有支撑的围护结构插入坑底 以下深度不大时才最为常见，整根曲线向坑内拱出，坑底以下列明 显的弯点，有的虽有反弯点，但反弯点以下的曲线很短。 2 深埋式变形曲线 变形曲线上段弯曲，下段呈反向弯曲。带撑的深埋式围护的变 形曲线大多呈这种形态。 3 前倾型变形曲线 无支撑的悬臂式围护，变形曲线呈前倾，墙项位移最大，有时 墙端会出现负位移向坑外的情况。对于第一道支撑设置不及时，也 会出现前倾型变形曲线。 4 踢脚型的变形曲线 在深厚淤泥中，当围护结构插入深度不太大时，底部较大的正 位移，因此便出现所谓的踢脚型的变形曲线。 5 平推型变形曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( a ) 弓形( b ) 深埋式变形曲线( c ) 前倾型( d ) 踢脚型( d ) 平推型 图2 2 围护结构变形曲线 2 3 基坑受力变形规律 2 3 1“钻孑l 灌注桩+ 钢支撑 支护结构 北京地铁车站基坑多采用“钻孔灌注桩+ 钢支撑”的支护结构， 下面结合北京地铁奥运支线森林公园地铁车站北区深基坑工程】及 北京某地铁车站基坑工程【 】的比较分析，得出以下受力变形规律： 1 土体开挖尚未加支撑前，桩体围护结构上部处于悬臂受力状 态，土方开挖初期，土体内应力急速释放，桩顶以及冠梁变位增加 比较明显，此时最大水平位移发生于桩项处，并随无支撑暴露时间 的延长而增大。若不及时支撑将导致桩顶位移过大，坑外地表数米 范围将会开裂，从而影响周围环境的安全。如果裂缝进水，还将进 一步降低基坑的安全度。第一道支撑安装完毕，墙项位移的趋势立 即减小，可见第一道支撑的安装时机至关重要。 2 基坑开挖过程中，围护桩的最大水平位移与开挖深度和时间相 关。在基坑开挖到一定深度而未架设钢支撑时，围护桩呈向坑内变形 的前倾型曲线，桩顶水平位移最大。随着基坑的开挖和钢支撑的架 设，围护桩变形曲线由前倾型逐渐向弓形变化，最大水平位移发生的 位置也随之下移。由于开挖面以下的桩体会产生一定的变形，应保 证围护桩有足够的入土深度。 3 钢支撑能够控制围护桩水平位移及桩内钢筋内力的继续增大， 基坑施工过程中的最不利时期为每层土开挖完毕到施加该层钢支撑 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 这段时间以及钢支撑的拆除过程。 2 3 2 “钻子l 灌注桩+ 锚杆系统 支护结构 通过对北京奥林匹克公园地铁车站基坑j 以及广东某广场的基 坑工程【1 9 】的比较分析，得出以下受力变形规律： 1 基坑开挖初期变形速率较大，随着开挖深度的增加，速率逐渐 减小，到达某一深度基坑变形不再发展，基坑趋于稳定。 2 在围护桩上及时施加预应力锚杆，能够有效的遏制基坑变形的 进一步发展。 3 基坑支护结构水平位移的时空效应是明显的。基坑短边和端 部，空间作用明显，基坑长边和跨中，空间作用较弱；基坑施工时 间越长，或开挖持续时间越长，或腰梁设置延迟，支护结构的水平 位移越大。 2 3 3 “钻孔灌注桩+ 钢支撑+ 锚索”支护结构 通过对北京奥运交通工程的地铁奥运支线与大型公交线路的换 乘站基坑工程【：o 】的分析，得出以下受力变形规律： 1 基坑开挖初期变形速率较大，随开挖深度增加，速率逐渐减小， 到达某一深度基坑变形不再发展，基坑趋于稳定。 2 钢支撑对深基坑变形有明显的限制作用，钢支撑安装以后，由 于钢支撑施作以后的支挡作用以及预加轴力的反向支撑作用，基坑 变形向内侧发展速率减缓，甚至稍有向基坑外侧发展趋势，保证了 基坑的稳定。钢支撑的变形受围护桩变形的影响较大，当围护桩变 形增大时，钢支撑的轴力增大，钢支撑在预应力施加后，轴力变化 波动较大，主要原因是由于土方开挖以及温度的影响；锚索的预应 力损失有明显的时间效应，在初始阶段预应力快速损失，随后预应 力缓慢的损失，最终达到一个相对稳定的状态。 3 基坑开挖的深度与无支撑暴露的时间对围护桩的变形、锚索内 力及钢支撑的轴力影响较大。随着基坑开挖深度的增加和钢支撑的 施加，围护桩的变形形态由向坑内的前倾型曲线逐渐变为弓形。围 护桩的水平位移、钢支撑的轴力也随着基坑开挖深度的增加而增大。 随着钢支撑的施加，围护桩水平位移及钢筋内力都趋于稳定，说明 钢支撑能够有效地限制围护桩的水平位移，调整围护桩的受力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 4“地下连续墙+ 钢支撑 支护结构 通过对上海地铁m 8 线某车站基坑工程】的分析，得出基坑围护 墙体的受力变形规律： 1 基坑在开挖过程中存在时空效应规律，基坑变形大小和速率与 基坑暴露时间和每次开挖方量密切相关。因此在基坑施工中，适量 地减少每步开挖空间和时间并缩短每步开挖所暴露的挡墙的自由暴 露时间，可以明显地减少基坑位移。 2 根据基坑标准段开挖到底时不同位置处测斜累积曲线，可以发 现坑底处墙体测斜量最大，而且标准段中部的测斜量最大；随着测 点向基坑端部方向延伸，其测斜量逐渐减小。 2 3 5 “搅拌桩+ 土钉”支护结构 通过对复合土钉墙 2 2 1 的承载机理和变形分析，可得到复合土钉 墙支护结构的受力变形规律： 1 复合土钉墙与一般土钉墙的变形特征不同，一般土钉墙的侧向 位移为上大下小，呈“前倾状，而复合土钉墙侧向位移为上下较 小，中部较大，呈“凸肚 状。 2 在开挖和埋设土钉时，变形发展较快，土钉施工完后，变形很 快趋于稳定。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 第3 章锦江宾馆站基坑量测结果及分析 3 1 工程概况 3 1 1 概况 成都地铁1 号线锦江宾馆站位于人民南路、指挥街与盐道街交 叉路口处，两侧楼房密集，商业发达，人口众多，交通繁忙。车站 西侧为锦江礼堂及其停车场、省人大会议中心，以及正在修建的3 3 层的天一广场大厦；东侧紧邻成都民航售票中心；南端有锦江宾馆、 岷山饭店，以及锦江大桥；北端有高38 层的四川省信托投资公司， 力诚百货公司等。 车站范围道路两侧绿化带、机动车辅道、人行道下方，密布有 电信管线、路灯管线、电力管线、污水、雨水管线、公安交通管线 等地下管线，埋深一般较浅。 该站为中间站，采用双层双跨lo m 岛式站台。本站为双线地下 车站i 线间距为13 m ，车站底板距地面约14 3 14 8 m ，底板标高 4 8 3 5 4 8 4 o m ，项板距地面约1 0 1 5 m 。 本基坑长1 6 5 6 m ，中间标准段宽18 7 m ，开挖深度为1 6 5 m 。本 基坑采用“人工挖孔桩+ 桩间网喷+ 内支撑”的支护结构，人工挖孔 桩长19 5 m ，入土深度3 5 m ，桩径1 1m ，内支撑为西6 3 0 钢管支撑， 共三层，上下间距约为5 m ，水平间距为4 m ，基坑剖面图如图3 1 所示。图3 2 所示为基坑的施工现场图。 基坑开挖及地铁车站主体结构的施工的工序是：挖至第一道支 撑一加第一道支撑一挖至第二道支撑一加第二道支撑叶挖至第三道 支撑_ 加第三道支撑_ 挖至坑底_ 底板浇筑完成_ 拆第三道支撑一 中板浇筑完成一拆第二道支撑_ 顶板浇筑完成叶拆第一道支撑。 第一道钢支撑 孑 r 。 冀 _ 。 第二道钢支撑 鼍 善 t n晷 _ ：2 第三道铜支撑 。 c 馨 4 8 1 塑莘底标向 1 1 1 0 0 1 8 7 0 01 1 0 0 图3 1 基坑及支护结构剖面圈( 单位：m m ) 图3 2 基坑施工现场 基坑的施工由南向北共分为7 个施工区段，各施工区段的施工 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 概况如表3 1 所示。 表3 1 施工过程概况 板块开始挖土底板浇筑完成中板浇筑完成顶板浇筑完成 第一块2 0 0 7 5 12 0 0 7 8 5 2 0 0 7 9 1 92 0 0 7 1 0 2 3 第二块2 0 0 7 6 82 0 0 7 8 1 5 2 0 0 7 1 0 1 02 0 0 7 1 1 4 第三块 2 0 0 7 7 42 0 0 7 8 2l2 0 0 7 10 22 0 0 7 1 0 2 7 第四块 2 0 0 7 7 2 22 0 0 7 8 3 02 0 0 7 1 0 2 6 2 0 0 7 11 2 4 第五块 2 0 0 7 7 2 92 0 0 7 9 2 32 0 0 7 1 1 5 2 0 0 7 11 2 7 第六块2 0 0 7 8 2 02 0 0 7 1 0 5 2 0 0 7 11 1 62 0 0 7 1 2 1 6 第七块2 0 0 7 9 9 2 0 0 7 1 0 2 02 0 0 7 1 2 22 0 0 7 1 2 2 8 3 1 2 工程地质条件 按岩土地层层序，从上至下分述如下： 1 层号 人工填土( q 4m 1 ) ：以杂填土为主，褐黄、灰黑等杂色， 松散稍密，潮湿。由碎石、砂土、砖瓦碎块等建筑垃圾组成，其 间充填粘粒。场地内分布于地表，层厚1 5 4 1m 。该土层均一性差， 多为压密土，结构疏松，多具强度低，压缩性高，受压易变形的特 点。 2 层号 细砂( q 4 引) ：褐黄色，稍湿饱和，稍密状，砂质较 纯，局部含粘粒较重，呈透镜体状分布于卵石土( 层) 的上部或 底部，项板埋深1 5 0 9 5 m ，层厚0 2 4 m 。据标贯实验，锤击数 n = 7 14 击，平均1 1 击；动力触探实验显示：平均校正击数 n 6 3s = 5 5 4 12 12 ( 击l0 c m ) ，平均值8 6 4 ( 击10 c m ) 。 3 层号 中砂( q 4 引) ：灰色，稍湿，稍密状，砂质较纯，呈零 星透镜体状分布于卵石土( 层) 的项部，顶板埋深2 0 m ，层厚 3 4 m 。据标贯实验，锤击数n = 4 5 击，平均4 5 击，为不液化层。 4 层号 卵石土( q 4 引) ：黄灰色，青灰色，以稍密中密为主， 部分密实，潮湿饱和。卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组 成。以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量6 0 8 0 ，粒 径以2 0 9 0 m m 为主，夹零星漂石。本层顶板埋深2 5 5 4 m ，层厚 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 6 0 8 3 m 。动力触探实验显示：稍密状 平均校正击数 n 6 3 5 = l7 41 ( 击10 e r a ) ，变形模量e o - 41 6 8 m p a ；密实状 平均 校正击数n 6 3 5 = 2 3 0 7 12 0 7 9 ( 击10 c m ) ，平均值5 5 4 7 ( 击10 c m ) ， 变形模量o = 5 2 1 1 6 4 3 m p a ，平均值6 0 4 9 m p a 。 5 层号 中砂( q 3 。9 1 + 引) ：灰绿色夹少许青灰色，稍密中密， 饱和。呈透镜体状分布，夹少量圆砾。项板埋深8 9 15 1m ，厚0 4 3 0 m 。据标贯实验，锤击数n = 7 19 击，平均11 7 击，为不液化 c j 力譬o 6 层号 箩f l 石土( q 3 f 9 1 + 8 1 ) ：黄绿色、褐黄色，以中密密实为 主，饱和。卵石成分主要为岩浆岩与变质岩类岩石。以亚圆形为主， 少量圆形，分选性差，卵石含量5 5 8 5 ，粒径以2 0 9 0 m m 为主， 部分粒径达14 0 m m ，充填物为细砂及圆砾。充填物以中细砂为主， 夹少量砾石，含量约1o 3 0 ，具弱泥质胶结和微钙质胶结，夹零 星漂石。顶板埋深9 4 l3 2 m ，层厚1 4 5 7 7 m 。动力触探实验显 示：密实状 平均校正击数n 6 3 5 = 2 8 5 3 7 9 0 5 ( 击10 c m ) ，平 均5 8 18 ( 击10 c m ) ；变形模量e o = 5 8 5 6 4 3 m p a ，平均6 2 37 m p a 。 7 层号 细砂( q 3 9 1 + 引) ：青灰色，饱和，稍密中密，项底部 含圆砾，呈零星透镜体状分布于卵石土( 层) 的中部和底部，项 板埋深17 o 21 3 m ，层厚0 1m 。 8 层号 卵石土( q 2 f 9 1 + 引) ：青灰色，以中密密实为主，饱和。 卵石成分以岩浆岩、变质岩类岩石为主。呈圆形亚圆形，分选性 差。卵石含量5 0 85 ，粒径以2 0 1 10 m m 为主。卵石以中等风化 为主。充填物主要为中砂、圆砾，含量约15 3o ，具弱泥质胶结 和微钙质胶结。本层顶板埋深13 8 2 0 3 m ，层厚1 1 5 2 m 。 9 层号 强风化泥岩( k 2 9 ) ：紫红色，粉砂泥质结构，岩质软， 岩芯多呈碎块状，少量短柱状，部分呈土状。岩芯碎块手可折断。 本层分布不均，部分站孔缺失。层位项板埋深19 2 2 2 m ，层厚o 3 5 m ，局部大于3 7 m 。 10 层号 中等风化泥岩( k 2 9 ) ：紫红色，粉砂泥质结构，岩质 较硬，锤击声半哑较脆。岩芯多呈短柱状，少量长柱状及碎块状。 本层项板埋深19 6 2 2 9 0 m ，局部大于2 5 9 米( 勘探时未揭穿) 。根 据室内实验，含水率= 1 1 7 0 2 0 8 0 ，平均为16 7 ；天然密度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 p = 2 2 2 3 9 c m 3 ，平均为2 2 7 9 c m 3 ；自由膨胀率3l 41 ；天然抗 压强度r s 。= 2 6 8 6 m p a ，标准值为5 21m p a ；天然饱和抗压强度 r s 。- - - 0 5 2 4 m p a ，平均值为1 6 m p a 。 此外，场地内存在的不良地质为砂土液化，特殊性岩土为膨胀 岩和风化岩、人工填土。其中： 1 砂土液化 段内分布第四系全新统冲积层( q 。a 1 ) 粉砂( 层) ，潮湿饱 和，松散，局部稍密，呈透镜体状分布于卵石土( 层) 的上部或 底部，据标贯实验，锤击数n = 7 l4 击，平均1 1 击，大部分不液化。 2 膨胀岩及风化岩 段内泥岩属易风化岩，全风化呈硬塑坚硬土状；强风化呈半 岩半土、碎块状，软硬不均。具有遇水软化、崩解，强度急剧降低 的特点。根据室内试验，泥岩自由膨胀率f s = 31 41 ，饱和吸水率 w 。= 17 91 3 4 9 2 ，具弱膨胀性。该层位于结构底板以下，对车站 工程基本无影响。但对深入基岩的桩基础有一定影响。 3 人工填土 段内以杂填土为主，褐黄、灰黑等杂色，松散稍密，潮湿。 由碎石、砂土、砖瓦碎块等建筑垃圾组成，其间充填粘土。段内分 布于地表，层厚1 5 4 1m 。该层土人为随意性大，均一性差，多为 欠压密土，结构疏松，多具强度较低，压缩性高，受压易变形的特 点。应加强坑壁防护。 3 1 3 水文地质条件 根据调查，地表水系为距车站南端约2 6 0 m 的南河，水流由西向 东。南河属川西平原岷江水系，具丰富的地表径流，河床未铺底， 目前正常通航。 地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙水，二是基岩裂隙 水。 1 第四系孔隙水 第四系孔隙水基本都赋存于全新统( q 4 ) 、上更新统( q 3 ) 和中更新 统( q 2 ) 的砂、卵石土中，三层砂卵石层含水极其丰富，形成一个整体 含水层，含水层总厚度约l4 9 0 2 0 7 m ，为孔隙潜水。卵石土综合 含水层渗透系数k = - 4 6 2 2 m d ，为强透水层。地下车站主体结构基本 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 位于该层砂、卵石土中，受地下水影响较大。 表层杂填土地下水含量甚微，对工程影响较小。 2 基岩裂隙水 基岩裂隙水主要赋存于岩石裂隙中，透水性、富水性较差，水 量小。 成都市充沛的降雨量( 多年平均降雨量9 4 7 m m ，年降雨日达14 0 天) ，构成了地下水的主要补给源。同时，雨洪期南河及附近沟渠也 为其补给源。此外，区内地下水还接受n w 方向的侧向径流补给。 根据成都市地铁一期工程沿线水文、工程、环境地质条件， 主要问题及对策专题研究报告成果，本站附近的南河排泄地下水， 地下水水坡坡度平均值3 5 0 o o 左右。 段内地下水具有埋藏浅，季节性变化明显，水位西北高东南低。 根据区域水文地质资料，成都地区丰水期一般出现在7 、8 、9 月份，枯水期12 、l 、2 月份，以8 月份地下水位埋深最浅，其余月 份为平水期。在天然状态下，区内枯水期地下水位埋深3 5 m ；洪 水期地下水埋深2 4 m 。根据区内地下水位动态长期观测资料，在 天然状态下，水位年变化幅度一般在l 3 m 之间。 由勘察测得地下水位埋深4 8 8 1m ，初见水位标高4 9 3 6 8 4 9 5 0 0 m ，稳定水位标高4 9 0 4 8 4 9 4 6 8 m 。同一勘探点测得的稳定 水位与初见水位比较，基本一致，表明区内的地下水位不具有承压 性，但位置不同的勘探点测得的地下水位相差较大。 此外，测得水质类型为h c 0 3 c l 。一c a 2 + 型和h c 0 3 。一c a ”型， 地下水及地表水对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性， 但对钢结构有弱腐蚀性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 2 监测方案 3 2 1 监测内容 1 冠梁水平位移； 2 人工挖孔桩桩身变形( 水平位移) ； 3 人工挖孔桩桩身内力； 4 钢支撑轴向力： 5 基坑外侧土体变形( 水平位移) ； 6 人工挖孔桩桩侧土压力； 7 基坑外侧地下水位； 8 地表和地下管线( 2 倍基坑深度范围内) 的沉降及水平位移； 9 基坑周围( 2 倍基坑深度范围内) 建( 构) 筑物的沉降、倾斜。 3 2 2 监测方案及实施方法 1 冠梁水平位移 ( 1 ) 测点的埋设及布置：监测点设在冠梁上，测点间距为1o 15 m ，冠梁浇筑后埋设。 ( 2 ) 监测方法：考虑到基坑开挖时，施工现场狭窄，测点常被阻 挡，且基坑有较长和较短直线边并存的情况，围护结构项部水平位 移采用视准线和小角度法来监测，监测仪器为全站仪。 ( 3 ) 监测频率：基坑开挖前测量不少于2 次，取得稳定的初始值， 基坑开挖后，根据施工情况l 3 天测量1 次，异常情况时连续量测。 2 桩身水平变形 ( 1 ) 测斜管的埋设与布置：沿车站围护结构每隔10 l5 m 在挖孔 桩内布一测斜管，其长度与桩长相等。测斜管采用绑扎方法固定在 钢筋笼上。在进行测斜管管段连接时，必须将上下管段的滑槽对准， 以保证测量时测斜管的探头在管内平滑移动。为了防止砼浆进入管 内，还应对接头密封处理。 ( 2 ) 监测方法 将测斜探头放入测斜管底部，提升电缆使测斜探头沿测斜管导 槽滑动，自上而下每隔一定距离逐点量测每个测点相对于铅垂线的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 偏斜。测点间距一般就是探头本身长度，因而可以认为量测结果沿 整个测斜孔是连续的，这样，同一量测点任何两次量测结果之差， 即表示量测时间间隔内围护结构在该点的角变位。根据这个角变位， 可以把它们换算成每个测点相对于测斜管基准点水平位移。由此， 可以得到围护结构沿深度方向水平位移曲线。 ( 3 ) 监测频率：基坑开挖前测量不少于2 次，取得稳定的初始值， 基坑开挖后，根据施工情况1 3 天测量1 次。 3 人工挖孔桩桩身内力 在桩身选择多个量测断面，每个断面布置2 个钢筋计( 其连线与 坑壁垂直) ，通