（水利水电工程专业论文）高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究.pdf

西华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。 学位论文作者签名i3 长抛指导教师签名： 日期：夕占多日期冽多汔寸 西华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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：3 长九迪 日期：别f 莎 指导教师签名：蟛纺仁 日期：y 矿多彳 西华大学硕士学位论文 摘要 深基坑工程长期以来是高铁地下通道建设中的重要课题之一，对深基坑支护结构优 化分析及其实际现场监测有其重要的理论意义和工程应用价值。 本文以京沪高铁上海西站地下通道深基坑工程的开挖与支护为背景，并利用有限元 软件a n s y s 对其建立数值分析模型，模拟其施工开挖及支护过程；根据模拟分析成果， 并与工程实际监测数据对比，对支护结构进行改进和优化，并总结出深基坑支护结构的 变形规律，如最大和最危险的位移产生在基坑中部到2 3 基坑深处等。 建立了深基坑支护体系的数值分析模型，研究了影响基坑稳定性的主要因数，在此 基础上，对其支护结构展开优化设计。同时，对于支护桩的配筋，按支护桩现场实测变 形数据重新对其展开配筋设计，节约了工程成本。 本文所建a n s y s 数值模型，尽可能与工程实际相吻合，同时，通过最终修正后的数 值模型，分别对在理想工况、超挖4 m 工况、调整纵向分段开挖长度工况等三种不同开 挖方法时的该深基坑工程进行模拟计算，取得基坑各监测支护桩的水平位移变形规律， 为今后上海地区类似深基坑工程开挖施工提供借鉴依据。 关键词：高铁深基坑；支护结构；开挖方案；优化分析 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 a b s t r a c t i nal o n gh i s t o r y , d e e pf o u n d a t i o np i tw h i c hi ss i g n i f i c a n tb o t hi nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nf o rt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n a l y s i sa n dp r a c t i c a lm o n i t o r i n g ，i sak e yi s s u ei n t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a yu n d e r p a s s b a s e do nt h ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n go fd e e pf o u n d a t i o np i ti ns h a n g h a iw e s t s t a t i o no fb e i j i n g s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a y ，c o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y si s e m p l o y e dt ob u i l du pt h en u m e r i c a lm o d e l s ，a n dt os i m u l a t et h ec o n s t r u c t i o ne x c a v a t i n ga n d s u p p o r t i n gp r o c e s s ；a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，c o m b i n e d 丽t ht h em o n i t o r i n gd a t a , t h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e i s i m p r o v e da n do p t i m i z e d t h ed e f o r m a t i o np r i n c i p l e s o fd e e p f o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gs t r u c t u r ea r ed e r i v e da n dc o n c l u d e d 一 b a s e do nt h en u m 色 r i c a lm o d e l so fd e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，a n dt h ec h i e f c o e f f i c i e n to ff o u n d a t i o np i ts t a b i l i t y , o p t i m i z a t i o nd e s i g no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ei sc o n d u c t e d t os a v et h ep r o j e c tc o s t ，t h ef i e l dm o n i t o r e dd e f o r m a t i o nd a t ai sa d o p t e dt or e d e s i g nt h e ，r e i n f o r c e m e n to fs u p p o r t i n gp i l l a r s t h en u m e r i c a lm o d e l sb u i l ti nt h i s p a p e ra r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t l l t h ep r a c t i c a l 、p r o j c o t s t h r o u g hm o d i f y i n gm o d e l s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fd e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n i np e r f e c to p e r a t i o nc o n d i t i o n ，o p e r a t i o nc o n d i t i o no fe x t r ae x c a v a t i o no f4m e t e r sa n d o p e r a t i o nc o n d i t i o no fm o d i f y i n gl o n g i t u d i n a ls e g m e n te x c a v a t i o nl e n g t ha r ec o n d u c t e d ， r e s p e c t i v e l y t h ep r i n c i p l e so fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no fs u p p o r t i n gp i l l a r sa r e o b t a i n e d t h em e t h o d se m p l o y e di nt h i sp a p e rc o u l dp r o v i d et e c h n i c a lb a s i sf o rt h ef a m i l i a r d e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i to fh i g h - s p e e dr a i l w a y ；s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ； e x c a v a t i o np r o g r a m ；o p t i m i z a t i o na n a l y s i s 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题研究的目的及意义1 1 2 当前深基坑工程研究状况1 1 2 1 我国深基坑工程的特征1 1 2 2 深基坑工程研究现状2 1 2 3 深基坑工程研究未来发展趋向4 1 3 研究内容与思路6 1 3 1研究内容6 1 3 2 研究思路6 2 深基坑支护结构实际位移分析：。7 2 1 工程概况7 2 1 1 工程位置7 2 1 2 工程地质及水文地质8 2 1 3 深基坑支护方案8 2 2 深基坑支护结构实测位移分析9 2 2 1深基坑支护桩监测点布置设计9 2 2 2 支护桩实际测斜数据分析1 0 2 3小结1 5 3 深基坑支护结构数值模拟分析1 6 3 1 前言1 6 3 2 深基坑支护结构数值模拟1 6 3 2 1 有限元软件a n s y s 的概述1 6 3 2 2 上海西站地下通道深基坑支护结构模拟分析1 7 3 2 3 上海西站地下通道深基坑数值模拟分析1 9 3 2 4 上海西站地下通道深基坑开挖及支护过程模拟分析2 2 4 深基坑支护结构体系稳定性影响因素及结构优化分析2 8 4 1考虑深基坑稳定性的钢管横撑间距分析2 8 4 2 考虑深基坑稳定性的支护桩入土深度分析2 9 4 2 1支护桩的入土深度机理分析2 9 4 2 2 模拟分析支护桩入土深度3 0 4 2 3 结论3 2 m 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 4 3 影响基坑稳定性的桩体间距及直径分析3 2 4 3 1 支护排桩理论分析3 2 4 3 2 模拟分析支护桩间距与桩径3 3 4 4 钢筋混凝土灌注桩优化配筋分析3 5 4 4 1 拟合水平位移变形监测数据曲线3 5 5 深基坑施工开挖方案优化分析3 9 5 1 前言一3 9 5 2 深基坑支护工程的安全等级及允许位移量4 0 5 3 模拟分析京沪高铁上海西站地下通道深基坑开挖方案4 1 5 3 1 在理想工况下对地下通道深基坑的施工开挖模拟分析4 1 5 3 2 京沪高铁上海西站地下通道基坑开挖超挖的模拟分析4 2 5 3 3 调整开挖纵向分段长度下的上海西站地下通道基坑开挖模拟4 3 5 4 分析验证深基坑优化结果稳定性4 5 结论与展望一4 7 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表学术论文情况。5 1 【谢5 2 i v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题研究的目的及意义 随着社会经济发展和城市现代化建设水平的不断提高，城市建设规划布局已发生了 深刻而大规模的变化。尤其在当今的社会环境和自然环境中，人口密度不断提高，交通 快速发展，一些大中城市出现既有空间难以保证人们逐步增长的需求问题，促使人们着 手于对地上及地下空间越来越多的开发利用。而高铁将会是缓解当今城市环境、城际交 通和生活空间等多方面问题的重要途径。当今人们关注的热点岩土工程领域深基坑工 程，其具技术上复杂和综合性极强的特点，并与很多工程因数极为相关，如现场土方开 挖施工、工程地质勘察、现场施工管理、地下水处理、基坑稳定性、现场监控监测、支 护结构设计、比邻工程施工相互扰动等等。深基坑的开挖施工，要严格控制坑周岩土位 移变形，保护周围环境，保证基坑本身稳定和安全。工程实践证明，由于工程岩土错综 复杂的构造，而且设计和施工管理的不到位，假如基坑支护技术不当，开挖施工措施执 行不力，会造成坑周边岩土层破坏失稳，严重威胁坑周安全环境，如建筑结构位移变形、 开裂、倾倒及破坏地下管网等等。假如这些问题处理不当，会严重影响深基坑工程施工 的推进，造成工期延误，产生不良影响和巨大经济损失。因为原位岩土的应力场和地下 水物理场等环境因素的变动，在基坑挖土时，会导致基坑失稳破坏，产生较大隆起、流 沙、支护结构变形、坑周边上地面环境沉降等现象。因此，深基坑支护结构体系与开挖 方案研究便是深基坑工程中的重要课题之一。本文以京沪高铁上海西站深基坑工程为研 究背景，研究高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案，其可为上海地区类似深基 坑工程累积经验，为其施工开挖方案与支护结构体系的分析设计提供借鉴依据，进行本 课题的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 当前深基坑工程研究状况 1 2 1 我国深基坑工程的特征 我国的深基坑工程具有鲜明的特点，其主要特征为：( 1 ) 通常具较强的综合性；( 2 ) 环境影响大，基坑工程通常会对周边环境造成较大影响：( 3 ) 质量要求较高；( 4 ) 区域 性强，具有较大的东西部地区差异；( 5 ) 事故发生率较高；( 6 ) 每个基坑工程都具有各 自的特征，具较强的特殊性；( 7 ) 时空效应明显；( 8 ) 投资规模大，工程量大【l 】。 在我国，当前深基坑工程存在很多问题，主要为：( 1 ) 支护结构体系实际受力未得 到较准确的计算分析和诠释，常常有较大的误差：( 2 ) 不按信息化流程规范施工的情况 普遍，存在施工监测不足；( 3 ) 施加支护结构常常不够及时，深基坑工程的空间效应问 题不够重视或不够全面；( 4 ) 岩土易被施工扰动，取样常常具不全面性；( 5 ) 支护结构 基坑工程中，有限单元法得到了较广泛应用。采用有限单元法，对支护、开挖交替开展 2 西华大学硕士学位论文 的变动介质中的位移场和应力场的复杂变动过程做详细分析，获得的数值解较准确。近 二十年来侯学渊和刘建航结合了上海地区软土深基坑工程的具体实践，更进一步的对基 坑工程的时空效应作了深入研究，提出了基坑工程中极其重要的深基坑时空效应理论， 特殊的一些计算基床系数和土压力的近似经验公式通过理论推导和试验的基础被提出 来【6 】。调整被动区基坑的弹性基床系数为考虑时空效应的开挖过程的等效系数，按深基 坑的时空效应规律，对土体主动土压力系数进行修正，这就是这些方法的总体基本思路 【力 - ! ：，j 、+ 。一一、 o 俞建霖按照对基坑工程仅考虑作为二维平面问题分析的计算结果进行了研究讨论， 进一步在基坑开挖过程中的土体压力的空间分布规律、支护结构位移变形、及基坑的几 何尺寸效应规律中，用三维空间有限单元法开展了研究【2 8 】；其横撑离散设为三维梁单元， 岩土采用线弹性本构模型。针对修正了的剑桥模型采用逐级开挖，b o r j a 等分析预测了 在有横撑结构开挖工程实践的位移变形特征，运用的方法是应力一点积分非线性的有限 单元分析法，该方法无条件的收敛( 岩土不破坏情况) ，且计算精度较高【l 引。高文华等讨 论过上海香港广场深基坑支护结构工程的现场量测结果、分析设计及工程施工。对支护 结构的位移变形在编制计算程序和建立有限单元分析模型( 作基坑支护结构计算分析) 的基础上，开展了三维有限元数值计算与分析，并和现场实际监测结果作了详细的对比， 提出了支护结构位移随开挖时间滞后而发生改变的规律及水平位移的空间分布规律 【2 6 】。考虑了回筑施做的过程及开挖施工的过程对深基坑支护挡土结构作用的影响，基于 弹性地基梁法，杨敏等学者建立了完整的基坑支护结构的位移变形和内力的变化过程的 模型并开展模拟【2 9 】。通过对照分析实测值与大量计算结果，讨论了作为基坑支护结构分 析设计的方法，该方法的合理可行性问题。基于极限平衡分析的原理及岩土的塑性上限 理论，利用坑壁岩土的三维破坏模型，杨祖强等学者为了得到思考空间效应的土压力的 计算公式，对于坑壁支护结构体系上的土压力，研究分析了两坑壁端部对其完全的屏蔽 作用【2 5 1 。利用空间的有限单元法，龚晓南、俞建霖等研究了在支护结构体系围护下， 基坑开挖施工过程中，周围地下地表沉降、位移变形、影响支护结构体系位移变形的主 要因素，以及在基坑底部隆起形态的空间分布规律，并对有限单元分析模式的合理性， 利用某深基坑开挖工程实例开展实证【3 6 1 。通过分析研究了基坑周围地面沉降机理影响范 围( 被基坑排水降水引起) ，刘耀峰等学者探讨了减少地面沉降的合理措施及深基坑降水 排水引起地面地下沉降的主要影响因素【4 1 1 。对深基坑工程的实际情况，裴桂红等建立 了关于地下水非稳定渗流工况的数学模型，讨论外在人为扰动因数和深基坑工程施工过 程对深基坑稳定性的影响，基于弹塑性本构模型、小位移变形假设、t e r z a g h i 有效应力 原理等，分析拟定了岩土位移变形方程p 蚍。 ( 2 ) 国外研究现状 关于基坑工程问题，p e c k 和t e r z a g h i 等学者在2 0 世纪3 0 年代就率先提出了预测横 3 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 撑荷载大小及基坑开挖稳定性的总应力方法，是开展基坑研究工作比较早的一批学者； 在分析计算基坑坑底隆起量较为合理的方法方面【1 6 1 ，于5 0 年代被所e i d e 及b j e r r u m 等 学者提出来，于6 0 年代中已经在墨西哥城及奥斯陆的软粘土深基坑开展了实际监测土 压力的工作，其预测的准确性，在之后的大量实测数据后得到了进一步加强。在这些之 后有限单元法被d u n c a n 和c l o u g h 等学者引入基坑工程这个极为活跃的研究领域【1 9 1 。有 限单元法在稳定性分析评价及深基坑支护结构设计中，已经得到广泛的应用，c h a n g 和d u n c a n 于1 9 7 0 年初次在分析高边坡开挖的物理性状过程中，应用有限元方法对其开 展了数值模拟，在对比分析实测数据资料与模拟结果后，认为边坡开挖中可以用有限单 元法较好地模拟0 7 1 。在基坑位移变形的计算中，最先运用有限单元法的先驱是c l o u g h 等学者，利用此方法分析了基坑支护结构体系体系受到基坑时空效应和岩土非线性特性 的影响。利用有限单元法，c l o u g h 又利用有限元方法模拟分析了岩土的各向异性，分析 结果表明，位移分布规律受岩土层、墙体各向异性的影响；而且计算出来的地表沉降量 和墙体位移，在考虑岩土各向异性的影响时会明显的增大，其破坏区域会显著扩大。 通过运用b o i t 固结理论，y a n gk y 等通过有限单元法，对基坑的施工开挖过程开展 了数值模拟分析，计算分析后认为：因为横撑结构的影响，导致负孔隙压力产生，得到 的是完全排水和不排水方式两种方式之间的固结计算结果，因此实际位移值可以把完全 排水与不排水的结果作为其上下限。h a s h a s h 和w i t t l e 认为虽然当前使用的在模拟分析 基坑工程领域的有限元程序很多，但其在建模过程中的种种简化过多，因此他们在研究 位移变形和渗流的物理耦合效应时，采用混合有限元来模拟分析，并在模拟施工全过程 中，运用了一种新的非线性弹性岩土本构模型( m i t - e 3 ) ，得到的分析结果较精确，并且 认为：只有可靠的模拟在岩土的位移变形研究中得以完成，才能对基坑支护结构体系的 响应做出准确预测。 1 2 3 深基坑工程研究未来发展趋向 ( 1 ) 建立工程位移变形控制设计方法 之前的深基坑工程设计主要为强度控制设计，只要结构强度能达到规范标准即可， 保证基坑本身稳定性是其主要目的。但对周围环境安全要求较高以及粘土地层区的深基 坑工程，结构强度有时虽然满足要求，但基坑的位移变形往往过大，在所允许的位移安 全上限，而在此，影响问题的关键因数是结构的位移变形，在工程中其应占主导地位。 所以，基坑支护结构体系设计，需在满足位移变形要求的基础上满足强度要求，即往往 应由位移变形控制结构体系设计。在工程施工过程中，基坑工程施工的重点是保证其对 周边环境不造成破坏性影响，所以在设计基坑工程支护结构过程中，位移变形控制设计 成为其重要方法之一【2 】。 在基坑工程设计中，位移变形控制设计方法的建立，以下问题应进行重点分析研究 【7 】： 4 西华大学硕士学位论文 分析确定基坑支护结构体系体系的位移变形控制标准( 即国际标警戒、安全允许 值、规范等) ，这些重要数据选取，决定了整个支护结构体系的成败； 如何将开挖过程中的空间效应简化为设计中的平面应变问题( e p 空间应变模型简 化为平面应变模型) 。通过简化达到既简化计算模型，又能考虑空间效应的目的； 确定基坑施工荷载、地面超载等，及其它影响基坑支护结构位移变形的情况【4 】。 ( 2 ) 工程施工与设计无缝紧密结合 由于工程施工岩土受到扰动，岩土物理参数往往是随着施工推进渐渐变化的，取值 时必须考虑工程施工因素的影响，以建立模型计算参数的，但是基坑工程施工与设计往 往衔接不够紧密。而在目前的相关基坑工程分析设计规范中，对计算参数的选取往往是 给出一个区间值，因而工程分析设计人员在选取时，由于这一区间较大，则具较重主观 性和经验性。如果在不同的工程中按设计规范的统一设计参数取值，则最后分析计算出 来的支护结构位移差异就较大。因此，工程施工必须与设计紧密配合，在施工中注意考 虑时空效应进行，在设计中考虑施工过程中的可能性影响因数，开展信息化施工。 ( 3 ) 更注重展开试验研究方式分析支护结构体系 我国目前所做过的在深基坑支护结构体系体系方面的系统详细的试验研究较缺少， 详细的理论依据也极少。难说出一些成功支护结构体系工程的具体成功之处，也谈不清 一些失败的支护结构体系，其失败的实际原因。虽然累积了相当丰富的在支护结构体系 工程施工所得数据资料，但是其又存在极大的缺陷，在采集数据时，大多都缺少科学性 测试，难以开展可靠的分析论证工作，难以提华到一定高度的理论层次。 ( 4 ) 不合理传统设计观念的改变，釜 无论国内外，至今对深基坑支护结构体系的设计，无一种精确合理的分析计算方式 方法；在我国，当前也还没有正规统一的支护结构体系设计规范正式出台。还在按朗肯 或库伦土压力理论分析土压力的分布规律，仍然采用等值梁法对支护桩进行计算分析。 深基坑支护结构体系的实际受力情况与理论分析计算结果差异较大，既不够经济也不够 安全。因此，应以施工现场的监测为主导，逐步建立动态信息反馈设计体系，而较传统 的结构荷载法，在分析设计深基坑支护结构体系中不应再被采用。对探讨和建立动态设 计体系，在国内外岩土学者圈已形成共识，这方面的具体研究工作，有很多学者已开始 进行。近十几年来，我国在深基坑支护结构技术方面收集了一些重要的施工过程中的数 据资料，已经积累较多实践经验，初步摸索出支护结构体系实际受力的分布规律在一些 岩土中的变化，打下良好的基础，为建立支护结构体系设计新理论而服务。但是，研究 深基坑工程科学的重点，仍然是建立真正完全实用的动态设计体系模型。 ( 5 ) 新的支护结构型式 当前深基坑支护结构工程正朝着综合性方向发展，即止水结构体系与受力结构体系 结合、永久支护结构体系与临时支护结构体系结合、基坑支护结构体系型式与开挖方案 等。 ( 1 ) 以该地下通道深基坑工程作为依托，系统的分析现场实测数据，研究位移在深 6 西华大学硕士学位论文 基坑支护结构上的分布规律。 ( 2 ) 通过有限元软件a n s y s 建立数值分析模型，模拟基坑支护结构的施加和分步分 层开挖的过程。确定支护结构的几何尺寸和形式，其包括了梁体单元和钢管横撑单元， 支护排桩墙、岩土与支护排桩墙的接触单元。为了拟定岩土的各项物性参数，通过整理 出全部的结构体系位移图表，与工程实际监测情况进行比较分析。 ( 3 ) 通过修正支护结构的各参数，建立数值分析模型，对比分析支护桩体在各工 况下的水平位移，得出支护结构位移变形规律与其影响因素的关系，计算分析横撑及桩 体参数( 包括支护桩体间距、直径、入土深度及钢管横撑间距等) 对基坑稳定性的影响。 为更好的优化支护排桩，通过数值分析软件并结合现场监测数据，拟合出桩体位移变形 曲线，在此基础上计算出桩体实际所受弯矩大小。 ( 4 ) 经多次调整基坑超挖量及纵向开挖分段长度，模拟分析深基坑施工开挖方案， 使得基坑开挖方案优化到达最佳。 2 深基坑支护结构实际位移分析 2 1 工程概况 2 1 1工程位置 上海西站位于d i c 2 9 7 + 9 0 2 6 0 8 ，即地下通道中心桩号d k 2 9 7 + 9 0 2 6 0 8 ，与房站结构 在d 轴相接，另一端距离西站京沪高铁改线围墙1 8 2 m ，其平面布置示意图如图2 1 所示： 图2 1 基坑平面布置示意图 f i g 2 3 p i tf l o o rp l a n 7 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 上海西站北面近邻京沪线和沪杭线等重要在运行高铁，南面是高层建筑和繁忙街道。 2 1 2 工程地质及水文地质 ( 1 ) 工程地质条件 按成因类型、地层沉积地质年代，据勘察数据资料及土工试验成果，将此深坑工程 勘探范围内的拟建场地3 0 m 深度范围内土层共分为5 个土层号。区内地层均为第四系松 散堆积层，总厚度在1 0 0 m 以上，以第四系全新统以及更新统形式的黏性土，粉土及砂 土为主，基坑影响深度范围内的地层分布自上而下为： 1 人工填土( q 4 m 1 ) ( 1 ) 杂填土：灰色、灰黄色等，松散，稍湿，成分以碎石、黏性土等组成。该层 分布于场地表面，后0 5 4 7 m 。 2 第四系全新统冲海积层( q 4 a l + m ) 、海积层( q 4 m ) 、滨海沼积层( q 4 m + l h ) ( 2 ) 1 粉质粘土：灰黄、黄褐色，软塑。该层顶面埋深0 7 - 4 7 m ，层厚0 6 - - - 3 1 5 m ， 该层分布不均，多有缺失。 ( 3 ) 3 粉土：灰色为主，稍密，饱和，含少量云母碎粒。该层项面埋深2 4 - 5 3 m ， 厚0 9 3 5 m ，场地内均有分布。 ( 4 ) 1 淤泥质粉质黏土：灰色为主，流塑局部夹粉土薄层，具腐臭味，含有机 质该层项面埋深4 0 - - - - 7 o m ，厚7 5 15 9r r l ，场地内均有分布。 ( 5 ) 2 粉土：灰色，稍密，饱和，含少量云母碎粒该层项面埋深1 2 8 m ，厚1 3 m ，仅j z v 0 9 9 西f 1 孔揭示。 ( 6 ) 1 粉质黏土：灰色，流塑软塑，局部夹薄层状粉土、粉砂，含有机质。该 层项面埋深1 4 1 - 2 1 0 m ，厚2 5 - - 8 4 m ，场地内均有分布。 ( 2 ) 根据勘察报告和上海地区区域资料，拟建场地内的地下水主要有浅部黏性土 层中的潜水，部分地区浅部粉性土层中的微承压水和深部粉性土、砂土层中的承压水。 据区域资料，承压水位一般低于潜水位。浅部土层中的潜水位埋深，离地表面0 3 - 1 5 m ， 年平均地下水位离地表面0 5 - - 0 7 m ，深部承压水位，埋深在3 - 1 l m 之间。潜水位和承 压水位随季节、气候、潮汐等因数而有所变化。 潜水一般赋存于圣层填土、2 层粉性土含水层组中，勘察时水位埋深0 6 - - 1 8 m 。总 体地下水位高，且含水多，降水难度大或易产生流沙。 2 1 3 深基坑支护方案 根据本工程设计图纸，上海西站地下隧道中心桩号d 怼9 7 + 9 0 2 6 0 8 北段线运用的支 护方式为桩撑与放坡开挖相结合。钢管横撑设计为f6 0 9 壁厚1 4 r a m ，支护桩设计为 f 8 0 0 1 2 0 0 。基坑上部按1 ：o 4 设计坡率放坡，支护方式为土钉墙，且为3 6 m 放坡深 度的放坡开挖。 地下通道中心桩号d k 2 9 7 + 9 0 2 6 0 8 南段采用f6 0 9 壁厚1 4 r n r n 的钢管横撑；选取支 8 西华大学硕士学位论文 护结构的支护桩为f8 0 0 1 2 0 0 ，支护桩项设8 0 0 x 8 0 0 冠梁，冠梁底面离地面1 5 m ，如 图2 1 和图2 1 。 【) ( _ ) ( _ ( ) ( ) ( _ _ ) ( _ ) ( ) 【) ( ) ( ) ( ) ( ) 【j ( l ) ( ) ( ) ( ) r _ ) ( ( l ) ( l ) l ) 磅忮撑咖6 0 吡1 4 ， 、oo u ( ) ( ) 【j n ( ) c ( ) (i o u 口o u eo u ( _ i ) n ( ) 国榱8 。o 钻孔灌注桩巾晚1 2 l l il j il j i山山l l i山d il j il l l山 图2 1 放坡段线支护结构平面示意图( 北段) f i g 2 1 t h e p l a no fs u p p o r ts t r u c t u r ea tg r a d i n gs e g m e n t ( n o r t h e r ns e c t i o n ) 澎。 【) ( ) ( ) ( ) ( _ ) 【_ ) ( _ 一) ( ) ( _ 一) ( _ j ) ( _ ) ( _ _ ) ( _ _ ) ( j ) ( - | ) ( ( 】( ) ( _ _ ) ( ) l | ) ( ) 【- j 刚支撑蝴七i 4 ， ( ：( ) uo( ) ( ) o ( j ) o o oco o o o u o o ( c 围檩8 0 泔8 0 0 、钻孔灌注桩巾8 0 0 。1 2 0 0 图2 2 未放坡段支护结构平面示意图( 南段) f i g 2 1 t h ep l a no fs u p p o r ts t r u c t u r ea tu n g r a d i n gs e g m e n t ( n o r t h e r ns e c t i o n ) 2 2 深基坑支护结构实测位移分析 在基坑开挖过程中，对支护桩体钢筋应力、支护桩位移变形、钢管横撑轴力及桩侧 土压力开展全程监控检测，尤其重要的监测成果为桩体测斜数据，其形象直观、意义明 确、准确度高等。 、 2 2 1 深基坑支护桩监测点布置设计 在京沪高铁上海西站地下通道深基坑工程中，我们共计布置3 5 个桩体水平位移变 形监测点，其中损坏1 1 处，下图2 4 为部分监测点布置示意图。 9 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 图2 4 支护桩监测点布置示意图 f i g 2 4 t h es c h e m a t i co fm o n i t o r i n gp o i n t so i ls u p p o r t i n gp i l e s 2 2 2 支护桩实际测斜数据分析 在整个监测体系里，因为安装位置特别，以及其位置上的对称性，对于h e 2 、h e 4 、 h w - 3 、h w - 4 等监测点，可先作详细的讨论。在全部监测点中，h e 4 至h e 1 处，支 护型式原设计为钢管横撑+ 支护桩+ 土钉墙支护，由于施工空间的限制，变更了设计， h w - 4 以南均采用钢管横撑+ 支护桩的支护型式，在h w - 4 以北，具体施工中支护型式改 为钢管横撑+ 支护桩+ 砖砌挡墙。 ( 1 ) h w 二3 点位移监测分析 根据设计图纸，北段放坡深3 6 m 。考虑到本施工场地狭窄，在冠梁上方砌筑3 7 砖 墙至地面，并设置构造柱与腰梁。然后在砖砌墙与土钉支护墙之间回填土，并用c 1 5 混凝土硬化地面，厚度1 5 0 r a m 。砖墙厚度3 7 c m ，每3 2 m 砖墙设一道构造柱，每米设 腰梁一道。下部分采用钻孔灌注桩+ 钢管横撑的支护方式。钢筋混凝土钻孔灌注桩设计 为f8 0 0 1 2 0 0 ，共设置3 道内横撑。横撑体系采用f 6 0 9 钢管横撑+ 钢围檩组合，钢管 壁厚1 4 m m 。在第一道钢管横撑施预加力2 1 0 k n ，于第二道钢管横撑施预加力7 1 0 k n 。 l o 西华大学硕士学位论文 图2 9 监测点( 1 t w - 3 ) 原横断面一 f i g 2 9 t h eo r i g i n a lc r o s s s e c t i o n ( 1 ) a b o u tm o n i t o r i n gp o i n t s ( h w 一3 ) 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 jb 瞅州 。 l参黼i 趾- ； 支哺螗x 1 4 一 、 jl !| e o o o o x l 加d 钻乳倥越 忮t 1 4 m e x1 2 耐6 f l 垃量 l |e ，、。 一支t 中6 1 4 暑王 、， 图2 1 0 监测点( h w - 3 ) 变更设计后横断面二 f i g 2 1 0 t h eo r i g i n a lc r o s s s e c t i o n ( 2 ) a b o u tm o n i t o r i n gp o i n t s ( h w 一3 ) 支护桩深( i ) 图2 1 1 水平向桩体位移变形( h 1 一3 桩) f i g 2 1 l h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti np i l e ( h w - 3p i l e s ) 在该截面施工时，原放坡开挖施工后，为了保证施工场地空间，选择了回填土施做 砖砌挡土墙方式，工程施工方案做了变更；相对于支护桩来说，上部砌砖挡土墙应简化 为柔性支护，且其无位移变形控制依据，因此暂不进一步分析其位移变形情况。在第二 次施工开挖支护时，拖延时间过长，且超挖了大约3 m ，结果在支护桩顶产生过大位移； 在第二道横撑施加时，侧向水平位移的监测值就超出了规范规定的警戒值3 0 m m ，在第 1 2 们 加 ” o 加 弓 如 即 ：一 一 一 一 一 。占镎趔*擎掣 西华大学硕士学位论文 三道横撑施加时己远远大于规范规定的允许最大位移值，即在施工第二、第三道钢管横 撑时存在超挖与支护不够及时的不规范施工。 ( 2 ) h w - 4 点监测位移分析 如下图2 1 2 断面示意图，在位移监测h w - 4 点，采用的支护型式是钢管横撑+ 支护 桩支护，共设置了3 道内横撑，基坑深为1 5 7 m ，支护桩长为1 9 7 m 。 图2 1 2h e 一4 、h 1 一4 点监测位移断面图 f i g 2 1 2 t h ec r o s s s e c t i o nd i a g r a ma b o u td i s p l a c e m e n to i lh e - 4 ，h w - 4p i l e sw i t hm o n i t o r 由于前期抢工期，施工单位严重的不规范施工，在h w - 3 、h w - 2 等位移监测点产 生过大的位移变形；之后施工单位在施工h w - 4 点的断面时，开始规范施工，虽然在第 三次开挖施工时出现了少量违规超挖，但是后来因及时架设钢管横撑，对支护桩的变形 控制，也获得了显著的效果，位移变形监测情况如图2 1 3 。 在土方开挖刚开始时，最大位移值发生在支护桩顶处，整个支护桩体系呈整体向坑 内倾倒趋势，支护桩水平位移变形发生明显变化，其产生于第一道钢管横撑施加和第二、 三次土方开挖后，由于钢管横撑的施加，支护桩项不再发生持续的位移变形；之后因为 土方的开挖和钢管横撑架设滞后，整个支护桩体系中部开始渐渐出现鼓肚状态，位移增 涨速度快，在支护桩中部的水平位移发展中，施加第二道横撑后，再经一天的持续位移， 产生了从变缓到接近稳定的变形递增态势，伴随着第三道横撑的施加和开挖至基坑底 部，支护桩水平位移总体趋向平稳( 仅出现小增长) 。 1 3 高铁地下通道深基坑支护结构体系及开挖方案研究 3 0 2 5 童2 0 谈 攀1 5 善1 0 5 0 0l23曩567891 0l l1 z1 3 桩深( - ) 图2 1 3 唧一4 点支护桩水平位移状态 f i g 2 13 h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc u r v eo i lh w - 4 p o i n to fp i l e s ( 3 ) h e 4 点监测位移分析 由于施工荷载等的不同，以及开挖施工的不对称性，位移变形曲线状态也有所不同， 因此单独对h e - 4 点监测处进行分析。 此处选取钢管横撑+ 支护桩的支护型式，共设置内横撑3 道，基坑深度1 5 7 m ，支 护桩长1 9 7 m 。与h w - 4 处基本为对称状态的点，也就是本位移监测点h e 4 的位置， 但因为基坑东侧开挖施工速度一直落后于基坑西侧，位移变形监测情况如图2 1 4 ，h e 4 处的支护桩水平位移变形获得了明显的改善，在h e 一4 处的水平位移变形总体上来看要 比h w - 4 处小。 在初次土方开挖后，h e 一4 处支护桩位移变形与h w - 4 点基本一样，最大位移值产 生在支护桩项，且支护桩体系为整体向坑内倾倒态势。在第二、三次土方开挖后，施加 了第一层钢管横撑，支护桩体水平位移曲线产生明显变化，在钢管横撑的约束作用下， 支护桩顶不再继续产生位移变形，支护桩中部鼓肚状态也渐渐产生，产生较快的位移变 形增速。在第二层横撑施加以后，桩体中部水平位移经过一天的持续发展后，其增大速 率总体上逐渐减小，并趋于稳定。 通过观察比较位移变形曲线，h e 4 监测点与h w - 4 监测点不同之处在于，在施加 第一、第二层钢管横撑之后，h w - 4 点监测的桩项水平位移开始减小并收敛于桩项，甚 至曾产生负值，但在h e 4 监测点，桩项位移达到的最大值后基本稳住，并未产生减小 迹象。 1 4 一堕竺奎堂堡主堂鱼笙壅一一 一一一 桩深t ) 图2 1 4h e 一4 桩体水平位移曲线 f i g 2 1 4 h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc u r v e so i lh e - - 4p o i n to t 。p l l e 2 3 小- 结 施工现场监测是深基坑工程施工的重要环节，要实现信息化施工，必须对深基坑工 程开霎翼耄罢翥兰箸；，本文选取了羔护结构水平位移变形作为研究工拓的重点。为了 在众多监测项目中，本文选取了支护结构水平位移焚肜作刀饼九上1 洲。里恩。2 二 研究支护结构位移变形特征，介绍了京沪高铁上海西站地下通道深基坑工程，把几组具 代表性的数据作为典型分析的对象，得出如下结论： ( 1 ) 由于在施工过程中，上部施工荷载等的不同，以及施工过程中存在时空效应， 虽然在空间上处于相互对称位置的支护结构，其相应的位移变形也不一定相同。， ( 2 ) 在基坑施工过程中，空间效应极为显著，随着土方开挖的进行，虽然在基坑 底的的水平位移变形很小，但在支护桩中部水平位移变形逐渐增大。支护桩譬竺苎翌苎 大、最不安全的位置在2 3 基坑深度到中部处，并不是通常认为的桩顶上，并在安装了 钢管横撑的位置有显著反弯产生。 ( 3 ) 本深基坑工程已顺利竣工，表明了基坑支护结构体