苏州轨道交通1号线工程影响技术评估报告.doc

271 地块基坑工程 对苏州轨道交通 1 号线工程影响 技术评估报告 2011 年 1 月 目 录 1 研究背景研究背景 1 2 研究依据研究依据 1 2 1 2 1 管理性文件 1 2 2 2 2 技术评估合同 1 2 3 2 3 工程设计相关成果及依据文件 1 3 工程水文地质工程水文地质 2 3 1 工程地质概况 2 3 2 水文地质概况 4 3 2 1 地表水 4 3 2 2 潜水 4 3 2 3 微承压水 5 3 2 4 承压水 5 3 2 5 地下水 土对建筑材料腐蚀性 5 3 3 不良地质作用 6 3 4 有关土质参数 6 4 271 号地块基坑围护方案与地铁车站结构号地块基坑围护方案与地铁车站结构 8 4 1 围护方案 10 4 1 1 围护方案 10 4 1 2 施工工序 12 4 2 地铁车站结构 13 5 271 号地块基坑对轨道交通号地块基坑对轨道交通 1 号线影响评估号线影响评估 16 5 1 计算内容和工况 16 5 1 1 计算工况 16 5 1 2 计算内容 16 5 2 地质断面选取 16 5 3 计算分析及主要步骤 19 5 4 计算模型及参数 23 5 4 1 计算软件的选取 23 5 4 2 本构关系及参数 25 5 5 有限元模型及边界条件 27 5 6 计算成果及分析 36 5 7 结论 46 6 基坑施工风险及对工程的施工要求基坑施工风险及对工程的施工要求 47 6 1 对影响风险因素的分析识别 47 6 1 1 基坑施工对地铁结构安全的影响 47 6 1 2 基坑施工对地铁结构安全影响的危险因素分析 47 6 2 基坑工程对施工的要求 50 7 控制目标的确定及对控制目标的确定及对 271 地块基坑工程的建议地块基坑工程的建议 52 7 1 围护结构位移控制目标的确定 52 7 1 1 地铁安全保护区及保护指标 52 7 1 2 监测目标的确定 53 7 2 对 271 地块基坑工程的建议 53 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 1 1研究背景 271 地块项目北侧紧临轨道交通 1 号线 基坑的开挖 支护等过程会 改变土体应力状态 引发建筑的位移和内力变化 地铁主体结构已经完工 它对变位十分敏感 为了确保地铁主体土建结构的安全 需要评估基坑的 开挖 支护及回拆等过程对地铁主体结构造成的影响 2研究依据 2 1 2 1 管理性文件 苏州市政府 建设局及轨道公司的相关文件 2 2 2 2 技术评估合同 271 号地块基坑施工对地铁安全影响评价工作协议书 2 3 2 3 工程设计相关成果及依据文件 1 苏州轨道交通一号线工程华池街站 星湖街站区间岩土工程详细勘察报 告 勘察编号 2007 K 521 2 苏州市轨道交通 1 号线星海街站主体结构施工图设计 2008 11 3 苏州工业园区九龙仓苏州超高层项目工程勘察报告 详勘阶段 2010 03 15 4 苏州市 271 地块超高层项目基坑围护设计方案 2011 1 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 2 3工程水文地质 3 1 工程地质概况 根据本次详勘揭露地层资料 拟建场地 187m 深度范围内的地基土 均为第四系早更新世 Q1 及其后期的沉积土层 属第四纪湖沼相 河泛 相 河口 海湾相 滨海相 河口三角洲相 湖相 河床相 冲积相松 散沉积物 主要由粘性土 粉性土及砂土组成 根据本次详勘揭露地层资料 拟建场地地基土分布有以下特点 1 第四系全新统 Q4 土层 第 1 层填土 Q43 松散 大部分区域以粘性土为主 含碎石 及植物根茎等杂物 场地北侧近地铁施工区域及场地中部道路区域上部 为混凝土地坪 场地南侧暗浜区域该层中局部含大量碎砖 碎石等建筑 垃圾杂物 成分复杂 第 2 层浜土 Q43 以粘性土为主 含大量黑色有机质及腐植 物 明浜以淤泥为主 主要分布于明浜 塘底部 2 第四系上更新统 Q3 土层 第 1 层灰黄 灰绿色粘土 Q38 2 呈可塑状态 层面埋深约 1 0 4 2m 相应标高约 2 23 0 78m 含氧化铁条纹及铁锰质结核 局部以粉质粘土为主 明 暗浜分布区域该层缺失或厚度较薄 第 2 层草黄 兰灰色粉质粘土夹粘质粉土 Q38 2 呈可塑 硬 塑状态 层面埋深约 2 5 5 5m 层面标高 0 73 2 61m 左右 含氧 化铁条纹及铁锰质结核 底部以粉性土为主 土质不均 第 1 层灰色砂质粉土 Q37 呈稍密 中密状态 层面埋深约 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 3 6 0 9 0m 层面标高 3 15 6 00m 左右 含云母 层顶夹粘质粉土 局部夹多量薄层粘性土 下部以粉砂为主 土质不均 第 2 层灰色粉砂 Q37 呈中密状态 层面埋深约 10 0 12 8m 层面标高 7 76 9 58m 左右 含云母 颗粒组成成分 以长石 石英为主 局部夹薄层粘性土 土质不均 第 层灰色粉质粘土 Q36 呈软塑 可塑状态 层面埋深约 13 4 16 7m 层面标高 10 33 13 49m 左右 含云母 有机质 局 部夹多量粉性土 土质不均 第 1 层暗绿色粉质粘土 Q34 呈可塑 硬塑状态 层面埋深 约为 20 1 23 0m 层面标高 16 83 19 67m 左右 含氧化铁条纹及 铁锰质结核 土质较好 第 2 层草黄 灰色粉质粘土夹粘质粉土 Q34 呈可塑状态 层面埋深约 24 5 26 9m 层面标高 22 08 23 87m 左右 含云母 粉质粘土与粘质粉土呈互层状分布 约 31m 以下以粘性土为主 土质 尚可 第 层灰色粘质粉土夹粉质粘土 Q33 呈中密 密实状态 层 面埋深约为 29 8 35 1m 左右 层面标高 26 70 31 77m 左右 含 云母 夹多量薄层粘性土 土质不均 第 1 层灰色粉质粘土 Q32 呈可塑状态 层面埋深约 40 0 43 0m 层面标高 36 66 39 97m 左右 含云母 有机质 局 部夹多量薄层粉性土 粉砂 土质不均 厚度较厚 平均厚度约 20m 第 2 层暗绿色粉质粘土 Q32 呈可塑 硬塑状态 层面埋深 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 4 约 61 0 64 3m 层面标高 57 97 61 27m 左右 含氧化铁条纹及铁 锰质结核 土质较好 3 第四系中更新统 Q2 土层 第 1 层灰绿 灰色粉砂 Q23 呈密实状态 层面埋深约 63 6 66 0m 层面标高 60 56 63 0m 左右 层厚 11 0 13 6m 含 云母 颗粒组成成分以长石 石英为主 层顶夹少量薄层粘性土 下部 以细砂为主 第 2 层灰色含砾粉细砂 Q23 呈密实状态 层面埋深约 75 0 77 6m 层面标高 71 97 74 45m 左右 层厚 5 7 8 5m 含云 母 颗粒组成成分以长石 石英为主 6 号孔及 C18 号孔约 80 0m 左 右夹少量薄层粘性土 局部区域 80 0m 以下含较多砾砂和中粗砂 土质 不均 基坑底部大部分区域位于 8 1 8 2 粉质粘土层 3 2 水文地质概况 3 2 1地表水 苏州地处江南水网区 属长江流域太湖水系 区内地表水系极为发育 一般地表水历史最高水位 2 49m 最低水位 0 01m 常年平均水位 0 88m 近 3 5 年最高水位为 2 49m 拟建场地南侧为河道 距离本工程基坑边线 仅约 20m 左右 勘察期间测得河面水位标高为 1 22m 黄海高程 3 2 2潜水 拟建场地浅部地下水属潜水类型 受大气降水及地表迳流补给 勘察 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 5 期间所测得的潜水静止水位埋深一般在 0 60 3 10m 之间 其相应标高为 1 84 0 31m 根据苏州地区区域潜水稳定水位资料 苏州地区最高水位 为 1 33 2 63m 最低水位为 0 21 1 35m 变化幅度为 1 0 2 0m 近 3 5 年最高水位为 2 50m 潜水与地表水的水力联系 由于地下水与地表水间的相互补给 地 下水与地表水间一般存在一定的水力联系 当对潜水层降水时 巨大的 水头差会加速地表水对潜水的补给 但对深度基坑 其基坑围护的止水 效果一般较好 可基本隔断两者间的水力联系 3 2 3微承压水 拟建场地浅部第 1 层砂质粉土及第 2 层粉砂为微承压水含水层 属同一组含水层 动态变化同样受到大气降水 地形地貌 地表水体的 制约影响 表现为降水入渗型特征 根据苏州区域水文调查资料 该层微承压水历史最高水位为 1 74m 近 3 5 年最高水位为 1 60m 年变幅为 0 80m 左右 本次详勘 期间 在拟建场地布置了一个微承压水水位观测孔 勘察期间测得第 层微承压水头埋深约为 3 10 3 15m 相应标高 0 08 0 13m 微承压 水水质受人类活动影响甚微 仍主要反映原生态环境所特有的变化规律 3 2 4承压水 拟建场地内承压水对本工程有直接影响的为第 层中赋存的第一承 压水 本次在拟建场地设置一个承压水观测孔 以观测勘察期间第 层 中承压水水头埋深 测得第 层承压水水位埋深为 5 00 5 10m 相应 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 6 标高为 1 96 2 06m 3 2 5地下水 土对建筑材料腐蚀性 拟建场地周围无地下水污染源 同时本次详勘时在部分钻孔采取地 下水样进行水质分析 按国标 岩土工程勘察规范 GB50021 2001 及 2009 年局部修订版 中有关条文判定 拟建场地地下水对 类场地 环境下的混凝土有微腐蚀性 在长期浸水环境下 对钢筋混凝土结构中 的钢筋有微腐蚀性 在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋有微 腐蚀性 苏州地区地下水位较高 地基土呈饱和状态 根据工程经验 若地下水对混凝土有微腐蚀性 则地基土对混凝土亦有微腐蚀性 综上判定 拟建场地地下水和土对 类场地环境下的混凝土有微腐 蚀性 在长期浸水环境下 地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀 性 在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性 3 3 不良地质作用 根据本次详勘揭露 拟建场地在南侧分布一条东西走向的暗浜 局 部地表为水塘 浜底最大埋深约 4 2m 相应标高约 1 0m 暗浜分 布区域填土成分复杂 土质软弱 水塘底部为淤泥 本次现场勘探情 况反映 暗浜区域局部在地表下 1 4 4 0m 分布有大量大块混凝土块等 建筑垃圾 对本工程基坑围护设计及桩基施工均有一定的不利影响 设 计及施工时应引起注意 3 4 有关土质参数 根据勘察报告 各土层主要物理力学特性指标见表 3 1 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 7 表 3 1 各土层主要物理力学特性指标 渗透系数 重度 固结快剪 峰值 三轴不固结 不排水剪 UU 三轴固结不排水剪 CU 静止土侧压力系数侧向基床反力系数 室内试验推荐值 U U CU CU kh K 层 号 kN m3kPa kPa kPa kPa 0 MPacm scm scm s 4 1 18 7 21 5 14 0 55 3 1 0 17 2 18 7 2 2 29 9 0 50 201 0E 6 4 2 18 8 19 4 16 1 77 0 0 9 25 6 20 0 5 4 31 5 0 47 305 0E 5 5 1 18 7 0 0 29 9 0 38 405 0E 4 5 2 18 5 0 0 32 2 0 36 608 0E 4 6 18 5 15 8 19 2 53 1 2 3 17 9 19 5 1 5 31 2 0 50 153 0E 5 8 1 19 4 43 8 16 4 122 1 2 2 43 0 20 3 6 9 33 0 0 45 802 0E 6 8 2 18 8 21 8 19 2 97 9 0 0 24 3 20 7 0 5 31 0 0 46 604 0E 5 9 18 9 6 3 28 4 0 41 104 0E 4 10 1 18 9 21 7 19 5 75 2 2 0 23 4 22 6 6 8 32 6 0 50 302 0E 5 注注 重度为平均值 基床系数 渗透系数为建议值 直剪 固快 快剪 三轴 UU 三轴 CU 为标准值 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 8 4271号地块基坑围护方案与地铁车站结构 苏州工业园区 271 地块超高层项目为苏州标志性建筑 位于苏州工业 园区华池街东 翠园路南 星湖街西 旺敦路北侧 第一期工程由办公塔 楼及酒店式公寓组成 下部为统一的 5 层大地下室 塔楼办公建筑地上共 92 层 高 450 米 裙房酒店公寓楼地上共 24 层 高 80 米 基坑北侧紧邻翠园路 路宽约 30m 路面下为轨道交通 1 号线华池街 星湖街区间 该区段地铁主体采用现浇钢筋砼双层三跨箱形框架结构 271 号地块超高层项目的基坑呈 L 形 总面积约 1 85 万平方米 东西最长处约 173m 南北最宽处约 150m 基坑周长约 632m 基坑挖深 22 45m 中间核心筒挖深 26 15m 基坑的位置及范围见图 4 1 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 9 图 4 1 基坑的位置及范围 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 10 271 号地块超高层项目北侧紧临已建地铁 1 号线 南侧紧邻河道 东 西侧均为已建建筑 复杂的周边环境对该工程的基坑围护设计和施工提出 了很高的要求 根据基坑围护的设计方案 在借鉴类似工程经验的基础上综合考虑周 边环境 开挖深度 场地工程地质条件以及方便施工等因素 按照国家行 业标准 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 99 中规定 该基坑安全等级定 为一级 基坑北侧紧邻地铁线路 而地铁轨道结构对变位十分敏感 这对 基坑的围护提出了更严格的要求 4 1 围护方案 4 1 1围护方案 基坑采用 1 0m 1 2m 厚的地下连续墙进行围护 连续墙深 42 7m 由 四道水平支撑支撑 核心圆筒采用 650 1000 支护 详见 苏州市 271 地 块超高层项目基坑围护设计方案 基坑的平面 剖面布置见图 4 2 和图 4 3 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 11 图 4 2 基坑围护平面布置图 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 12 图 4 3 北侧围护结构与地铁主体构件的立剖图 4 1 2施工工序 先平整场地 施工硬地坪 再施工工程桩 立柱桩 止水帷幕 降水 井 围护墙 再开挖至支撑圈梁顶标高 开槽浇筑砼圈梁 基坑土体开挖按字母顺序 依次开挖土块及施工支撑 总体上先开挖 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 13 A B C 区 随后陆续开挖 D 区和 E 区 这样开挖纵剖面形成台阶状 即先开挖 A 区 B 区和 C 区至第一道撑底 施工 I 区第一道撑 待支撑砼 达到设计强度后再挖 A 区 B 区和 C 区至第二道撑底 开挖 D 区至第一道 撑底 施工各区支撑 支撑均为随挖随撑 基坑开挖分区编号见图 4 4 图 4 4 基坑开挖分区编号示意图 4 2 地铁车站结构 车站主体采用现浇钢筋砼双层三跨箱形框架结构 目前该车站已完成 主体结构及覆土 结构顶板覆土埋深约 3 0m 车站结构底板埋深约 16m 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 14 车站主体采用深 30m 厚 0 8m 地下连续墙围护 明挖顺作法施工 车站设计为全包防水 该区段的地铁车站剖面见图 4 5 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 15 图 4 5 基坑附近地铁站的主体结构断面 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 16 5271号地块基坑对轨道交通1号线影响评估 5 1 计算内容和工况 5 1 1计算工况 在基坑开挖 支护施工过程中 系统受重力场 土和地下水作用 地 面可变荷载 20kPa 地铁结构的中板上可变荷载 8kPa 5 1 2计算内容 1 计算基坑开挖 围护引起附近区段地铁主体结构的变位 2 计算基坑开挖 围护引起附近区段地铁主体结构的内力变化 5 2 地质断面选取 综合考虑计算范围内的地质资料后 选取的地层断面见图 5 1 根 据勘察报告提供的土工试验成果 基坑支护设计参数取值见表 5 1 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 17 图 5 1 地质层分布及主要物理参数 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 18 表 5 1 各土层物理力学特性统计表 渗透系数 重度 固结快 剪 峰值 三轴不固结不排水剪 UU 三轴固结不排水剪 CU 静止土侧压力系 数 侧向基床反力系 数 室内试验 推荐 值 U U C U C U kh K 层 号 kN m 3 kPa kPa kPa kPa 0 MPacm scm scm s 4 1 18 7 21 5 14 0 55 3 1 0 17 2 18 7 2 2 29 9 0 50 201 0E 6 4 2 18 8 19 4 16 1 77 0 0 9 25 6 20 0 5 4 31 5 0 47 305 0E 5 5 1 18 7 0 0 29 9 0 38 405 0E 4 5 2 18 5 0 0 32 2 0 36 608 0E 4 6 18 5 15 8 19 2 53 1 2 3 17 9 19 5 1 5 31 2 0 50 153 0E 5 8 1 19 4 43 8 16 4 122 1 2 2 43 0 20 3 6 9 33 0 0 45 802 0E 6 8 2 18 8 21 8 19 2 97 9 0 0 24 3 20 7 0 5 31 0 0 46 604 0E 5 9 18 9 6 3 28 4 0 41 104 0E 4 10 1 18 9 21 7 19 5 75 2 2 0 23 4 22 6 6 8 32 6 0 50 302 0E 5 注注 重度为平均值 基床系数 渗透系数为建议值 直剪 固快 快剪 三轴 UU 三轴 CU 为标准值 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 19 5 3 计算分析及主要步骤 基坑分区 分层开挖 支护 下一道水平支撑在上层开挖结束后进行 在水平支撑前 桩基支护已发生变位 在上一道钢筋混凝土水平支撑强度 达到设计要求后进行下一开挖工序 上 下层水平支撑结构与桩位移协同 共同承担土体侧向压力 因此 整个开挖过程是系统应力 应变连续 承 接的过程 地下水位的变动会起起地面沉降和建筑设施的变位 基坑及周围土体 变形模量较小 层厚深 容易引起变形 大大加大了变形控制难度 系统 作用主要包括车站建筑的地下孔隙水压力 围护体外侧的主动侧向土压力 围护体内侧的被动土压力 围护体的弹性抗力 支撑的水平力 立柱的竖 向摩擦力以及它们在变位过程中的动态分配 事实上 围护体 防渗帷幕 加固的被动土体 水平支撑和竖向支撑相互作用 相互影响 其应力 应 变是一个高次超静定的 系统的空间变化过程 围护系统和基坑周围土体形成了非常复杂的空间力学系统 围护效果 不仅与基坑本身的几何尺度有关 还与地下水位 地质层物理特性 支护 系统的刚度和强度有关 土本构的非线性和围护结构变位的非线性 使得 系统呈更复杂的非线性 设计和计算难度大 而对地铁站的变位变形控制 和内力增力控制是本基坑围护的关键 也是难点 现利用有限元数值理论和方法 结合计算技术和图形技术 建立地铁 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 20 轨道主体结构 地基 基坑 围护体 水平支撑和竖向支撑的有限元模型 计算基坑开挖 支护和回拆等对附近地铁站主体结构的内力和变位影响 基坑开挖 改变了原始土基的空间结构和应力状态 甚至地下水位置 变化 这种改变 会引起地铁站主体结构的内力变化和变位 围护结构通 过对基坑界面土体的约束来控制土体和地铁主体结构的变位 因此 要研 究地铁结构的变位 必须研究地基土体的应力状态的变化 土体 地铁主体结构 围护结构都受到重力场作用 由于重力场作用 土体处于自然固结状态 具有初始应力 在地质层一定的情况下 初始应 力的大小随埋深线性分布 比例常数为重力加速度 在地铁主体结构下的 土体受到结构底板的压力 具体附加应力 呈超固结状态 其应力状态不 再随埋深线性分布 应力由建筑结构面向地基非线性扩散 地下连续墙附 近的土体由于受到主 被动土压力作用 其应力状态也十分复杂 首先应计算地铁结构及周围土体进行初始应力 围护结构施工前 应 对地铁结构及周围土体进行应力初始化 这是地铁变位分析的前提 是成 功计算的关健 也是计算难点 然而 因为土体本身分层 物理特性在空 间上变化多样 受建筑物的影响 土体不连续 土体固结程度不一 应力 状态复杂 而且建筑物与土体的弹性模量有巨大差异 给消除建筑物 桩 与土体的相对沉降差带来了很大难度 所以 要精确求解地铁结构和周围 土体的初始应力是一项艰巨而复杂的工作 却又必不可少 根据基坑围护设计方案 地铁轨道主体结构 地基 基坑 围护体 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 21 水平支撑和竖向支撑形成一个连续承接 空间联动的力学系统 因此 数 值计算应能真实有效的反映这些特征 根据设计的围护方案和施工工序 拟计算的主要步骤如下 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 22 资料收集 分析模型规划及建立 3D 模型 重力场初始化 t 0 现况分析 连续墙 打桩 土体加固桩等后的平衡态 t 1 基坑第一序开挖 计算模型内力和变位 t 2 加载第一序支撑 进行第二序开挖 计算模型内力和变位 t 3 加载第二序支撑 进行第三序开挖 计算模型内力和变位 t 4 加载第三序支撑 进行第四序开挖 计算模型内力和变位 t 5 加载第四序支撑 进行第五序开挖 计算模型内力和变位 t 6 进行第六序开挖 计算模型内力和变位 t 7 灌注底板 核心圆筒开挖 计算模型内力和变位 t 8 回拆第四序支撑 计算模型内力和变位 t 9 回拆第三序支撑 计算模型内力和变位 t 10 回拆第二序支撑 计算模型内力和变位 t 11 回拆第一序支撑 计算模型内力和变位 t 12 成果分析与总结 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 23 5 4 计算模型及参数 5 4 1计算软件的选取 计算由著名的大型通用数值仿真平台 Adina 等完成 前 后处理由 HyperMesh 和自编程序辅助完成 ADINA 在计算岩土变形和稳定性方面具有很强优势 主要体现在岩土 材料模式丰富 提供多种地质断层 节理裂隙处理方法 具有锚杆 抗滑 桩等杆单元算法 多孔介质特性耦合各种非线性岩土模型进行渗流 固结 沉降 以及渗流 结构 温度场耦合分析 ADINA 的材料模型可模拟岩土材 料的非线性 岩土材料随时间变化的性能 考虑岩土中由于静水压力和结 构变形引起的孔隙水压力的变化 ADINA 提供多种岩土材料模型 包括 Drucker Prager 材料模型 Cam clay 材料模型 Mohr coulomb 材料模型 曲线描述的地质材料模型 Duncan Zhang 模型以及参数随时间变化的模型 Drucker Prager 材料模型是理想弹塑性材料模型 具有理想塑性 Drucker Prager 屈服性能和 Cap 硬化性能 Cam clay 材料模型主要用来模 拟黏土材料在正常固结和超固结情况下的应变硬化和软化 模拟静水压力 和弹性体积应变的非线性关系 模拟理想塑性材料的极限状态 Mohr coulomb 材料模型是理想弹塑性材料模型 另外 ADINA 提供一种曲线描述 的地质材料 这种材料模型允许用户自己定义模拟地质材料 包括岩土材 料 材料曲线用分段线性的方式给出了加载和卸载两种不同状态下的体 积模量 剪切模量与体积应变的关系 可以模拟材料的弹塑性流动 裂纹 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 24 等现象 除此之外 ADINA 还提供专业的岩土徐变材料模式 Lubby2 模式 用于土体多孔介质属性模拟的多孔介质材料 Porous 由于地质条件的复杂性 有限元分析时岩土中节理 裂隙 断层等结 构的处理在分析中极为重要 ADINA 中提供如非线性间隙单元 Nonlinear Gap Element 和由用户输入单元刚度 质量 阻尼 特性的通用单元 General 2D 3D Solid Element 以及不同的接触摩擦算法 各种变摩擦模型 对地质中的节理 裂隙 断层进行模拟 对于边坡稳定性分析中的抗滑桩 锚杆 土钉 钢筋混凝土结构中的 加强钢筋等结构模型 ADINA 专门提供了 Rebar 单元 Rebar 单元的优点 之一是不需要用户划分单元 而是由 AUI 前处理自动生成单元 同时使用 者可以方便指定不同的 Rebar Line 的截面特性 并定义其预应力特性以及 与应力损失 这对于模拟复杂的锚固系统 钢筋混凝土预应力系统是非常 重要的 在地下空间的施工过程中 岩土材料开挖过程和支护 锚固结构的施 加需要使用到单元的生死功能 Element Birth Death 为了与工程实际相 符 ADINA 的单元死亡功能 Death 对单元 材料 刚度的处理与其它 软件不同 其刚度的变化不是瞬间完成 而是在用户指定的一个时间段从 真实刚度降低到零 这是 ADINA 能够非常成功地模拟极为复杂施工工序 真正原因 同时 ADINA 提供各种方法 让用户方便处理如初始地应力等 具体问题 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 25 岩土地质中常常采用到各种基于应力波传播的地质探测的技术 ADINA 提供两种时间积分格式求解瞬态的应力波传播问题 即经典的隐式 时间积分 Newmark 方法和 Wilson 方法 和显式时间积分 Central Difference 方法 在应力波传播问题中 一般要选择 ADINA 提供的显式 时间积分方法 由于其积分步长小 对此类问题分析具有更高的精度和效 率 ADINA 在岩土工程中主要有如下应用 深大基坑开挖问题 各种隧道 洞 开挖施工问题 新奥法开发过程模拟 各种地下空间结构动力抗震分析 各种土体固结问题 边坡及锚固问题 岩土中的地应力波传播问题 冻土施工 渗流 结构 温度场耦合分析问题 5 4 2本构关系及参数 工程涉及的建材有钢 钢筋混凝土及基础各土层 5 4 2 1 土层本构关系及参数 地基各土层采用Mohr Coulomb模型 各土层参数根据本工程的地质 勘察报告中的土工试验取值 其中 C 值取固结快剪试验指标 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 26 地质土层的主要物理参数见表 5 2 表 5 2 各土层主要物理特性表 固结快剪 序号土层层号容重 kN m3 C kPa o E100 200 MPa 11 118 715105 5 24 118 721 5145 54 34 218 819 416 15 92 45 118 7029 911 51 55 218 5032 212 22 6618 515 819 24 98 78 119 443 816 47 53 88 218 821 819 26 85 9918 96 328 48 48 1010 118 921 719 56 17 注注 重度为平均值 固结快剪为标准值 5 4 2 2 钢和混凝土本构关系及参数 钢和混凝土本构关系采用整体式的理想弹性模型 表达式 E 有关钢和混凝土物理参数参照规范取值 见表 5 3 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 27 表 5 3 混凝土和钢筋的主要物理特性 材料弹性模量 E GPa 泊松比 密度 kg m3 C2025 50 1692400 C2528 00 1692400 C3030 00 1692400 C3531 50 1692400 钢 2000 37830 钢筋混凝土的含筋量按照实际配筋情况计算后确定 5 5 有限元模型及边界条件 基坑平面布置和围护的水平支撑布置不对称 是非对称的三维空间力 系 这种空间分布使得结构并不满足平面应变假设 立柱会约束基坑土体 变位 而立柱的非对称的离散布置使得基坑底部土体应力应变状态呈空间 状态 为了体现这些空间特征 确保计算精度 应采用三维计算模型 显然 这相对平面问题 难度和工作量会成倍增加 建模时 需要选取适当的计算范围 以保证计算的精度的同时 又要 兼顾计算的经济性 根据车站结构及基坑围护结构的布置特点 选取相对 独立的 边界明确的结构段进行分析 基坑围护结构整体呈 L 形 计 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 28 算模型在基坑侧的边界基本上与基坑中心线重合 也呈 L 形 模型沿 地铁轨道轴线方向长 251m 宽 145m 模型顶面为道路 相对高程为 0 0m 底高程为 50m 建模范围及工程平面区位见图 5 2 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 29 图 5 2 模型边界示意图 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 30 按设计图 1 1 进行几何 模型建模 反应结构几何特征 网格疏密基 本体现结构应力变化梯度 对土体 包括加固区土体 地下连续墙 基 坑连续墙围护体采用 5 面体或 6 面体三维网格 地铁主体结构采用二维网 络 支撑梁和主柱采用一维网格 混凝土结构网络边长在 0 3 1 5m 土体 结构在 0 5 3 0m 模型有 37 万个节点 36 万个单元 建模由 Hypermesh 完成 对土体 水泥加固土体 混凝土连续墙采用常应力体单元 地铁主体 结构采用壳单位 支撑及立柱采用梁单元 各结构的连接和作用反应设计 要求 模型边界 四周和底面 法向约束 水平支撑结构的截断处设切向位 移和转动约束 支撑回拆时 用水平位移约束替代已建的地下建筑楼面处 的换撑 建立的 地铁 基坑 围护 计算模型如下图 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 31 图 5 3 地铁站 基坑 围护 3D 几何模型视图 1 图 5 4 地铁站 基坑 围护 3D 几何模型视图 2 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 32 图 5 5 地铁站 基坑分区开挖 分段围护 3D 网格模型 开挖前 t 1 图 5 6 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 网格模型 开挖前 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 33 图 5 7 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 完成水泥土加固和立柱灌注 t 1 图 5 8 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 t 2 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 34 图 5 9 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 t 3 图 5 10 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 t 4 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 35 图 5 11 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 t 5 图 5 12 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 t 6 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 36 图 5 13 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 t 7 图 5 14 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 回拆 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 37 图 5 15 地铁 基坑分区开挖 分段围护 3D 模型 回拆 t 12 5 6 计算成果及分析 由计算成果可以看到 基坑开挖 围护等过程中 基坑周边及底部土 体地应力释放 地应力重新分布 同时基坑底部土层上隆 支护受到水平 挤压力 地铁主体建筑结构的位移和内力发生了变化 变位和内力变化详 见下表 表 5 4 地铁站主体结构变位成果 序号部位 变位量 mm 极值的位置 最大允许值 mm 是否满 足要求 1 最大水平方向 5 2 顶板 远离基坑 10 是 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 38 2 Y 向 3 1 底板 相向基坑 10 是 32 8 远基坑侧墙 向上 10 是 4 最大竖向方向 Z 向 1 0 近基坑侧墙 向下 10 是 表 5 5 基坑围护连续墙的变位成果 序号部 位 变位量 mm 位 置 13 东侧连续墙底部 1 最大水平方向 X 向 18 西侧连续墙底部 7 北侧连续墙顶部 2 最大水平方向 Y 向 18 北侧连续墙底部 基坑内土体隆起发生在基坑开挖的整个过程中 开挖结束时 地面最 大沉降为 8 3mm 位于基坑东边界中点的外侧 基坑内土体隆起的最大高度 为 55mm 发生在基坑核心筒中央 由于设计的基坑底为平面 所隆起的 这部分土体在开挖时会被挖掉 表 5 6 基坑开挖 支护前 后地铁主体结构的弯矩 单位 kN m 序号部 位 开挖 支护前 T 0 开挖 支护后 T 8 增量 1 底 板 60765851 2 侧墙 远基坑 60765649 3 侧墙 近基坑 60665549 4 顶 板 68372340 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 39 表 5 7 基坑开挖 支护前后地铁主体结构的剪力 单位 kN 序号部 位 开挖 支护前 T 0 开挖 支护后 T 8 增量 1 底 板 49853739 2 侧墙 远基坑 12113110 3 侧墙 近基坑 12113110 4 顶 板 40143534 表 5 8 基坑开挖 支护前后地铁主体结构的轴力 单位 kN 序号部 位 开挖 支护前 T 0 开挖 支护后 T 8 增量 1 底 板 38042949 2 侧墙 远基坑 49952021 3 侧墙 近基坑 49953233 4 顶 板 21124433 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 40 图 5 16 整体水平变位云图 X 向 t 8 图 5 17 整体水平变位云图 Y 向 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 41 图 5 18 整体水平变位云图 2 Y 向 t 8 图 5 19 整体水平变位云图 3 Y 向 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 42 图 5 20 整体坚向变位云图 Z 向 t 8 图 5 21 基坑围护连续墙水平变位云图 X 向 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 43 图 5 22 基坑围护连续墙水平变位云图 Y 向 t 8 图 5 23 基坑支撑水平变位云图 X 向 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 44 图 5 24 基坑支撑水平变位云图 Y 向 t 8 图 5 25 核心筒支护桩水平变位云图 X 向 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 45 图 5 26 核心筒支护桩水平变位云图 Y 向 t 8 图 5 27 地铁站主体结构水平变位云图 Y 向 t 8 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 46 图 5 28 地铁站主体结构竖向变位云图 Z 向 t 8 图 5 29 整体水平变位云图 X 向 t 12 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 47 图 5 30 整体水平变位云图 Y 向 t 12 图 5 31 地铁站主体结构水平变位云图 Y 向 t 12 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 48 图 5 32 地铁站主体结构竖向变位云图 Z 向 t 12 5 7 结论 本报告就基坑围护的设计方案 建立了 地铁 基坑 围护 3D 模型 充分考虑 了土与围护 土与地铁主体结构的空间作用 计算了基坑分区 分层开挖 分序支 护引起的地面沉降及轨道的变位和内力 从报告的计算成果看 基坑施工过程中 引起轨道交通 1 号线主体结构最大竖 向位移为 2 8mm 最大水平位移量为 5 2mm 均小于控制值 10mm 地铁主体结构 的内力的控制性参数均在结构强度安全承载范围之内 地面最大沉降量为 8 3mm 位于基坑东边界中点的外侧 也不大于按 0 20 H 一级 计算的阀值为 45mm 所以 本基坑设计方案可以满足设计的控制要求 上述计算分析结果表明 在正常施工条件下 按设计工况 基坑自身变形可以 满足一级基坑的变形控制等级要求 同时基坑开挖导致的地铁站主体结构的变形和 内力增加均在结构安全和正常使用要求的范围内 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 49 6基坑施工风险及对工程的施工要求 6 1 对影响风险因素的分析识别 6 1 1基坑施工对地铁结构安全的影响 基坑施工对地铁结构安全的影响主要表现在以下两个方面 1 基坑施工对地铁结构的运营功能的影响 基坑施工导致地铁车站变形较大 超出运营限界要求 导致轨道与道床的脱开 地铁次生变形超过轨道扣件的调整量及接触网的可调整量等危及地铁列车运行安全 2 基坑施工对地铁结构安全的影响 基坑施工导致地铁结构变形过大 造成的地铁结构变形缝 诱导缝止水带损坏 导致渗漏 影响车站使用 同时地铁车站变形引起的次生内力增量导致的车站结构 裂缝产生 同样会造成车站渗漏 影响车站使用 造成地铁结构使用寿命的降低 影响车站使用的耐久性 6 1 2基坑施工对地铁结构安全影响的危险因素分析 1 围护结构的施工质量风险 钢筋混凝土支护桩桩体强度严重不足 缩颈 甚至断桩 造成支护桩大变形 酿成基坑事故 钢筋混凝土支护桩纵向钢筋布错 导致抗弯强度不足 施工时候钢 筋数量偷工减料 造成强度降低 引起支护桩体折断 钻孔灌注桩施工过程中桩位 与垂直度不符合设计要求 桩与桩之间的间距过大 导致止水帷幕开裂在基坑开挖 过程中涌水 涌砂 钢筋笼起吊过程中的安全风险等等 2 支撑体系施工质量风险 支撑锚固体系的施工失误也会引起工程事故 如井字形支撑长度长 且其交叉 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 50 点的连接强度不足 造成支撑平面失稳或扭曲 支撑体系中中间立柱由于轴心偏差 过大 造成偏心受压 导致中间柱失稳最终使整体支撑体系失稳破坏 各支撑杆件 位置精度差 受力后杆件弯曲 附加弯矩超过设计值 造成险情 采用钢支撑时 由于部分采用旧钢管 再生钢管以及薄壁钢管 使得局部变形大 造成整体失稳 钢支撑未按要求施加预应力 或预应力偏小 造成支护桩变形过大 钢管支撑中细 部焊缝质量差而造成连接失稳 在钢筋混凝土支撑中 因混凝土施工质量差而造成 杆件被压坏 存在围檩压坏 扭曲 断裂风险 存在立柱及其支撑连接处破坏的风 险等等 3 地下水处理体系施工质量风险 地下水处理体系施工中施工质量差 止水帷幕失效而造成相邻建筑物开裂 倾 斜 相邻道路开裂 塌陷 基坑水满为患 坑壁坍塌 4 土石方施工风险 1 基坑超挖是施工单位常见的通病 主要由于施工单位追赶进度 或麻痹大 意造成的基坑超挖 开挖中支撑结构的安装未遵守先撑后挖的原则 而是先挖后撑 或为了施工方便 挖土至一定深度未及时加撑 导致支护结构产生大变形 甚至局 部塌方或整体失稳 另外 软土地层中 基坑开挖时纵向土坡失稳是一种发生较多 且极易造成人身伤害的风险 基坑没有分区 分层开挖 开挖高差太大改变原有土 体的平衡状态 土的抗剪强度降低 产生较大的水平位移 造成基坑滑坡 另外 在支撑体系的拆除过程中应注意采取换撑措施 如设挡木 临时支撑等 若支撑拆 除后土压力没有换撑分组 会导致支护桩发生较大变形 甚至失稳破坏 2 深基坑施工中必须考虑时空效应 在施工中要做到在软土基坑的开挖中 适当减少每步开挖土方的空问尺寸 并减少每步开挖后无支撑的基坑挡墙暴露时间 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 51 基坑开挖完后 坑底暴露时间过长也会导致事故 因为 基坑开挖后 地基卸载 土体自重应力减小 土体的弹性效应将使坑底产生一定的回弹变形 隆起 如果坑 底暴露时间过长 加之基坑积水 使得粘性土吸水膨胀 回弹变形更大 可能会引 起支撑体系的失稳 如基坑暴露时间过长 未进行垫层的施工 将导致设计中以混 凝土垫层为一道支撑的设计方案未及时实施 支撑结构产生过大的变形 发生基坑 事故 5 施工管理以及安全意识风险 1 施工中随意更改设计方案 盲目施工 如施工中随意更改支护桩的长度 减小支护桩的嵌入深度 对事故桩不做处理 导致工程事故 支撑施工中 随意更 改支撑间距 支撑材料 减小断面尺寸 导致支撑失稳变形和支撑体系整体失稳 还有工程施工中随意更改止水帷幕的设计 造成支护结构的渗漏 水土流失 建筑 物倾斜和地面沉陷开裂 2 施工管理混乱 安全意识淡薄 如施工期间在基坑边缘附近搭设办公室 仓库 材料库 维修间甚至民工宿舍等工棚 对基坑支护结构产生很大的附加压力 使其发生较大变形 容易出现滑坡或倒塌 施工单位一面从基坑排水 一面又将生 活用水及大量的施工废水无意识地倾倒在基坑边缘 造成支护结构主动土压力大幅 度增加 引起支护结构大变形 施工单位为了方便出土 随意修改设计或破坏支护 结构 在基坑边开口或接斜坡的车道 使已封闭的支护结构遭到破坏 当遇暴雨时 大量地表水和地下水夹带泥砂通过豁口流入基坑 促使基坑壁出现位移和下滑的险 情 相邻基坑施工 一方基坑开挖 另一方基坑打桩 打桩产生的超孔隙水压力 造成严重的挤土作用 使相邻基坑的支护桩和工程桩严重位移 同一个基坑工程 但基坑开挖 支护桩施工 支撑施工各为一施工队 相互配合不好 导致严重超挖 271 地块基坑工程对苏州轨道交通 1 号线工程影响技术评估报告 52 锚撑跟不上 使支护结构大变形 甚至破坏 基坑滑移 3 深基坑工程施工中各工种 工序之间协调和保护不周 基坑开挖施工时 挖土机往往停在支护结构附近 反铲运土 堆土或在基坑浇注混凝土时 混凝土搅 拌车与泵车离支护结构太近 或在边坡顶堆放材料过多 均会使支护结构承受较大 的动静荷载 当超出设计安全储备时便发生过大变形 土方开挖过程中 挖土机械 随意碰撞支撑系统 锚固系统及支护结构 造成支锚体系和支护结构之间的连接处 破坏 产生事故隐患 基坑开挖到设计标高后 清底措施不力 发生事故 施工期 间 对附近水管保护不力 使得水管渗漏 冲走桩间土 并使基坑周围土体大量进 水 支护结构荷载大增 造成支护结构变形 发生深基坑事故 6 周围环境风险 周边同期基坑施工失稳而导致的本基坑连锁反应风险 由于地下管线损坏 变 形 开裂 导致的基坑风险 如由于乱挖乱填 乱堆乱弃 导致管线破损 造成异 常涌水 易引起