基坑开挖对邻近既有隧道的影响分析

基坑开挖对邻近既有隧道的影响分析

姓名：王路申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：项彦勇

20090601

北京交通大学硕士学位论文中文摘要中文摘要摘要：同世界上许多国家一样，伴随着我国城市化进程的推进和不断加快，土地资源紧张的矛盾也日益突出。为有效地利用土地，加快城市地下空间开发和高层建筑发展，在建设过程中，产生了大量深基坑工程，其规模和深度不断增加。城市中基坑开挖的工程环境非常复杂，往往紧邻一些已建建筑物或地下隧道地铁，已建的地铁隧道与基坑相互影响，相互作用。这种环境中的基坑工程，如果应用现有基坑工程的设计理论和常规施工技术已经难以满足保护基坑周围环境的要求。虽然近年来许多学者和工程技术人员已经在基坑工程对周围环境的影响上作了很多研究，但在基坑周围有相邻建（构）筑物时基坑支护结构变形、周围地层位移变化规律和基坑开挖对邻近地铁隧道变形的影响方面研究很少，存在很多需要解决的问题。本文的研究内容：采用理论计算分析及数值模拟计算方法，结合某实际基坑工程，按平面应变问题考虑，取单位厚度的横截面，画出简化理论方法的概念模型，参考挡土墙土压力理论和基坑地下连续墙的设计计算理论，提出简化理论方法，预测由于基坑围护结构变形而引起的隧道结构附加荷载和变形。并选择岩土数值分析软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，建立平面应变模型，模拟基坑开挖和围护结构施工的实际过程，计算分析基坑施工引起的隧道结构的附加荷载、受力和变形：并将二维数值模拟的计算结果与简化理论计算的计算结果相比较。本文的研究结论：通过对理论计算结果与数值模拟计算结果的对比分析，得出对比结果在趋势上是一致的，但由于理论计算分析的诸多假定和理想构思以及数值模拟计算中的各种简化，使两者得到的具体数值之间产生很小的差异。结论同时验证了理论计算方法的可行性。关键词：基坑；邻近隧道；数值模拟；位移对比分析；分类号：北京交通大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡＢＳＴＲＡＣＴＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎｕｎｃｅａｓｉｎｇｌｙａｎｄｒａｐｉｄｌｙ，ｂｅｒａｒｅｔｈｅｓａｍｅｗｉｔｈｍａｎｙｃｏｕｎｔｒｉｅｓｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｔｈｅｃｏｎｆｌｉｃｔｏｆｔｈｅｓｔａｎｄｉｎｇｏｕｔｄａｙｂｙｄａｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｔｉｌｉｚｅｔｈｅｌａｎｄｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｐａｃｅｏｆｌａｎｄｓｏｕｒｃｅｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｕｒｂａｎａｎｄａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ—ｒｉｓｅｉｎｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｈａｖｅａｐｐｅａｒｅｄ．Ｉｔｓｓｃａｌｅｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｄｅｐｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｉｓｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ．ｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｕｒｂａｎｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｒｅｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｅｙｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｔｏｃｏｍｐｌｅｘ．Ｕｒｂａｎｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｒｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｌｏｓｅｓｏｍｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｄｊａｃｅｎｔｅｘｉｓｔｉｎｇｅａｃｈｏｔｈｅｒａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔ．Ｉｎｓｕｃｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅａｌｌｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｒｏｕｔｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅｉｓｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓｈａｖｅａｌｒｅａｄｙｏｒｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｂｏｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎａｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｍａｎｙｓｃｈｏｌａｒｓ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｓａｄｊａｃｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｏｂｅｗｏｒｋｅｄｌｏｔｉｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｕｓｅｄｂｙｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｒｅｍａｉｎｓｓｏｌｖｅｄｉｎｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｍｏｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｅｏｆｔｈｅｒｅｔａｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｓｏｉｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｉｓｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌ．ａａｒｏｕｎｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｄｊａｃｅｎｔＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｐｒａｃｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｗｉｌｌｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｂｙｔｈｅｐｌａｎｅｓｔｒａｉｎ，ｔｈｅｎｃｈｅｃｋｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌｕｎｉｔｓ，ｄｒａｗｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｙｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｍｏｄｅｌｔｈｅｏｒｙ，ｒｅｆｅｒｅａｒｔｈｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｗａｌｌｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｓａｎｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｉｌｅｒｅｔａｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｓａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ，ｂｒｉｎｇｆｏｒｗａｒｄｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ，Ｆｏｒｅｃａｓｔｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｏａｄａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＡｎｄｓｅｌｅｃｔｓｔｒａｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＭＩＤＡＳ｜ＧＴＳ。ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｐｌａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｏｄｅｌ．ＡｎｄＳｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎａｎｄｒｅｔａｉｎｉｎｇＣａｌｃｕｌａｔｅａｎｄｌｏａｄ，ｓｔｒｅｓｓｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｂｙｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｏｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ：．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｅｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｔｒｅｎｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ，Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍａｎｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｔｈｅａｓｓｕｍｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｄｅａｓａｎｄｉｄｅａｌｓａｓｗｅｌｌａｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｒｎｕｌａｔｉｏｎｏｆａｖａｒｉｅｔｙｏｆ北京交通大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ，ｍａｋｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｌｉｔｔｌｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏ，ａｎｄｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆａｃａｌｃｕｌ撕ｏｎｍｅｔｈｏｄ．ｔｕｎｎｅｌ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＫＥＹ＇ＷＯＲＤＳ：Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；Ａｄｊａｃｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ＣＬＡＳＳＮ０：Ｖ北京交通大学硕士学位论文独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：工珐签字日期：砂ｐ７年厂月／矿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：上路一名：取亳跫签字日期：阳旧务‘月ｆ彳日签字日期：砂一７年厂月／∥日致谢本论文的工作是在我的导师项彦勇教授的悉心指导下完成的，一言一字都凝聚着导师的心血。老师渊博的学术知识、敏锐的思维、严谨的治学态度及宽厚的学者风范给了我极大的影响和帮助。与项老师在一起，总能从他那学识渊博的言谈中得知许多新思想、新见解，导师敏锐的洞察力和清晰透彻的问题思考方式也给了我很多启迪。同时，项老师淡泊名利、宁静致远的做人之道更是学生一生受用不尽的财富！在此，衷心感谢两年来项老师对我的关心和指导，并祝愿老师身体健康，工作顺利。感谢各位老师，是诸位老师从学科的理论知识、科研的方法、学科的发展方向等多个方面给了我以深深的教诲。特别在此向您们表示真诚的感谢！感谢各位同门师兄，感谢岩土０７０２班的全体同学，感谢在实验室一起学习工作过的朋友，十分有幸和你们度过了一段快乐和美好的时光。还要感谢我的父母和家人，感谢你们这么多年来对我的理解和支持，给予我的孜孜教诲和关爱，使我能够在学校专心完成我的学业！没有你们就没有我的一切，祝愿你们身体健康，一切顺利。最后，特别感谢感谢百忙之中审阅和指导本论文的专家、教授！北京交通大学硕士学位论文绪论１绪论１．１课题的提出随着城市化进程的加快，人类正以前所未有的速度消耗着城市建设用地，土地的需求与供应的矛盾正显得日益突出。在科学发展观的指引下，实现人与自然的和谐发展是当今世界的主题。人类不能纵容城市发展的速度肆无忌惮，纵然这是经济发展的必需，纵然这是人类进步的标志。但是，人类依旧可以采取相应的手段来达到双赢的目的，即达到既不使社会进步的步伐受到束缚，又不使过度的城市化缩减人类赖以生存土地的目的。于是，人类便不得不思考这样一个问题，为什么不可以将城市化的方向由二维转为三维，紧接着便有了开挖地下空间实现城市三维化发展的目标。据预测到２１世纪末，将有１／３的世界人口工作、生活在地下空间中【¨。且国内外实践已经证明，对于上海、北京这样人口密集，土地资源相对紧张的特大型城市来说，在地上空间日趋饱和的情况下，合理而有序地开发城市地下空间，走内涵式的城市发展之路，是解决城市建设用地供需矛盾和走可持续发展道路的有效途径之一。城市地下空间的开发利用，己成为世界性发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的重要标志。向地下要空间己成为城市发展的历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地资源，缓解中心城市密度、人车立体分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径。以往城市地下工程的设计、施工多从结构本身强度、稳定性等方面考虑，但随着工程邻近建筑物越来越多，越来越密集，而地下工程本身也在向深大方向发展，所以周围环境对地下工程施工的要求越来越高。现在，一批批各类用途的地下空间已在世界各大城市中得到开发利用，例如城市地铁、地下车库、高层建筑多层地下室、地下商场、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等，由此而产生了大量的基坑工程。而这些基坑工程中大多数地理位置比较特殊，建（构）筑物密集，对变形的反映比较敏感。同时，基坑开挖又往往处于商业繁华区，房屋和生命线工程的密集区。基坑开挖不仅涉及到基坑本身的安全，同时地下工程使用功能对基坑的具体要求（如地铁正常运行对其变形的要求），基坑周围已建建筑物、城市道路和地下管线的安全及正常运转也是必须考虑的因素。侯学渊，刘国彬，黄院雄【２】在“城市基坑工程发展的几点看法“文章中指出：基坑工程周边的建筑物或地下管线或隧道的抵北京交通大学硕士学位论文绪论抗变形及不均匀变形的能力是有一定限度的。如当基坑紧邻地铁隧道（地铁隧道要求绝对变形不能超过２０ｍｍ，曲率必须小于１／１５０００）时，单纯保证基坑稳定远不能满足如此严格的隧道变形要求。于是，严格控制基坑开挖引起的周边地面沉降与横向位移就成了首要的任务【３】。由此可见，在基坑设计和施工过程中，如何有效地分析建筑基础施工过程中基坑围护结构变形与邻近地层变形及地铁隧道变形的相互关系，减小土体位移对邻近地铁的变形影响已经成为岩土工作者所共同关心的一个课题。１．２课题的研究意义基坑开挖是基础和地下工程施工中的一个古老的传统课题。同时，又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全和稳定，而且要有效控制基坑周围地层移动以保护周围环境及周围已有的建筑物。随着城市化进程的加快以及城市发展的日趋三维化，基坑工程呈现规模大、开挖深、立体化程度高、考虑因素日趋复杂等特点，这在一定程度上增加了基坑工程的难度和风险。再者，城市基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区，基坑开挖引起的地层移动对邻近建筑物和构筑物的附加荷载、位移过大会导致建筑物和构筑物的破坏。尤其是城市地下交通路线的发展使得基坑开挖对已建地铁的影响问题成为一个越来越普遍的问题。１．３国内外研究现状１．３．１基坑开挖的国内外研究现状基坑开挖引起邻近隧道的变形，归根结底还是由于深基坑开挖引起周围土体产生变形移动，在这方面：孙钧教授利用“时空效应＂方法对基坑问题做分析探讨，并对土层沉降、变形进行理论预测Ｈ］。张鸿儒、候学渊、夏明耀（１９９６）ｂ１在“深开挖对周围工程设施的影响预测’’一文中用有限元方法预测由于深开挖引起周围的地层位移对地下工程设施的影响问题，按正态分布密度函数得到了深基坑开挖引起的沉降值公式，并同时推导出２北京交通大学硕士学位论文绪论沉降的相关参数的公式，分析了地层水平位移和地层沉降的分布特性，表明有限元方法可以方便地用于预测深基坑开挖的影响范围，根据算例表明地下管线等地下工程设施，由于开挖产生的地层水平位移的影响往往会大于地层沉降，因而是不可忽略的，同时，位移的方向对这些设施的影响是不重要的，因此需要考虑地层的绝对位移的影响。唐孟雄、赵锡宏（１９９６）［６３等在“深基坑地表沉降及变形分析’’一文中计算出深基坑开挖引起的地表沉降的公式。基坑开挖引起的地表沉降通常在距基坑距离Ｌ处达到最大下沉值Ｓｔ，地表沉降范围ＡＢ可用下式表示：ＡＢ＝Ｌ＝Ｈ．ｔａｎ（４５－（，ｏ／２）以最大沉降点为坐标原点，任意点沉降表示为：５（力＝ｓ，ｅｘｐ（一万（二）２）（１—１）（１—２）ｒ下沉区域的半径，ｍｒ＝刀（￡一Ｄ（１—－３），７一主要影响半径系数；，一最大沉降点与挡土墙定点距离。张尚根、陈志龙、曹继勇提出了按正态分布密度函数计算软土地区深基坑开挖中，由支护结构变位引起周围地表沉降值的公式。同时给出了保护周围环境，减少地表沉降的具体措施＂１俞建霖、赵荣欣、龚晓南（１９９８年）阻１在“软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究”一文中用有限元法对软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最大沉降量的几个因素进行了系统的分析，并分析了基坑被动加固区的深度和宽度变化对基坑变形的影响。基坑工程中的变形研究内容一般由三个部分组成：围护结构位移、基坑内基底隆起和坑外地表沉陷。简艳春（２００１年）四１在其河海大学硕士学位论文中对软土基坑变形估算及其影响因素进行研究。作者应用有限元分析了一系列软土基坑工程典型实例，根据计算结果和实测值提出了软土基坑墙后地表沉降的概化分布曲线。按照地层损失法思路，推导了由支护墙侧向变形值求解墙后地表沉降的适用公式。徐方京等（１９９２）Ｈ们分析了影响基坑变形的因素及坑外地层移动影响的范围并针对图１－－１的沉降分布形式给出了地下连续墙后土体沉降及墙体侧移的估算公式。地表沉降可表示为Ｒａｌｅｉｇｈ分布函数：３北京交通大学硕士学位论文绪论图ｌ—ｌ墙后土体沉降及墙体侧移图ｓ（曲：—（Ｋ—．ｘ—．ｅ—ｘｐ＿（－－ｘ—Ｚ／一２Ｓ２））工‘（１—－４）式中：ｆ为极大值位置；Ｋ为分布开挖引起的坑外地层损失；ｘ为距坑边的位置坐标：屹正比于鼬，反比于ｅ．２ｈ／Ｈ，２ｈ／Ｈ与２ｉ／Ｈ之间的关系有一统计曲线。俞建霖、龚晓楠（１９９９年）Ⅲ１在“深基坑工程的空间性状分析＂一文中用三维空间有限单元法研究了基坑开挖过程中围护结构变形、土压力的空间分布及基坑的几何尺寸效应，并与按二维平面问题分析的结果进行了比较，验证了对基坑工程进行三维分析的必要性以及计算模式的合理性。基坑工程中的变形问题一直是人们研究的重点，早在１９６９年Ｐｅｃｋ．Ｒ．Ｂ教授ｍ１对此问题作了详细的研究，并在实践的基础上提出了沉降影响曲线图ｌ－２，至今仍被广泛引用。距基坑的距距离基坑最大深度１．Ｏ２．０●—－一Ｓ蹬０越Ｏ．５邀蚂Ｉ，／‘Ⅱ＼／‘ｊ．／‘菩１．０翥１．５２．０／’／／‘．／‘３．Ｏ■●＿一４．Ｏ／’ｌⅢ．／‘图ｌ＿２Ｐｅｅｋ沉降曲线示意图注：Ｉ区一砂土或硬粘土，一般的施工工艺和施工质量：４北京交通大学硕士学位论文绪论ｌＩ区１ａ）软至非常软的粘土１、开挖面以下存在有限厚度的粘土２、开挖面以下粘土层较厚，但Ｎｂ＜Ⅳ击。（ｂ）Ｆｈ于施工困难而造成施工质量较差ⅡＩ区——开挖面以下有相当厚的软粘土层，但Ｍ≥Ⅳ小式中：Ｍ＝ｒｈＳ曲Ⅳ西２５．１４ｒ为土的重度，ｈ为开挖深度，Ｓ。。为土的不排水抗剪强度。从有关文献中，作者总结出基坑工程位移计算方法可分为两类：竖向弹性地基梁法和有限元方法（平面有限元，三维有限元）。如前所述，基坑工程中的位移包括三个部分：围护结构的位移、基坑外地表沉陷和基坑底部隆起。严格的讲，围护结构位移由两部分组成：竖向位移和水平位移（刘建航、侯学渊１９９７）。然而，目前大多数文献较多的关心水平位移，忽视竖向位移的存在，围护结构的上升移动会给基坑的稳定、地表沉降以及围护结构自身的稳定性均带来极大的危害。由于竖向弹性地基梁法不能分析竖位移，只能借助于有限元法。１．３．２基坑开挖对周围建筑结构物变形的研究现状１９８９年Ｂｏｓｃａｒｄｉｎ，Ｍ．Ｄ．，Ｃｏｒｄｉｎｇ，Ｅ．Ｊ．¨＂研究了建筑对深基坑开挖引起的沉降的反应。２００２年ＢｒｙｓｏｎＬｉｎｄｓｅｙＳｅｂａｓｔｉａｎ¨４１通过对芝加哥国家地铁工程在ＦｒａｎｃｅｓａｖｉｃｒＷａｒｄｅＳｃｈｏｏｌ段，引起的校舍开裂及支护结构的变形，研究了在软土地区中，应用刚性支护进行深基坑开挖，对紧邻建筑物的影响，指出建筑物自重预沉降是支护结构开裂的函数。陈华根、董荣慈ｎ５１在长春科技大学学报上发表了《基坑施工时地面沉降的分析与估算》，作者对基坑周边地面沉降监测作了总体性分析。提出用三次样条曲线拟合法获得地面沉降函数，然后比较函数的相似性，建立地面沉降网络，由此可求得地面各点的沉降值，从而克服测点的局限性，达到对基坑周边地面沉降进行全面分析的目的。１．３．３基坑开挖对地埋管线影响的研究现状基坑开挖对地下管线的影响研究是一个非常重要的课题。在实际工程中造成５北京交通大学硕士学位论文绪论的此类工程事故时有发生，己经引起了科研、设计和施工人员的高度重视，对此问题的成功预测显然是及其重要的。然而对此问题的研究还是比较少的，也不很深入，且大都停留在定性研究的基础上。唐孟雄、赵锡宏（１９９６）¨们提出，可首先用回归分析方法求得深基坑围护结构侧向位移函数，并导出围护结构任意剖面位移计算公式，通过地面沉降与围护结构侧移之间的关系，可求出地表任意点沉降公式，并推导出地表任意方向的倾斜、曲率变形及曲率半径，最后从管道受力分析，求出允许曲率半径，两者进行比较，估计管道在基坑开挖过程中是否遭受破坏。李佳川、夏明耀（１９９５）［１７１采用空间八节点非协调等参单元方法，研究了地下连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿基坑纵向的分布规律：并引进了沉降传递系数的概念，沉降传递系数Ｚ等于地表下任一深度处的沉降值鼢除以同一垂直线上的地表沉降值墨，即Ｚ＝Ｓｈ／４据此根据地表沉降估算地下管线的变形。并得出以下结论：（１）地下连续墙背后约一倍左右开挖深度范围内的地下管线最易收到破坏，尤其是端头及附近的地下管线是重点保护的区域；（２）纵向地下管线的变形形状与相应位置处地表沉降纵向分布曲线的形状相似。李大勇、龚晓南（２００３）¨引在“软土地基深基坑工程邻近柔性接口地下管线的性状分析＂一文中结合实例给出了柔性管在深基坑开挖过程中的力学性能并与刚性管相应性能进行了比较并给出了比较结果。ｌａｍｅ（１９７０年）¨鲫定性分析了影响坑周土体变形的各种因素，并将其归为八个方面：①基坑尺寸（长度、宽度、深度）：②土的性质；③地下水条件；④基坑暴露时间；⑤支撑系统；⑥开挖和支撑的顺序：⑦邻近的结构和设施。⑧活荷载。１．３．４影响基坑地层移动的因素影响基坑周围地层移动的因素是多方面的，主要包括以下几点：（１）支撑条件①无支撑的悬臂式或者重力式挡墙，墙顶位移最大，呈前倾型，当基坑开挖深度较大时，会有较大的位移。对于内撑式开挖的前期，也会由类似的情况出现。②支撑层数越多，纵向间距越小，水平方向越密，支护墙的位移与变形越小。③支撑类型不同，支护效果不同。对于一般的钢支撑刚度是足够大的。但是支撑与墙体之间的垫板构造会严重影响支撑的纵向刚度，曾有人实测得到支撑的纵向刚度竞只有理想刚度的１／５０，所以施加预加轴力可以有效的消除各种可能的间隙。当采用钢筋混凝土支撑时，由于设置支撑的滞后性，特别是混凝土浇注后的收缩（一个月的收缩率０．０００２，五个月可达０．０００４），会使支撑受力滞后。例如５０ｍ长的支６北京交通大学硕士学位论文绪论撑梁，收缩量将大于ｌＯｍｍ，也就是说当支护墙拱出ｌＯｍｍ之后，才开始受力，另外还有支撑腰梁的压缩变形与腰梁的侧向变形，均将使支护墙的位移和变形增大。④支撑的安装方法和质量，比如支撑轴线的偏心度、支撑与强面的垂直度、支撑固定方式和可靠度、支撑预加轴力的可靠性和及时性等等，都是影响基坑变形的重要因素。（２）支护墙条件①支护墙嵌固深度。支护墙在坑底以下的入土深度越大，则位移与变形越小。根据北京地区的经验，有支撑的支护墙入土深度约为（０．３珈．５）Ｈ。对于悬臂式支护墙，其入土深度则为（１．卜１．２）Ｈ。②支护墙的刚度。地下连续墙一般刚度较大，其次是人工挖孔桩及直径较大的。（３）土层强度对于不同的土体类型，其最终的变形不同。若ｃ、缈越大，则主动土压力越小，被动土压力越大，支护墙的位移将越小。如果对强前墙后土体进行加固，也能显著减少支护墙的位移，也对增大支护墙的整体刚度起到了一定的作用。（４）基坑开挖分段和开挖程序。由于基坑开挖的过程是一个具有时空效应的过程，尤其是对于长条形基坑来说，充分的利用基坑的空间作用，以提高基坑抗隆起系数，减少周围地层移动。对于地铁基坑的施工，大多采用长条形施工，如果将基坑分成比较短的段开挖，对减少地面沉降、墙体位移和地层水平位移是有效的。（５）基坑开挖周期和暴露时间。在粘性土的深基坑施工中，由于粘性土的流变性，土体在相对稳定的状态下随暴露时间的延长而产生移动是不可避免的，特别是在坑底被动区和墙底下的土体滑动面的高应力区，都会因为暴露时间过长而产生相当的位移，以致引起地面的沉降。待施工到支撑位置时，如延迟支撑的安装，就必然引起明显的墙体变形和相应的地面沉降。在开挖到设计底标高后，如不及时的浇注好底板，使基坑长时间暴露，坑底土体隆起较大，进而周围地层位移也很大。（６）其它因素①地下水的影响。墙后地下水位高时，土压力增大，进而增大墙体位移，特别是出现流砂和管涌时，墙体位移将有很大的增加。②地面超载和振动荷载。地面超载和振动荷载会减少基坑抗隆起安全度，增加基坑周围地层位移。７北京交通大学硕士学位论文绪论１．３．５支护与地层变形机理基坑变形包括支护墙的变形（位移）、坑底隆起及基坑周围地层移动。基坑周围地层移动是引起地铁形的直接原因，因此本节主要讨论地层移动机理，主要从支护墙的变形和坑底隆起变形机理方面阐述。（１）支护墙的变形机理支护墙墙体变形从水平方向改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，由于在基坑内侧卸去原有的土压力时，在墙外侧则受到主动土压力，而在坑底的墙内侧则受到全部或部分的被动土压力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以支护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。支护墙的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发生位移。当支护墙体位移较小时，墙外侧与土体间摩擦力可以制约土体下沉，故靠近围护墙处沉降量很小，沉降范围小于被开挖深度；当墙体位移量较大时，地面最大沉降量就与墙体位移量相等，此时墙外侧与土体间摩擦力己丧失对于墙后土体下沉的制约能力，所以最大沉降量发生在紧靠支护墙处。墙体变形不仅使墙外侧发生地层损失而引起地面沉降，而且使墙外侧塑性区扩大，因而增加了墙外土体向坑内的位移和相应的坑内隆起。因此，同样的地质和埋深条件下，基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差别，墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。（２）坑底土体隆起机理基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起支护墙在两侧压力差的作用下产生水平向位移和因此而产生的墙外侧土体的位移。可以认为，基坑开挖产生的坑底土体隆起是引起周围地层移动的主要原因。１．４研究内容与方法从解决目前出现的由于基坑开挖而导致已建地铁受到的影响出发，本文从分析地铁受基坑开挖影响的各因素入手，将基坑围护结构、邻近地层、地铁隧道看作一个整体，进一步研究基坑围护结构变形、邻近地层变形、地铁隧道变形之间的关系，进而得到简便合理的预测方法。这对于深化基坑开挖对邻近地铁影响的认识，进一步通过地铁的变形控制标准来决定基坑支护结构的变形控制，提高设计的可靠性和安全性以及经济性，以达到减少深基坑开挖所造成的地铁变形过大等类似事故有着重要的实际意义，并且相信在不久的将来其中意义必将随着地下北京交通大学硕士学位论文绪论空间的大规模开挖而更为重要。本课题将利用数值模拟方法，按照工程实际进行模拟，对基坑开挖引起邻近地铁隧道的位移和内力的变化进行研究，以求得到符合工程实际的数值模拟结果，通过对其进行分析，以得出结构内力变化的一些规律，可以为工程设计和施工监控提供一些建议和参考。本文研究方法：以邻近地铁１０号线光华路站一国贸站区间隧道的国贸三期变电站基坑工程为背景，采用理论计算分析方法得出邻近开挖基坑的既有隧道的位移与附加荷载，并结合实际工程利用岩土数值分析软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ模拟分析建筑基础施工过程中基坑围护结构变形与邻近地层变形及地铁隧道变形的相互关系，通过理论计算得出邻近开挖基坑的隧道的位移变化，并将理论计算得出的结果与数值模拟得出的结果进行比较。９北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论２基坑计算分析的相关理论２．１基坑变形影响因素基坑工程的技术条件复杂，影响基坑变形的因素概括起来主要有基坑开挖的几何尺寸、场区工程地质水文地质条件、周边环境条件、基坑支护结构参数、施工管理、基坑开挖的时空效应等。为了快速准确地分析基坑变形的规律，必须筛选出主要的影响因素。对一个确定的基坑工程而言，基坑平面形状、深度、场地水文地质工程地质条件、周边环境状况是已知的，影响基坑变形的关键要素包括：支护结构刚度、支护桩入土深度、支撑平面及竖向设置形式及支撑刚度、钢支撑预加轴力。另外，卸土对土层参数的影响也不可忽视。２．１．１支护结构刚度增大围护结构刚度可以有效地减小围护结构的水平位移，但其作用随着刚度的增大逐渐减弱。墙体刚度较小时，增加墙体刚度墙体最大水平位移减小很快，当墙体刚度达到一定值后，墙体最大位移减小缓慢，作为支护体系的一部分，挡墙必须和其它支护结构共同协一调，才能发挥其最大作用，当墙体刚度大到和其它支护结构刚度不协调时，其刚度优势就不能充分发挥。基坑支护变形控制设计中需确定一个合理的支护结构刚度，使得最大水平位移在周边环境允许的范围内且方案经济合理。支护结构刚度与支护桩桩径、桩身材料、桩项冠梁有关。（１）支护桩桩径支护桩刚度体现在桩的直径、桩身混凝土张度等级一定时，直径越大，刚度就越大，桩项位移越小，但桩径大于９００ｒａｍ以后，这种趋势并不明显。一般而言桩顶水平位移随支护桩桩径增加而减小。在相同桩间距，嵌固深度一致的情况下，支护桩桩径与桩项位移的关系如图卜１。ｌＯ北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论６０，、量羚毯隧掣５０４００．５０．６０．７０．８０．９１．０支护桩桩径（ｍ）图２一１支护桩桩径与桩顶位移的关系（２）冠梁刚度桩顶冠梁常作为控制桩项水平位移的重要措施应用于桩锚支护体系中，冠梁的刚度受基坑几何尺寸影响，沿长度方向变化。假定冠梁两端固定，其跨中刚度可采用下式计算：３８４ＥＩＫ：——．兰＝——．一Ｔ）１—２（ｔｌＬＺ—一ｌＪ其中，ＥＩ为冠梁的侧向抗弯刚度，，为冠梁计算长度，ｓ为桩间距。以冠梁高６００ｍｍ，宽８００ｍｍ，混凝土强度等级Ｃ２５，桩间距ｌｍ为例，跨中刚度坼与冠梁跨度间的关系见表２－－１：表２一ｌ，（ｍ）Ｋ，＇（ＭＮ／ｍ）当冠梁跨度超过３０米时，冠梁的支撑刚度已经很小，冠梁对支护结构的受力变形主要起协调作用，其影响一般不予考虑。ｌＯ２７．５３跨中刚度与冠梁跨度关系表２０１．７２３００．３４４０Ｏ．１ｌ５００．０４２．１．２围护结构入土深度在插入深度较小时，墙体的位移和弯矩随插入深度的增加急剧减小，但到达一定深度后，两者变化不再明显。这说明挡墙存在～个“临界插入深度＂，超过这一临界值后，墙体的变位和弯矩不再有大幅度的减小，原因是超过临界值以后，墙前和培后的土压力都趋近于静止土压力，墙体后的土压力差减小，再增加插入深度其作用不显著。确定基坑的“Ｉ临界插入深度一后，可避免浪费。北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论２．１．３支撑刚度根据刚度定义有：Ｋ＝兰警ｂ－（ｘ）（２－－２）式中：ｌ卜内支撑结构上任意点对围护墙的刚度系数；ｑ（ｘ）－－－－围护墙对内支撑结构上任意点的水平作用力；万（工）一内支撑结构上任意点的法向位移。在设定预应力的情况下，支撑刚度对桩顶位移的影响见图２－．２，支撑刚度对围护结构水平位移影响显著，支撑刚度过小将导致围护结构产生较大的水平位移：在一定范围内增大支撑刚度可以有效地减小围护结构的水平位移，但随着支撑刚度的增大，位移的变化率减小，并趋近于零。因此刚度过大无实际意义。，、Ｖ漤掣隧重辑支撑刚度（心／Ｉ）图２—２支撑刚度对桩顶位移的影响２．１．４支撑预应力旌加顶应力可使支撑紧抵支护结构从而消除支护系统的松驰，此外向支撑施加预应力还可减少开挖时在土体内积聚起来的剪应力，土体的应力应变关系得到改善，进而减少位移量。在支撑刚度一定的情况下，预应力对桩顶位移的影响见图２—３。１２北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论＾唇羚趟隧垲预应力（麟）图２－－３预应力对桩项位移的影响在一定范围内增大预应力同样可以有效地减小围护结构的水平位移，但预应力不宜过大。过大的预应力可导致桩身弯矩增加、支撑超载等不利因素，设计时应根据挡土结构的嵌入深度、自身刚度、土质条件等，通过计算分析来确定合理的预应力值。２．２基坑支护的计算理论基坑工程是为了保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的工程措施的总称。在进行基坑工程施工时，有些是没有围护措施的，称之为无支护基坑工程；而有些则是有围护措施的，称之为有支护基坑工程。本论文所设计的就是有支护基坑工程的支护结构。支护结构是指基坑工程中采用的围护墙体以及支撑（或土层锚杆）系统的总称。围护墙体是指承受坑内外水、土侧压力（包括部分由坑外一定范围内永久或临时荷载引起的侧压力）以及支撑反力的墙体，是稳定基坑施工的一种临时挡墙结构；而支撑系统则是由围檩、支撑以及立柱等结构组成的体系，主要包括内支撑和锚杆支撑两大类。随着近年在沿海开放城市中高层建筑的大量兴建或地下空问的逐渐开发和利用，基坑工程的设计和施工技术的开发和实践，形成了近年国内岩土土木工程建筑项目的热点。多种形式的支护结构，如排桩挡土、锚杆、土钉墙、引进的ＳＭＷ工法以及地下连续墙等，已经逐步打破了以前单一的板桩（钢板桩、混凝土板桩１３北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论等）支护的模式而形成了多样化格局，呈现出以前所未有的技术发展与国内更新的势头。基坑工程支护结构可根据其重要性分成若干等级，不同等级的基坑设计，安全系数、变形控制等要求是不一样的。根据工程资料可知，本次设计的基坑等级为一级。一级基坑工程支护结构的划分标准为：（１）围护结构要作为主体结构的一部分；（２）基坑开挖深度超过ｌＯｒｅ：（３）距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护。在进行基坑支护结构设计时，除了应使结构满足强度、刚度、稳定性的要求之外，还应充分注意到周围环境的情况和基坑工程场地的施工条件。２．２．１支护结构设计原则支护结构应当保证填土、物料、基坑侧壁及构筑物本身的稳定，构筑物应具有足够的承载力和刚度，保证结构的安全正常使用。同时在设计中还要经济合理和方便施工。基本原则为：首先，设计应严格控制基坑内外变形和位移，防止路面、房屋下沉或开裂，充分保证基坑本身及周边建构筑物、地下管线的安全，包括不产生强度破坏和不妨碍正常使用；其次，设计要考虑支护工程施工的可能和方便同时，还应兼顾后续工程如地下室施工的可能和方便；第三，设计尽量利用当地成熟的技术和经验，尽量不妨碍周边道路的交通。总之，必须从稳定、强度、变形三方面满足设计要求。另外，为进一步保证施工安全，尽早发现施工隐患以便及时处理，设计应考虑方便信息化施工，便于基坑监测和变形控制，避免重大事故发生。并且还要满足以下要求：（１）安全性：基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计，还应考虑其结构水平变形，地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响。基坑支护设计内容应包括对支护结构计算和验算，质量检测及施工监控的要求；（２）经济性：满足安全性的前提下，从工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案；（３）合理性：能最大限度地利用现有设备，方便施工，缩短工期。２．２．２支护结构类型的选择基坑支护有多种结构类型和多种施工方法，例如土钉墙支护、排桩支护、地１４北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论下连续墙支护、ＳＭＷ桩支护等等，应遵循“安全可靠，经济合理，方便施工’’的原则，结合该基坑的特点和场地岩土条件及周边环境条件进行选择。支护结构可根据基坑周边环境，开挖深度，工程地质与水文地质，施工作业设备和施工季节等条件结合表２．２选择。表２－２各种条件下选择的支护结构结构形式适用条件１、适用基坑侧壁安全等级为一、二、三级排桩或地下连续墙２、悬臂式结构在软土场地中不宜大于５米３、当地下水高于基坑底面时，宜采取降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙１、基坑侧壁安全等级为一、二、三级水泥土墙２、水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于１５０Ｋｐａ３、基坑深度不宜大于６米１、基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地土钉墙２、基坑深度不宜大于１２米３、当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施１、基坑侧壁安全等级宜为二、三级２、淤泥和淤泥质土场地不宜采用逆作拱墙３、拱墙轴线的矢跨度不宜大于１／８４、基坑深度不宜大于１２米５、地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施１、基坑侧壁安全等级宜为三级２、施工场地应满足放坡条件放坡３、可独立或与上述结构结合使用４、当地下水位高于坡脚时，宜采取降水或截水措施下面讨论几种支护结构的特点，以便于确定最终的支护方案：ｌ土钉墙支护（１）２１２钉墙支护结构土钉墙结构由钢筋拉杆、注浆土钉体、钢筋网片和喷射混凝土面层以及原位土体共同构成。土钉支护能尽可能发挥、显著提高和最大限度地利用基坑边壁土１５北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论体自身固有的力学强度，变土体荷载为支护结构体系的一部分。土钉在土体中起加筋作用，通过灌注砂浆和拉杆以约束土体的松弛和位移，钢筋网片和喷射混凝土面层具有良好的柔韧性和整体性，并与注浆土钉连成一体，既大大改善了被加固土体的物理力学性能，形成一种新的地质体，又能有效地调整表层与土钉内固段的应力分布，维持和加强了边坡整体稳定性和局部稳定性。同时，土钉墙支护结构是在无水或降水条件下进行施工的，土钉墙施工一般埋深不大于１２ｍ，如果超过１２ｍ，土层较好，可以采用复合土钉墙支护，目前这种支护可达１５ｍ左右。（２）土钉墙支护结构的优点工程造价低，是目前各种基坑支护方法中造价较低的一种。便于信息化施工，因为土钉支护是边开挖，边支护，边进行基坑变形观测。可以根据已支护面的变形大小和发展趋势，及时灵活的调整下层土钉的长度、间距等设计参数，达到及时控制基坑变形的目的，有利于提高基坑的稳定性和安全性。施工方法简便，无须大型施工机械，所以特别适用于基坑狭长或场地狭小的基坑工程。工程施工占用工期少，可大大减少基坑工程施工工期，相对其他支护方法可虽短工期１／３以上。（３）土钉墙支护结构的缺点①基坑周围不能超载，一般土钉培设计超载只有２０ＫＮ／ｍ２。②由于土钉支护属于被动支护方式，一般相对于桩锚支护方式，基坑侧向变形较大，其侧向变形较难控制。２排桩支护（１）排桩支护结构桩锚支护结构是由挡土桩、预应力锚杆和压顶梁构成的。它依赖单排钢筋混凝土桩自身的刚度和一定的嵌固力来平衡大部分坑外水土压力等外荷载，同时又依靠预应力锚杆的拉结力来补充平衡抗力的不足，减小基坑变形，以维护基坑围护结构和基坑内外土体的稳定。而桩撑支护结构由两部分组成，即围护桩墙与内支撑。内支撑根据基坑的深度可设置多道，可以直接平衡两端围护桩墙上所受的侧压力，构造简单受力明确，因此得到广泛应用。（２）排桩支护结构中的围护结构基坑围护结构采用的排桩形式有：沉管灌注桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩等。钻孔灌注桩是在泥浆护壁的情况下通过设备成孔，然后将钢筋笼调入孔中并通过导管浇筑混凝土而成桩。设备成孔深度不受限制，桩体直径范围为５００ｍｍ一１６北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论１４００ｍｍ。由于钻孔灌注桩之间留有孔隙，在水位较高的地区应在桩体后侧设置隔水帷幕。该围护形式施工速度较慢（依现场钻孔桩设备而定），施工时现场较为杂乱，围护结构体占用场地较大。钻孔灌注桩支护墙体的特点有：①施工时无振动、无噪声等环境公害，无挤土现象，对周围环境影响小：②墙身强度高、刚度大，支护稳定性好，变形小；③桩间缝隙易造成水土流失，特别是在高水位软粘土质地区，需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题；④桩与桩之间主要通过桩项冠梁和围檩连成整体，因而相对整体性较差。当在重要地区、特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。人工挖孔桩相对钻孔桩造价低３０％左右，而且人工挖孔施工无需大型设备，可在狭窄场地施工，施工噪音少，可多班组、多工作面同时施工，工期进度容易控制，占用基坑施工工期少。（３）排桩支护结构中的支撑（拉锚）系统支撑（或拉锚）系统的作用是维持支护墙体的受力平衡。支护体系的受力路线为主动区土压力通过支护墙体传至支撑（或拉锚）系统和坑底以下的被动区土体。由于土体本身刚度较小，要产生较大的反力需要足够大的变形，而这样对控制支护体系的变形已减少开挖施工对周围环境的不利影响又是很不利的，因此支撑（或拉锚）系统需要具备足够的强度和刚度，一来保证支护体系的安全稳定，二来尽量减小变形，以保护周围环境。根据支撑（或拉锚）系统所处位置的不同，坑内的为支撑系统，坑外的为拉锚系统。支撑系统主要适用于宽度小于３０ｍ的基坑。支撑结构较多采用钢管、Ｈ型钢、格构式钢撑，当基坑较窄时，由水平钢支撑与腰梁形成临时支撑体系；当基坑较宽时，受稳定性的影响，水平钢支撑需要与腰梁、纵向联系杆、竖向支撑共同形成临时支撑体系。支撑系统的优点是制作、拆装方便，支撑刚度大，施工速度快，可重复利用；缺点是用钢量大，且不利于基坑内的机械开挖。深基坑支护体系选用锚杆，锚杆是一种新型的受拉杆件，它的一端与工程结构物或挡土桩墙联结，另一端锚固在地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力、水压力、它利用地层的锚固力维持结构物的稳定。使用锚固技术的优点有：①用锚杆代替内支撑，它设置在围护墙背后，因而在基坑内有较大的空间，１７基坑计算分析的相关理论有利于挖土施工；②锚杆施工机械及设备的作业空间不大，因此可为各种地形及场地所选用；③锚杆的设计拉力可由抗拔实验来获得，因此可保证设计有足够的安全度；④锚杆可采用预加拉力，以控制结构的变形量；⑤施工时的噪声和振动均很小。缺点是造价高，支撑的施工速度慢，易引起围护结构渗漏，设计中的不定因素多，其承载力及变位须通过拉拔试验确定。３．地下连续墙支护地下连续墙基坑围护结构适用于大多数的土层，并可单独作为主体结构侧墙，亦可与内衬共同承受侧压力。地下连续墙支护结构的优点为：（１）施工时噪音低、振动小，能够紧邻相近的建筑物和地下管线施工，施工时对周四围环境的影响小；（２）墙身刚度大、强度高、整体性好，因而结构和地基变形都较小，还可对基础不均匀沉降有一定的调节作用，可用于重要地区特殊工程及超深基坑的支护结构；（３）地下连续墙为钢筋混凝土整体连续结构、耐久性好，防渗能力强，既可挡土又可挡水：地下连续墙的缺点是：造价高、施工场地要求高、技术要求高、机械复杂、对环境有一定的污染。４．ＳＭＷ桩支护ＳＭＷ（ＳｏｉｌＭｉｘｉｎｇＷａｌｌ）工法是用多轴型钻掘搅拌机在工程现场向一定深度进行钻掘，同时在钻头处喷出水泥浆等强化剂与地基土反复混合搅拌，在各施工单元之间采用重叠拱搭接施工，然后在水泥土混合体硬结之前插入Ｈ型钢或钢板桩作为其应力补强体材至水泥硬结，使其形成一道具有一定强度和刚度、完整连续的无接缝的地下墙体。该墙体可以达到自止水效果，在地下水位较高地区，不必另外设置隔水帷幕。由于设备的限制，其搅拌桩桩径常见的有６５０ｍｍ和８５０ｍｍ两种，桩体最深可以达到地面以下３２ｍ。ＳＭＷ工法的优点是施工速度快（约１０ｍ／ｄ—１５ｍ／ｄ），工地安排简单；施工中基本无噪声，对周围环境影响小；结构强度可靠，特别适合于以粘土和粉土细砂为主的松软地层；挡水防渗性能好，不必另设挡水帷幕；可以配合多道支撑应用于较深的基坑；此工法在一定条件下可以代替作为地下围护的地下连续墙，在费用上如果能够采取一定的施工措施成功回收Ｈ型钢等受拉材料，则成本将大大低于地北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论下连续墙。而其缺点是拔除型钢时可能引起周围地面的沉降，需引起注意。通过ＳＭＷ桩和钻孔灌注桩两种围护桩体的刚度进行比较得知，钻孔桩围护形式桩体往往有较大的刚度，可以更好地控制墙体变形；但一般来说，钻孔灌注桩方案的造价又远超过ＳＭＷ工法。由于这两种围护形式的特点，可按基坑的要求选择不同的方案。当周围环境较为简单时，基坑围护设计应以强度控制为主，即只要围护结构不破坏，可不考虑墙体变形。这种情况下可以考虑采用较为经济的ＳＭＷ工法：当周围环境对基坑变形控制要求较高时，基坑围护设计应以变形控制为主，采用刚度较大的围护形式，可以考虑采用钻孔灌注桩。２．２．３支护结构内力计算方法对于基坑支护结构来说，计算其内力及变形并且验算其截面承载力的静力计算模型有空间和平面两种。其中空间计算模型是考虑支护结构和地基土的空间作用，把地基土视为空间半无限体介质，并且把基坑影响范围的土介质和支护结构的各构件划分为若干个单元，用三维有限元方法分析。由于目前工程实际与设计的不同步，所以设计中采用的一些土介质的参数难以确定。为此，在设计中往往采用简化方法，即把墙背土压力视为不随基坑位移而改变的外荷载，把土体假定为线弹性体而考虑土抗力，通过这些假定以后，就可以利用传统的计算理论分析计算支护结构了。采用空间计算模型分析支护结构时，虽然可以获得较好的经济效果，但是这种方法不仅土参数难以正确选取，而且计算工作量非常大，这对于施工单位作设计的人员来说难度是很大的。在许多情况下平面模型的计算精度就足以满足一般工程的设计要求，因此目前许多基坑工程的设计都采用平面模型，即沿基坑平面的纵向或横向截取单位长度的支护结构来分析。其中把基坑支护结构计算分为传统常规设计法，弹性抗力法及有限元分析法。（１）传统常规设计法：假定主、被动土压力已知，不考虑墙体和支撑（锚杆）变形，把超静定问题转化为静定问题求解。属于这类方法的有很多种，主要有等值梁法，弹性或者刚性支撑连续梁法等。假定过于理想与实际情况出入很大，因此这种方法存在许多缺陷。但它计算简捷，且等值梁法与静力平衡法从概念上看几乎没有问题，因此规范一般仍然推荐使用。同时在内力计算的土压力分布采用经验土压力分布模式，注重依据工程经验对计算结果的修正。他们较为简单，可手算，得到较为广泛的应用，但也有一定的局限性。其中逐层开挖支撑锚杆支撑力不变的１９北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论等值梁计算法比较符合施工实际情况，是比较何时的计算方法。（２）弹性抗力法：该法取单元宽度的挡土结构作为一个竖放的弹性地基梁，支撑或拉锚及土体则用弹簧代替，土体弹簧刚度按以往的弹性地基方法确定。能够反映基坑开挖和回填过程中各种基本因素和复杂条件对围护结构受力的影响，如基坑开挖、锚杆设置、锚杆的失效与拆除、荷载的变化、墙体刚度的改变、围护结构与主体结构的板、墙的结合方式等对基坑两侧荷载的影响；围护结构的空间效应以及围护结构与支撑（锚杆）体系的共同作用，ｉ并且能够反映施工过程及施工完成以后的使用阶段墙体受力变化的连续性。由于可模拟支护结构的受力条件几只需少量计算机内存，目前在工程中得到较广泛的应用。（３）有限元分析法：这种方法把墙，土都划分为单元，土体可采用相应的本构模型，理论上较为完善。由于本构模型参数的确定麻烦及有限元程序复杂，使得计算过程较为复杂，目前自由作为理论分析和重大工程比较验证，对一般工程计算应用还不是很普遍。在城市深基坑的四周会有一些重要的建筑物或构筑物，例如地铁，为了保证深基坑附近的地铁的正常运行，必须严格监控因基坑开挖引起的周围地面的沉降，此时无论极限平衡法还是土抗力法都难以估算基坑周边地层的位移，必须采用有限元分析法。２．３基坑支护体系的稳定性分析基坑工程正向大深度、大面积发展，邻近常有必须保护的建筑物和公用设施，对稳定和变形要求越来越严格。造成基坑失稳的原因较多，失稳的形式也不同，但大多从局部破坏开始发展到基坑失稳，这就需要改进现有的设计理论和方法，合理分析支护结构受力，进行基坑稳定性验算，进而避免基坑失稳，避免基坑邻近市政工程和建筑物的损坏或破坏。基坑开挖是一项复杂的工程。一般情况下，支护体系的稳定性主要从整个支护体系的稳定性及基坑坑底的稳定性两个方面考虑。整体稳定性又可分为整体圆弧滑动、倾覆、后仰、整体平动等四个方面加以验算。而基坑坑底的稳定性则主要考虑坑底隆起的影响。对于不同的基坑，其支护方式是不同的，因而就需要侧重不同的方面进行分析影响其稳定性的主要因索。２．３．１瑞典条分法此法首先由瑞典工程师ｗ．费兰纽斯所提出，该法假定土条两侧的力大小相等方向相反，其作用线重合，即不考虑各土条间的相互作用力。其计算步骤如下：北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论（１）任意选定一个通过支护结构端点的圆弧滑动面，它的半径为Ｒ。把圆弧滑动面以上的滑动土体分成若干个等宽的竖向土体，分条宽度一般为２－４ｍ，但应结合断面特征。（２）计算的ｆ个土条的重量彬，它与土条底面的径向分力Ｍ和切向分力乃处于静力平衡，故Ｍ＝形ｃｏｓＯ，Ｚ＝形ｓｉｎ０式中：ｐ一第ｉ土条圆弧终点法线与铅直线的夹角（２—３）（２－４）（３）以Ｏ点为转动中心，计算圆弧滑动面上各力对Ｏ点的滑动力矩和抗滑力矩：Ｍｓ－－ＲＥＴ，＝ＲＺ（形＋ｑｓｂｉ）ｓｉｎ８ｉｉ＝１ｆｔｌ（２—５）１广一虬＝尺Ｉ∑（形＋ｑｉｂｉ）ｅｏｓｏｉｔａｎｑ，ｓ＋吐ｌＬｉ＝１（２１）Ｊ此外还有毕肖普（Ｂｉｓｈｏｐ）法等。２．３．２支撑对整体稳定的影响支撑对整体稳定性的影响主要是支撑的存在使滑动面圆心的位置发生了改变。再设置单道支撑时，滑动面的圆心一般在挡墙上方，靠基坑内侧附近，即与无支撑相比，圆心向基坑内侧偏移。支撑的存在，增加了基坑的整体稳定性。２．３．３抗倾覆验算抗倾覆验算一般针对悬臂式挡土墙及单支撑式挡土墙。主要分析计算墙前主动土压力和墙后被动土压力对桩脚端的力矩。Ｚ＝ｇ（Ｒ—Ｓ）＝Ｍ矗一Ｍｓ（２—．７）ＭＲ＝‘×詈Ｍｓ：Ｅ×＿Ｈ式中：Ｈ．—悬臂桩的桩长；（２—８）ｘ一悬臂桩嵌入基坑底面以下的长度；肘置—嫱前被动土压力对支撑点的力矩；膨譬—．墙后主动土压力对支撑点的力矩；对有支撑的情况要考虑支撑对脚端的力矩。２１北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论２．３．４后仰验算后仰验算一般针对单撑式挡土墙Ｍ置＝ｔ×专Ｍｓ：Ｅｘ＿Ｈ式中：Ｈ一悬臂桩的桩长；ｘ—悬臂桩嵌入基坑底面以下的长度；（２－一ｌＯ）（２—１１）Ｍ胄一墙前主动土压力对支撑点的力矩；Ｍ。一墙后被动土压力对支撑点的力矩；２．３．５整体平动验算整体平动运算主要用于重力式挡土墙的稳定验算，其抗力与荷载效应为Ｍ霄＝Ｗ．ｔａｎｔｐ＋ｃＢ（２＿１２）（２＿１３）Ｍｓ＝乜一瓦式中：矽一墙底土层的内摩擦角ｒ墙底土层的粘聚力ｗ、Ｂ．一墙体自重、底面宽度Ｅ。、Ｅ—墙后、前的被、主动土压力此外还应进行基坑坑底稳定性验算和坑底土体抗管涌稳定性的分析验算。２．４支护结构后地表沉降计算支护结构后地表沉降计算除有限元法外还有一些经验方法。主要有Ｐｅｅｋ曲线法、地层损失法、稳定安全系数法和时空效应估算法等。２．４．１Ｐｅｃｋ法Ｐｅｅｋ认为基坑沉降大小主要受地区条件控制，并曾给出（地表沉降／基坑最大深度．离基坑距离／基坑最大探度）间的关系曲线，该曲线未考虑支护形式等对基坑沉降的影响【２０］１２１１。长期的工程实践对它作了一些修正和完善，具体如下。地表沉降：万＝１０ｘＫ×口×Ｈ（２——１４）北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论其中：Ｋ—修正系数，壁式围护墙取Ｋ＝０．３，柱列式支护结构取Ｋ－－０．７．板墙取Ｋ＝Ｉ．Ｏ：Ｈ一基坑开挖深度（ｍ）；ａ一地层沉降量与基坑挖深之比，以（％）表示，具体数值可查有关图表。离墙伴距离／开挖深度１．ｔｌ２·０３．０，一０／’．／７．，，４．０●，１．０／‘／’／’．／，一．—一’一谶襞辍隶＼囔澄蟮崔己．０／‘图２＿４Ｐｅｃｋ曲线２．４．２地层损失法大量工程实践证明：坑底抗隆起稳定安全系数、墙体侧向变形和地表沉降三者间有定量关系。该法利用地表沉降相应地层移动面积和墙体侧向变形相应地层移动面积的相关关系，并根据经验假设地表沉降曲线形式，从而由己知的墙体侧向变形求得地表沉降。相应的墙体侧向变形可由杆系有限元法解得。一般认为基坑工程为短期项目，可按不排水情况处理，地表沉降相应地层移动面积大略相当于墙体侧向变形相应地层移动面积（忽略了基坑底部隆起面积），学术界在这点上有一定共识。因此地层损失法的关键是找到与实际相吻合的地表沉降曲线形式，这也是目前研究地表沉降的主要方向之一。２．４．３稳定安全系数法稳定安全系数法是一种基于工程经验的简化方法，该法利用坑底抗隆起稳定安全系数与地表最大沉降对开挖深度的比值问的关系，在解得基坑底抗隆起安全系数的基础上通过图表求得地表沉降最大值，基坑隆起安全系数一般由Ｔｅｒｚａｇｈｉ法解得ｆ冽用于计算的关系图表有多种，可参考有关文献。北京交通大学硕士学位论文基坑计算分析的相关理论２．４．４时空效应估算法刘建航院土等从国内软土地区，特别是上海地区近十年来在深基坑的施工实践和试验研究的成果中认识到：在深基坑开挖及支撑过程中，分步开挖的空间几何尺寸和支护结构开挖部分的无支撑暴露时间与基坑变形有一定的相关性，此即基坑开挖中的时空效应。考虑时间效应可采用粘弹性有限元法，考虑空间效应可用三维有限无法。确定粘弹性本构模型的参数，可用三轴剪切蠕变试验或单剪蠕变试验结果拟合。要在基坑开挖的初始段用反分析法调整土体流变参数，再用以推算下步开挖引起的基坑周围土层位移，并据此酌定下步控制变形的施工参效。另一简便的方法是将工程实测的支护结构位移量进行统计分析，取得在一定地质条件和一定开挖支撑施工参数条件下，墙体位移与按弹性或弹塑性理沦所计算的位移的差值，并据此统计出某地区各种施工参数对基坑变形影响的定量值，供类似工程设汁参考，这就是时空效应的经验估算法。考虑时空效应的深基坑开挖施工方法，曾在许多工程中使用，并积累了许多成功经验。２４北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算３．基坑开挖对隧道影响的理论计算３．１土压力计算理论作用在支护结构上的土压力，即填土或挖土坑避原位土对支护结构产生的侧向土压力，它是支护结构所承受的主要荷载。因此，设计支护结构，首先要确定土压力的大小、方向和作用点。为维护天然土坡、开挖基坑而形成的人工斜坡的稳定性，要设置各种挡土结构，而土压力是设计的主要外荷载。库伦（Ｃｏｕｌｏｍｂ）在１７７３年、朗肯（Ｒａｎｋｉｎｅ）在１８５７年提出的土压力理论应用得最广，其计算方法也颇为实用。库仑土压力理论：库仑土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态（当剪应力处于抗剪强度的临界状态时）并形成一滑动楔形体时，根据楔形体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。其基本假定是：１．挡土培是刚性的，墙后的填土是理想的散粒体（粘聚力萨０）２．当墙体向前、向后移动产生主、被动土压力时，假定滑动楔体是沿着墙背和一个通过墙踵的平面滑动。３．滑动土楔视为刚体，即滑动破坏面为一平面。朗肯土压力理论：朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。它是假定墙背侧和填土间没有摩擦力，墙身有位移时，根据填土体内任意一点处于极限平衡状态时，最大和最小主应力之间的关系，求得主动、被动土压力。朗肯土压力理论和库仑土压力理论因为采用不同的假设，所以其分析计算的方法也不相同，只有在最简单的情况下时，两种理论所得结果才相同。否则结果不同。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算图３一ｌ理论土压力与实测值的对比图两种土压力理论、公式都是由挡土墙推导而来的，深基坑支护的桩、地下连续墙与挡土墙的受力是有区别的：１．挡土墙是先筑墙后填土，深基坑支护恰好相反，是先打桩、地下连续墙后，再开始挖基坑，土压力的变化情况是由静止土压力变为主动、被动土压力；２．挡土墙后填土视为散体，而基坑开挖桩、墙后土是经过多年自然形成已压实的成层土，如杂填土、粉质粘土、砂土等，两者的粘聚力有一定区别；３．挡土墙计算的假定是一个平面问题，而基坑开挖是空间问题，护壁桩的滑动面不但与深度有关，而且与墙体面积有关。土压力的分布模式是一个复杂的问题，工程经验表明，支护结构的刚度、支撑的刚度、施工的时空效应、土体的性质对土压力的分布和变化起控制作用。通过现场测试和室内模型试验分析表明。如图所示，古典的朗肯土压力或库仑土压力分布模式与实测的土压力分布存在差异，这主要是由理论假设和变形引起的。通过图３一ｌ的古典理论土压力与实测值的对比，我们发现在支护结构上部至基坑底部的主动土压力分布实测值与古典值相似，都是呈线形分布。３．１．１朗肯土压力计算理论介绍按围护结构是否发生位移以及位移的方向和大小，可以将土压力区分为以下三种：（１）静止土压力北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算如果围护墙静止不动，即位移为零时，土体作用在墙上的土压力称为静止土压力，以只表示。此时，墙后土体处于弹性平衡状态。例如在深基坑工程中，在基坑开挖之前，作用在墙上的土压力即为静止土压力。（２）主动土压力如图３＿２所示，围护墙在基坑开挖后，发生向基坑内的位移自．．Ｍ３Ｃ至Ａ’Ｂ’Ｃ’。此时，坑底以上的基坑内侧，原作用于墙上的静止土压力，因土体挖除而消失；而基坑外侧土体作用在墙后的静止土压力，将因墙前移而减少，随着位移的增大，土压力将逐渐降低，当墙后土体ＡｉＡ地面石熊力腻∥觚ｌｌｈ，＼ｉ。基坑底（／＼、彳风∥筒＼力怂、Ｂ．Ｂｆ．图３—２围护墙位移图达到极限平衡状态时，土压力达到一个最小值，此时的土压力称为主动土压力，以￡表示。（３）被动土压力在图３．－２中，基坑坑底以下的土体，因围护墙在墙后主动土压力的推动下，产生向坑内侧的位移，推力越大，则位移越大。推力与土体对围护墙的反力相等，但方向相反。墙前土体所能承受的推力有一个极限。当推力增大达到极限平衡状态时，此时土体的反力称为被动土压力，以￡表示。被动土压力是在上述条件下土体所能承受的最大推力。在图３－２中，作用在坑底以下围护墙ＢＣ段的土压力是否会增大至被动土压力，取决于墙后作用的主动土压力的大小以及位移的形态。如图３－３（ａ）所示，顶部有支点，如果基坑开挖较深，而围护墙入土深度又较小，则主动土压力较大，为了平衡，墙前土压力将得以在主动土压力的作用下，支护结构发生转动，当转动点位于ＢＣ段中间某点时，转动点以上的部分在基坑内产生被动土压力；而转动点以下则会在挡土侧产生被动土压力。因此入土段被动土压力是与支护结构的位移形式有关的，对于刚性挡土墙上的土压力是否达到主动或被动极限平衡状态，需由墙项位移大小来判定。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算＼＼？ｆ＾心／／Ａ＼☆砥／／“－％｜＼＼＼掀｜（ａ）入土段较浅腻删七嗵目悯图３—３被动土压力与支护结构的位移形式（ｂ）入土段较深３．１．２朗肯静止土压力计算在围护墙无位移或位移很小时或者是永久性的地下室侧墙，作用在墙上的土压力可以按静止土压力计算。静止土压力可采用水土分算的方法进行计算，即分别计算水压力和有效静止土压力，然后两者进行迭加。有效静止土压力的计算方法是计算竖向有效土自重应力，再乘以静止土压力系数，即昂＝ＫｏｒＺ（３－１）式中：厂——土的重度，地下水位以下土层取有效重度，以７’表示Ｙ’＝比，一凡，‰为土的饱和重度，九为水的重度，ｋＮｌｍ，；卜计算点在地面以下深度，１１１；肛——二者乘积即竖向有效土自重应力，ｋＮｌｍｚ；Ｋｏ——静止土压力系数，为在侧限条件下，即土体或试样在无侧向位移条件下，水平向有效土压应力与竖向有效压应力之比。可在侧压力仪或有特殊装置的三轴压缩仪中测定，在无试验条件下，可用下列经验公式计算，即Ｋｏ＝１－ｓｉｎ缈＇（３＿．２）式中：矿为土的有效内摩擦角。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算３．１．３朗肯主动土压力计算假设条件：墙项土面水平，墙与土体问光滑，即无剪应力，则考察墙背一单元力状态，设该点离墙顶距离为Ｚ，如图３叫所示，则垂直向应力为ｑ＝仃：＝ｙＺ，侧向应力即为作用于墙背的压力吒＝吒：当墙体静止时，ｑ＝吒＝Ｋｏ吒，为静止土压力；当墙体向基坑侧移动时，吒减少，当减少到一定程度时，也即到达最小吒时，单位应力破坏，土体达到极限状态，此最小吒值即为作用于墙体的主动土压力。为便于表达，一点的应力状态可以用摩尔一库仑强度准则表示于图３－．４所示，由于ｑ＝呸＝ｙＺ为该点以上的土重应力，在墙体侧移过程中是不变的，而仃。则由前面的土压力理论已知，会由静止土压力ｃｒｏ逐步减少，则应力莫尔圆逐步增大，到应力圆与强度包络线相切于Ａ点，则此时该点应力处于极限状态，最小的叽即为作用于墙体的朗肯主动土压力。图３＿５中强度包络线方程为ｆ＝ｃ＋仃留缈，当它与由ｑ与吒构成的应力圆相切时，由图可以得到：＾、吒＝ｑ留２（４５０一缈／２）一２ｃ．ｆｇ（４５０一州２）ＬＪ—ＪＪ，＾式中：吒一小主应力，按朗肯理论即主动土压力￡；ｑ一大主应力，即竖向土自重应力，ｅｒｒ．＝ｙＺ。代入上式后，可得到主动土压力的表达式：￡＝ｙＺｔ９２（４５０－呼ａ／２）－２ｃ．ｔｇ（４５０－呼ａ／２）（３—４）艺靠Ｎ『～／ｌ低／／ＡＮＮ胍小丫稻ｑ五Ｉ√图３—４土体受力假设条件图图３—５主动极限平衡应力圆北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算ａ＼＼ｆｕＮ。ＩＩ、＼＼ｅｂ＼＼Ｋ。７么Ｃ图３—６粘性土土压力分布图令Ｋ＝ｔ９２（４５０一州２）√Ｋ＝ｔｇ（４５０一伊／２）（３—５）上式可写成：只＝ＫｊＺ－２ｃ厄（３川）由上式可知，粘性土的主动土压力包括两个部分；一部分是由土自重应力以引起的土压力ＫｙＺ，另一部分由粘聚力ｃ引起的负侧压力２ｃ√Ｋ．如图３＿书所示，前一项ＫａｙＺ所表示的土压力为图中的ａｂｃ三角形，后一项２ｃｆｘ－：所表示的负侧压力即侧向拉力，为图中的ａｂｅｄ矩形，它是一个与深度Ｚ无关的常量，前后两项叠加的结果在ｆ点以上为拉力区，拉力为ａｄｆ。但土与墙之间不可能存在拉力，因为在很小的拉力作用下土与墙就会脱离，而不受力，故ｆ点以上，土压力为零；ｆ点以下，土压力分布为ｆｅｃ三角形。如图３－－６中的影线部分，此即粘土作用在墙上的实际土压力图形。ｆ点的深度Ｚｏ称为临界深度，可令式（３一．６）为零，求得ｚｏ值。即只＝ＫｏｒＺ－Ｚｃ４＾：．（３—７）令￡＝ｏ，可得：Ｚｏ＝２ｃ／（７√ｉ）由上式算得的Ｚｏ的点如位于地下水位以下，则只表示该点以上的有效土压力北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算为零，而地下水位以下的水压力则不为零。粘性土：与砂性土相似，其土压力只比基坑顶面无荷载时增加了ｑＫ。。在基坑项面有局部均布荷载对土压力的影响：基坑顶面有局部均奄荷载时，荷载对墙背的土压力附加值仍为ｑＫ，其分布范围理论上难以严格规定。ｏ土体的扰动对土压力的影响：在软土区施工，不可避免会对土体有扰动，它会破坏土的结构性，降低土的抗剪强度和内磨擦角，增大墙背土压力。如果施工扰动严重，特别在基坑内侧，极易造成支护结构变形过大甚至整体性失稳。地下水对土压力的影响：工程上一般忽略水对砂土抗剪强度指标的影响。但对于粘性土，由于含水量的增加，土的抗剪强度和土钉与土体之间的界面粘结强度明显降低，导致墙背土压力增大；另外，地下水位以下的土重度应取浮重度，并计入地下水对墙背的静水压力ｙ＾，此时，墙背上总侧压力为土压力和水压力之和。由于排水不畅或地下水管破裂造成的水患是基坑支护的大敌，对降水或排水考虑不周是众多基坑工程支护失败最重要原因之一。３．１．４被动土压力计算朗肯被动土压力计算与上节推导的朗肯主动土压力计算公式类似，被动土压力为墙后土体应力达到被动极限平衡状态的土压力。如图３＿－７（ａ）所示，假设条件也与前面朗肯主动土压力相同，此时竖直压力ｔ＝ｙＺ为定值，当墙处于静止时，侧向土压力为静止土压力，此时‰＝ｑ＝Ｋ０吒，当墙体向挡土侧发生位移时，侧向压力呸增大，逐步大于吒；如图３－７（ｂ）所示，当增大到一定的程度时，应力莫尔圆与破坏线相切，此时土单元处于极限状态，水平方向最大应力Ｏ＂ｘ＝Ｏ＂ｔ＞吒，即为朗肯被动土压力，而相应的小主应力ｏ－３＝ｔ＝ｙＺ，则由图３－７（ｂ）可得此时的朗肯被动土压力￡＝ｑ为：３１北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算Ｃ年ｆｄ／／Ｆ厂、嘶瓴ｆｔ＝伟【矽图３－７被动土压力计算简图ｑ＝吒留２（４５０＋妒／２）＋２ｃ．ｔｇ（４５０＋伊／２）亦即ｅ＝ｙＺｔ９２（４５。＋缈／２）＋２ｃ．ｔｇ（４５０＋州２）＝ｔｇ（４５。＋州２）（３＿８）令‘＝ｆ９２（４５。＋∥２），上式也可表示为：（瑚）（３－一１０）Ｐｐ＝ｒ，ｒｚ＋２ｃ再３．２工程问题的理论计算分析１．基坑工程概况拟建国贸三期变电站位于光华路与东三环路路口西南侧，为三层变电所，基坑尺寸为６６．２ｒｅＸ２７．６ｒｅｘ１８．１ｍ（长×宽×深）。变电所结构外墙距东侧地铁ｌＯ号线光华路站～国贸站区间矿山法隧道水平净距６．５ｍ，与地铁隧道平行布置。地铁隧道为单洞五心圆马蹄形断面，复合衬砌，临近基坑段底板埋深２１．８ｍ，覆土１５．５ｍ，隧道位于基坑底附近。基坑与隧道所处的工程地质与水文地质情况如下：（１）工程地质特性根据现场勘察及室内土工试验成果，将本次勘探深度（４１．ＯＯｍ）范围内的土层划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并根据各土层岩性及工程性质指标对各土层暂划分为９个大层。现分述如下：３２北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算表层为人工堆积之一般厚１．００＂－－２．７０ｍ的房渣土①层，粉质粘土填土①１层。人工堆积层以下为第四纪沉积层的粉质粘土、粘质粉土②层；砂质粉土③层，粉质粘土、粘质粉土③ｌ层，粘土、重粉质粘土③２层及细砂、粉砂③３层；细砂、粉砂④层及粉质粘土④ｌ层；卵石、圆砾⑤层及细砂、中砂⑤ｌ层；粉质粘土、粘质粉土⑥层及粘土、重粉质粘土⑥ｌ层；卵石、圆砾⑦层及细砂、中砂⑦１层；粘土、重粉质粘土⑧层及粘质粉土、砂质粉土⑧１层；卵石⑨层。本基坑底板坐落于卵石、圆砾⑤层，北侧局部坐落于粘土、重粉质粘土⑥１层顶面。（２）水文地质特性基坑范围内量测到三层地下水：层间水：水位标高１８．７５＂－１９．６１ｍ，位于基坑底附近，主要接受地下径流补给，并以地下径流为主要排泄方式。水位年自然变化幅度一般为２ｍ左右；承压水：水位标高１４．２４＂－＇１５．１ｌｍ，主要接受地下径流补给，并以地下径流为主要排泄方式，水位年自然变化幅度一般为３叫．ｍ左右；承压水：水位标高一０．４６ｍ，主要接受地下径流补给，并以地下径流为主要排泄方式，水位年自然变化幅度一般为３４ｍ左右；第一、第二层地下水对混凝土结构无腐蚀性，但在干湿交替条件下，对混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。第三层地下水埋藏较深，可不考虑其对本工程的影响。２．基坑与邻近地铁隧道的位置关系３３北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算地面标＾３９５０一－ｒ呈～ｌｌ１’ｒ耍ｆ｛｝ｏｏ｜｜临时童桂Ｈ４８８Ｘ３００铜ｆｉ撑钢呵棒ｆ适热轧２０ｏ∞／口６０９０＝１４）彳Ｌ４５１、ｒＯｏ苎！皇！墨／ｏｏｏ∽Ｉ２２ｏ蜓ｈ∽Ｏ寸ｏ∽ｏｏｏ８ｒ一－－Ｊ一ＯｏＬＮＯｎｉＥｏｏ１禹｛＞０一┃Ｌ捱－－扣，ｊｉｊＩ层冒地Ｅ生桩＠Ｉ２００＠５０００┃ｊ国ｊ０＠１２Ｃ┃。５。ｌ。钻孔灌注桩＋钢管支撑围护结构剖面（单位：ｒａｍ）题问响影的道隧对挖开．３土层简化得到的土层参数表如下表所示：表数参体土┏━３表┃埋）┃┃┃┃胁。３）┃┃┃┃┃３～０８．５．５３┃┃．２０．８┃．－－＂．３２┃０┃┃北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算３．２．１基坑的土压力计算为简化计算，作用在围护结构上的力主要取土压力及地面超载产生的侧压力。由于地面上的超载一般不大于２０Ｍｐａ，偏于安全计，取地面上的超载为２０Ｍｐａ。且因为地下水面线在基坑底部左右，而且还有一定的变化范围，为简化计算，将地下水位线定于标高一１８．７ｍ处。采用朗肯土压力理论计算作用在单位长度（取一米长度）基坑围护结构上的土压力，其中，对于基坑开挖一侧采用被动土压力公式计算，基坑未开挖侧采用主动土压力公式计算。其实，严格说来，因为本工程的变形要求比较严格，其支护体系的变形不会很大，采用静止土压力的计算方法进行基坑未开挖侧的计算会更加合理，但是由于％值的选取因为数据欠缺难以取值，故基坑未开挖侧采用主动土压力进行计算。其单位宽度土体的作用简图（图３＿＿９）图３ｑ单位宽度土体的作用简图在基坑未开挖侧，对于粘性土、粉土，采用公只＝ｒＺｔ９２（４５０一缈／２）－２ｃＩｇ（４５０一州２）对于无粘性土，采用公式：￡＝ｙＺｔ９２（４５０－９１２）对于第一层土，为杂填土，层厚５．５３ｒｎ，重度厂＝２０ｋＮＩｍ３，摩擦角伊＝１５。，ｅ＝ｌＯ，地面的土压力为昂＝ｇ留２（４５。－ｑ，／２）＝２０ｘｔ９２（４５０一１５。／２）－－－ＩＩ．８ｋＮ／ｍ房渣土底层的土压力为３５北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算墨＝（２０ｘ５．５３＋２０）ｘｔ９２（４５。－１５。／２）－２ｘ１０ｘｔｇ（４５。－１５。／２）＝６１．５ｋＮＩｍ对于第二层土，为粉质粘土，层厚１５．３３ｍ，重度７＝２０ｋＮ／ｍ３，摩擦角缈＝３３。，ｃ＝１０，第二层顶部土压力为耳＝（２０＋２０ｘ５．５３）ｘｔ９２（４５。－３３。／２）－２ｘ１０ｘｔｇ（４５０－３３。／２）＝２７．６ｋＮ／ｍ第二层底部土压力为罡＝（２０＋２０ｘ２０．８）ｘｔ９２（４５。一３３。／２）一２ｘｌＯｘｔｇ（４５０－３３。／２）＝１１７．７柳／研对于第三层土，为粘土，层厚１１．１８３ｍ，重度厂＝２０ｋＮ／ｍ３，摩擦角缈＝１８。，ｃ＝２２，第三层顶部土压力为￡’＝（２０＋２０ｘ２０．８）×ｔ９２（４５。一１８。／２）一２ｘ２２ｘｔｇ（４５。一１８。／２）＝１９８．２Ｎ／ｍ第三层底部土压力为Ｂ＝（２０＋２０ｘ３２）ｘｔ９２（４５。－１８。／２）－２ｘ２２ｘｔｇ（４５。－１８。／２）＝３１６．４ｋＮ／ｍ对于第四层土，为卵石圆砾，层厚１８ｍ，重度７＝２２ｋＮ／ｍ３，摩擦角ｃｐ＝４０。，萨：０第四层顶部土压力为Ｅ’＝（２０＋２０ｘ３２）ｘｔ９２（４５。一４０。／２）＝１４３．５ｋＮ／ｍ第四层底部土压力为只＝（２０＋２０×３２＋＋２２ｘ８）×留２（４５。一４０。／２）＝１８１．８ｋＮ／ｍ支护结构底部土压力为日２＝（４９６．１４＋１０ｘ２．Ｄｘｔ９２（４５。－３４。／２）＋ｌＯｘ２．１＝１６７．２ｋＮ／ｍ在基坑开挖侧，对于粘性土、粉土，采用乞＝ｙＺｔ９２（４５０＋９／２）＋２ｃＤｇ（４５。＋州２）对于无粘性土，采用公式：乞＝ｒＺｔ９２（４５０＋缈／２）对于基坑底部第一层土，为卵石圆砾，层厚０．７ｍ，重度７＝２１．５ｋＮ／ｍ３，摩擦角缈＝３８。，ｃ－－０，基坑底部的被动土压力为０。＝ｏ基坑底部第一层土的被动土压力为＆＝ｙＺｔ９２（４５０＋州２）＝２１．５ｘＯ．７ｘｔ９２（４５０＋３８。／２）＝６３．３ｋＮ／ｍ北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算对于基坑底部第二层土，为粉质粘土，层厚５．２ｍ，重度７＝１９．９克Ⅳ／朋３，摩擦角缈＝２２。，ｃ＝２５，基坑底部第二层土顶部的土压力为０ｌ’２１．５ｘＯ．７留２（４５。＋２２。／２）＋２ｘ２５ｔｇ（４５。＋２２。／２）＝１０７．２ｋＮ／ｍ基坑底部第二层土底部的土压力为ｅ２＝（２１．５ｘＯ．７＋１９．９ｘ５．２）ｔ９２（４５。＋２２。／２）＋２ｘ２５ｔｇ（４５。＋２２。／２）＝３３４．７圳／册对于基坑底部第三层土，为细中砂，层厚５．１ｍ，重度７＝２０ｋＮ／ｍ３，摩擦角缈＝３４。，ｃ－－Ｏ，基坑底部第三层土顶部的土压力为乞２’＝（２１．５ｘＯ．７＋１９．９ｘ５．２）ｔ９２（４５。＋３４。／２）＝４１９．３ｋＮ／ｍ基坑底部围护结构底部的土压力为０３＝（２１．５ｘＯ．７＋１９．９ｘ５．２＋１０ｘ２．１）ｔ９２（４５。＋３４。／２）＋ｌＯｘ２．１＝５１４．５ｋＮ／ｍ所以计算出的土的压力图见图３—１０。吕ｆｎＩ，、ｌ，、图３一１０围护结构两侧的土压力图（单位：ｋＮ／ｍ）假定计算每层支点力霉的基坑开挖深度忽是坑顶到下一层支点以下０．５ｍ－－１．０Ｉｎ。如图３—１１所示。３７北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算ＴＩ占占占占阻｝－Ｊｒ／／（＼垃靠１Ｋ．Ｉ币Ｉ缸０／‘＼｝Ｅｐ／‘／／√／｛图３一１１土压力等效计算简图故计算第一道支撑力石的计算深度是在第二道支撑点下０．５ｎｒｌ．ｏＩｎ，但计算最下一道支撑点的计算深度是基坑的底部。当各支点的位置已定，计算Ｚ时鬼已知，即可计算土压力零点距坑底的距离Ｙｉ和支撑力Ｚ，根据主动土压力强度与被动土压力强度相等的原则，可得：一”：上监７（Ｋｐ—Ｋ。）（３—１１）％为当前计算深度的主动土压力强度；对Ｅ点取矩，并令罗墨＝０，则：ｉ－Ｉ％（矗一％＋ｙ，）－Ｅｔｒ，（ｈ－Ｅｈ．＋只）】巧＝七（３－１２）ｈ—Ｅｈ．＋ｙｉｎ＝ｌ％＝％一∑Ｚ％为Ｅ点的支点反力，（３－１３）％＝瓷同时Ｘ＝（３－１４）（３－１５）嵌固深度，＝乃＋工，如果土层较差，则需要乘以１．１一１．２的系数。计算主动土压力与被动土压力的相等处的位置，可得土的主动土压力与被动土压力相等的距离是在基坑底部以下１．８米处。参照相关计算理论，以主动土压力与被动土压力相等处为支点，得到计算筒图（图３—１２）。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算ｇｆｎ叼Ｉ，、５ｌ图３＿１２围护结构计算简图（单位：ｋＮ／ｍ）３．２．２整体抗滑移稳定性验算板式支护结构和地基的整体滑动稳定性验算，通常采用通过墙底土层的圆弧滑动面计算。当墙底下地基土有软弱层时，尚应考虑可能发生的非圆弧滑动面情况。有渗流时，应计算渗流力的作用。采用圆弧滑动面验算板式支护结构和地基的整体抗滑动稳定性时，应注意板式支护结构一般有内支撑或外拉锚结构及墙面垂直的特点，不同于边坡稳定验算的圆弧滑动，滑动面的圆心一般在坑壁墙面上方，靠坑内侧附近。宜通过试算确定最危险的滑动面和最小安全系数，当不计支撑或拉锚力的作用，且考虑渗流力的作用时，整体抗滑动稳定性的容许最小安全系数应不小于１．２５；考虑支撑或拉锚力的作用时，整体稳定性可不做验算。３．２．３基坑抗倾覆稳定性验算抗倾覆稳定性又称踢脚稳定性，是验算最下道支撑以下的主动、被动土压力绕最下道支撑（拉锚）点的转动力矩是否平衡。当作用在支护结构上的主动土压力过大时，结构会绕着桩底部发生倾覆失稳，验算倾覆稳定时，对桩底部点取矩，使其满足：３９北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算玉０＝Ｍ抗倾覆／Ｍ倾覆≥１．５（３－１６）关于验算桩锚体系的抗倾覆稳定目前还没有完整的计算理论。现取桩间距范围内的一段桩土进行验算，由于有锚杆的作用，根据工程经验及理论分析，土的滑裂面应该出现在自由段和锚固段的交界处，故从桩底部与该交界面连线，取该区域内土体进行抗倾覆稳定验算。根据相关资料得，被动土压力系数按下式计算：Ｋｖ２‘丽再面ｃｏｓ丽９０】２（３一１７）式中万一桩土间的摩擦角（万＝二缈～：Ｉ－缈）。带入相关数据，对桩底部点取矩，使其满足Ｋ口－－Ｍ抗倾覆／Ｍ倾覆≥１．５取万＝ｉ１缈，又由于基坑底部的土较好，此时内摩擦角取４０。，求得的被动土压力系数比较符合实际，则：（３＿１８）酢＝‘丽毒蒜】２．¨２楔体自重，考虑桩与土的平均自重，取ｙ＝２０ＫＮ／ｍ３形＝２０ｘ１．５ｘ（５．１×２４．９一１１．２ｘ０．５ｘ５．１）＝２９５２．９ＫＮ主动土压力Ｅ扎５×［（三加２＋ｑｈ蜡（４５一争２ｃｈｔｇ（４５一争２哥３呲．７ＫＮ被动土压力Ｅｖ＝１－５ｘ［２Ｙｏｈ２Ｋ＋２幽√刁＝５２４１．５ＫＮ‘＝‰覆／Ｍ倾覆＝器＝１．７７＞１．５３．２．４基坑抗隆起稳定性验算满足要求。基坑工程的基底抗隆起稳定性分析具有保证基坑稳定性和控制变形的重要意义。同时，由于基底抗隆起性与支护墙体入土深度有着直接的关系，这对确定合适的墙体入土深度显得十分重要。一方面要足以保证不发生基底隆起破坏或过大的基底隆起变形：另一方面在保证稳定的基础上要尽量减小墙体入土深度，以达到经济合理的目的。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算基底抗隆起稳定的理论验算方法较多，本设计采用同时考虑ｃ、矽的抗隆起验算法，对于粘性土，将支护结构底平面作为求极限承载力的基准恧，参照Ｐｒａｎｄｔｌ地基承载力公式，可采用下式验算抗隆起安全系数：（３－１９）～“７Ｋ＝熙乃（ｈ＋Ｄ）＋９其中Ｄ一墙体插入深度；ｈ一基坑开挖深度；ｑ一地面超载；＾一坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权平均值；乃一坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值；Ⅳ口，Ⅳｃ一地基极限承载力的计算系数。％＝ｔａｎ２（４５＋詈）Ｐ。啪ｐ没考虑，故吒≥１．２～１．３。％＝（％一１）／ｔａｎ缈用本法验算抗隆起安全系数时，由于竖直土压作用面上的抗剪强度作用带入相关数据，墙体插入深度Ｄ＝Ｊ『＝８．４７ｍ，地面超载ｇ＝ＩＯＫＮ／ｍ２，坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权平均值７ｌ＝２０ＫＮ／ｍ２坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值厂２＝２０ＫＮ／ｍ２地基极限承载力的计算系数，妒＝２４．９。％＝ｔａｎ２（４５＋詈），咖＝１０．５％＝（％－１）／ｔａｎ伊＝２０．５则：Ｋ￡．：—７２万ＤＮ—ｑ－＋ｃＮｃ：３．１７≥１．２～１．３‘乃（』ｊｌ＋Ｄ）＋ｇ满足要求。…～’’根据基坑的受力计算基坑侧壁支撑的变形根据图３一１２，先设四根支撑每一点的变形大小，然后列平衡方程即可以得到基坑围护结构的最大变形。根据多种实际监测资料，不难知道支护结构的变形是呈中间大两头小的抛物线形状，但是具体用什么曲线可以描述，是一个比较复杂且多变的问题。此课题所依傍的工程对基坑的变形要求高，其抛物线的形状亦将很不明显，因此对此处基坑围护结构向基坑内变形的形状完全可以采用简化的直线予以表达。故假设基坑底处的位移最大（这也是与实际情况一致的），设为△，第一根支撑边的变形为０．２Ａ，两点变形之间假设为直线变化，如图３—１３所示。（注：４１北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算至于第一层支撑的变形假设值的取定是根据相应的监测资料予以假定的）色＇ｒ价Ｅｏｍｏ∞Ｅ图３一１３各层支撑处的位移由图３—１３计算可得第二根支撑处的变形为０．４６Ａ、第三根支撑处的变形为０．７Ａ、第三根支撑处的变形为０．８５Ａ，由支撑的刚度系数（第一层支撑的刚度系数为１０８．３３ＭＮ／ｍ２、第二三四层支撑的刚度系数为２１６．６７ＭＮ／ｍ２），根据图３—１２列方程可得Ａ＝０．６５ｒａｍ，Ａ显然与实际监测的支护体系的位移不符。究其原因：算式是在理想条件的前提下列出的，此处算得的变形即是支撑的纯粹受力变形，实际工程中的围护结构的变形已经由于时空效应以及施工中的诸多不可避免的因素发生了向基坑开挖方向的变形。为了使算得的结果更加符合实际，参照有关监测数据以及现场施工经验，引进一个数值为十的放大倍数，此放大倍数是根据相关监测数据得出的数值。于是，对于本工程基坑支护结构的最大变形为６．５ｒａｍ，则由于基坑支护结构与其背后土层变形的相容性，可知基坑支护结构背后土层的水平变形亦为６．５ｒｎｍ。此处地层的标高为一１８ｍ，与地铁中线大致处于一条水平线上，其相对位置如图３—１４．所示。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算口－＿品口口ｏ∞匿。二如詈８∞ｍ型Ｌｂ盟一图３一１４地铁与基坑之间的相对位置示意图（单位：ｍｍ）由于支护体系外部土层中设有局部加固体，此部分的主要作用就是协调土层上下的应力以使地铁隧道均匀受力。故计算基坑底部位置的地铁变形就能得到地铁其他水平面位置的变形。计算地铁周围土的水平位移采用同济大学提出的基坑周围土体水平位移场的简化计算模式。此简化模式的假定理论如下：（１）地铁隧道在水平方向的变形为主导（２）支护结构向基坑内的变形采用相关研究利用经验值予以修正（３）假设基坑围护结构与地铁之间地层的性质是一致的，土层厚度变化忽略不计，即分析中忽略个性夹层所造成的局部影响（４）假设地铁的存在对于地层水平方向的变形没有影响。且此理论计算的简化模式意味着在基坑底部位置，由于基坑围护结构水平向的变形引起的土体的影响范围为距基坑壁开挖深度范围内，此处的影响范围即是１８米。超过这一范围的土体的水平方向的位移即可以忽略不计，而在基坑开挖影响范围内土体水平方向的位移是线性变化的，由三角形比例关系可得：此变化关系如图３—１５所示。４３北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算ｏ口ｏ∞一．≤垣Ｕｊ１占∞詈８００图３—１５基坑周围土体水平位移变化示意图（单位：ｍｉｌｌ）地铁靠近基坑一侧的土层的变形大小为６．５ｒａｍｘ（１８０００－８００－５６８７）／１８０００＝４．２ｒａｍ另一侧的变形为６．５ｒａｍｘ（１８０００－８００－５６８７－６０００）／１８０００＝２．０ｒａｍ则地铁的变形即是地铁隧道左右两侧土体位移的位移之差，故地铁隧道的变形大小为４．２ｒａｍ一２．Ｏｍｍ＝２．２ｒａｍ作用在地铁上的荷载可以通过地铁周围土层的Ｋ值求出。经过计算对比可知，在地铁隧道所处的土体中一共有两种土层。上半部分的土层为卵石圆砾层，厚度为３２３４ｍｍ，其Ｋ值大小为８００００ｋＮ／ｍ３；下半部分的土层为粉质粘土，这一部分土层的厚度为３０８７ｒｎｍ，其Ｋ值大小为４２０００ｋＮ／ｍ３。由于土层两侧的变形差值为２．２ｍｍ，故作用在地铁隧道上面的单位长度上面的附加荷载为８００００五：Ⅳ／坍３ｘ１．０ｍｘ２．２ｘ１０～ｎｌ＝１７６ｋＮ／ｍ４２０００ｋＮ／ｍ３ｘ１．０ｒｅｘ２．２ｘｌＯ—ｍ＝９２埘／小故作用在单位长度地铁隧道上的附加荷载如图３—１６所示。北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的理论计算图３一１６作用在地铁隧道上的附加荷载图表３—２土层及隧道位移支护结构最大变形６．５（单位：ｒｌｌＹｆｌ）靠近基坑侧土层变形４．２远离基坑侧土层变形２．０地铁隧道变形２．２表３—３隧道单位长度附加荷载（单位：ｋＮ／ｍ）作用上半土层的附加荷载１７６作用下半土层的附加荷载９２本节对基坑开挖的影响在宏观上进行了一个初步的认识，对其各种复杂问题进行了一个小的总结。同时，为了增加对问题解决的可行性，便在满足抓住主要矛盾要求的基础上对问题进行了一系列简化。随之，对已有研究人员的科研成果以及相关理论进行了一个概要性的介绍。其中对于朗肯土压力理论以及计算公式进行了一个比较详尽的介绍。最后针对这一问题进行了具体计算，对所算得的结果予以客观评证，运用相关监测数据对计算结果进行修正，以使结果更加合理更加接近于实际。之后，运用同济大学关于基坑附近土层水平位移的简化模式算出基坑两侧土层的位移，通过位移的差值就得可以算出作用在地铁隧道上的荷载，也就进而完成了相关的计算要求。本节中的局部计算用到了经验依据进行修正，对于此种修正的依据，希望可以通过监测统计得出更令人信服的数值选取。４５北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算４基坑开挖对隧道影晌的数值计算４．１数值模拟方法弹塑性模型岩土分析与一般的结构分析有较大差异。一般的结构分析注重荷载的不确定性，在分析时会加载各种荷载，然后对分析结果进行各种组合，最后取各组合中最不利的结果进行设计。岩土分析注重的是施工阶段和材料的不确定性，所以决定岩土的物理状态显得格外重要。在本文中，对于隧道的有限元模拟尽量使用实体单元真实模拟围岩的状态以及地基应力状态，并且尽量真实地模拟施工阶段开挖过程，从而得ＮＬＶ，较真实的结果。线弹性分析一般是分析变形能力，而弹塑性分析能够同时分析稳定性和变形能力。变形能力由弹性特性和剪切特性决定，荷载作用大于剪切强度时围岩将产生塑性区域，随着塑性区域的发展最后达到破坏状态，但是不能说产生了塑性区域结构就一定不稳定，因为被弹性区域包围的塑性区域不能生成破坏面，这样的局部破坏不一定会发展成为整体破坏。根据围岩的特点，本文采用弹塑性模型来分析围岩的位移和受力状况。作为一种弹塑性材料，围岩在荷载作用下产生的应变包括弹性应变和塑性应变：￡＝芝‘＋￡，（４——１）式中：占一总应变，ｆｆ。一弹性应变，一塑性应变４．１．１相关准则ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ软件在对隧道开挖模型进行有限元计算时，会用到一些标准与准则，对其中最主要的标准和准则为：（１）屈服标准：定义弹性区域的边界的屈服函数（或者荷载函数）Ｆ，（堡，至，签）＝ａ，（ｏ－，￡，）一ｒ（占ｐ）≤０式中，仃一当前的应力吒一等效或有效应力北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算ｒ一占ｐ的硬化因子ｇｐ一等效塑性应变由于塑性理论中屈服函数的值为正的应力状态是不存在的，ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ在对隧道模型的有限元计算过程中，塑性变形逐渐累加直到屈服函数减少到零时，应力状态将不断修正，即进行塑性修正（ｐｌａｓｔｉｃｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）。（２）莫尔一库仑准则本文在隧道数值模拟中，围岩均采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ材料。莫尔的破坏包络线是直线，直线包络线的方程为：Ｈ＝ｃ＋口ｒｔａｎ＃在此，ｃ，≯一材料的强度参数ｃ一粘聚力≯一内摩擦角将莫尔一库仑用主应力（ｑ＞吒＞ｑ）表达，可得：。２ｃｃｏｓ＃’２ｃｃｏｓ＃ｑ—（１－ｓ—ｉｎ＃）一吒幽：１Ｌ（４－２）将式（４．之）用应力不变量‘，以以及岛表达如下：肌以，Ｏｏ）一三‘ｓｉｎ矿＋仃ｓｉｎ（Ｏｏ＋争去压ｃｏｓ（ａｏ＋尹７１＂ｓｉｎｈ州：一Ｉ，ｓｉｎ＃＋３（１＋ｓｉｎ＃）ｓｉｎｏｏ＋，ｆ３（３－ｓｉｎ＃）ｃｏｓ００—＝０ｊｌ√万－３ｃｃｏｓ矽莫尔一库仑破坏准则在土质材料的分析上有两个主要缺点：第一是第二主应力对破坏没有影响的假设与试验结果不相符；第二是莫尔图形的子午线和破坏包络线是直线，内摩擦角矽不随约束压力（或者静水压力）变化。所以当约束压力在限制范围内时，该准则结果准确；但是当约束压力在限制范围以外时，准确性将会降低。另外，破坏面上有角点，所以在数值分析上有些困难。因为该准则在实用的约束压力范围内具有较高的准确性，并且使用简单，所以在岩土分析中被广泛应用。４７薹堕茎笙型堕壅墅堕塑垫篁盐簦北京交通大学硕士学位堡兰Ｌ————————————————————————●——，———＇＿＿—Ｊ－－●－＿—－＿－－—＿＿＇－＿＿＿—＿＿＿————————————一…一４一ｌＭｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ与Ｄｍｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ屈服准则４．１．２ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ软件单元介绍本文中的模型均为二维模型，用到的ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ中模型的单元类型主要有：平面应变单元（２Ｄ（１）梁单元ＰｌａｎｅＳｔｒａｉｎＥｌｅｍｅｎｔ）、梁单元（ＢｅａｍＥｌｅｍｅｎｔ）ＧＴＳ中的梁单元具有抗拉、抗压、抗剪、抗弯、抗扭刚度。下面简单介绍Ｘ－Ｚ平面上的二维梁单元的有限元方程。单元的位移如下：“：ｚ统（工）ａｎｄｗ＝从功（４－－３）其中，Ｕ—ｘ方向位移Ｚ—ｚ方向坐标成一对ｙ轴的旋转位移Ｗ—ｚ方向位移应变和曲率如下：Ｏｕ８８。毛２‘５磊≈蔷≈ｑ（４－４）以＝％＝考＋岛其中，毛一弯曲应变九一剪切应变ｒ，一对ｙ轴的曲率北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算弯矩和曲率、剪力和剪切应变的关系如下：Ｍ，＝见ｂ＝孚Ｌｆ—ｎ，一８ｐｙＥｌＫ＝织比＝Ｇ４比其中，见一抗弯刚度皿一抗剪刚度Ｅ一弹性模量Ｉ一惯性矩Ｇ一剪变模量４一剪切面积两节点梁单元旋转位移的形函数如下：ｐｙ＝ＮＬｐｎ＋Ｎ２ｐｙ２＋Ｎ｝厶ｐ一川＝半，Ⅳ２：半，Ⅳ３：１一孝ｚ使用上面的形函数计算曲率如下：‘＝警矽。＋ｉａＮ２一－：＋警峨，叫卅（嚣只－＋等岛ｚ＋等峨，）厂＝／’１ｌ０Ｌ盟。鸳＋，一Ｏ管Ｎ３Ａ叫－３＝Ｂｂ一＋Ｂｂ～Ｂ△ｐ婚其中，‘，２妻＝三２为雅可比算子。另外，剪切应变计算公式如下：丁一兰一１跏ｙ一见扩岛＇，＝—Ｊｏ＝一————‘＝——￡————上Ｉ‘ＤｓＤｓａ％Ｄｓａ毋旋转角度成用单元长度的二次方程表现如下：辟＝（ｔ一手）＂詈耵４舡季）峨，将公式（４．＿９）代入（４—８）可得剪切应变公式如下：忑‰峨，一；九够，，唬＝象詈＝器４９（４—５）（４—７）（４—．８）（４—１０）—————————————————————————————————————————————————一一一：一：一：：：＝：：：：：：＝＝：：：：剪切应变应满足下列条件：些室銮望奎堂堡主童丝论文基坑开挖对隧道影响的数值计算ｆ蛇一乃出＝０也就是说满足下列条件：（４—１１）啦一ｗ＋圭ｐ。＋丢岛：＋；，（１＋九）△岛，梁单元内节点的旋转角公式如下：Ａｐ，，＝Ａｕ（４一１２）３…１～［一ｌ。一爿Ａ＝磁４刭（４一１３）（４一１４）（４一１５）‰２‰２弘圳，Ａ２Ｉｏ一主。一圭ｌ‰＝‰争圳如［。一言。一匀由（４．一８）和（４－一１０）可得曲率和剪切应变公式如下：‘２Ｂｂｐｕ＋Ｂｂ山ｅＡｕ＝（％甜＋‰彳）“＝忍材比＝忍筇彳甜＝【忍邵彳）“＝忍砧其中，色，Ｅ分别是曲率一位移、剪切应变．位移关系矩阵：刚度矩阵如下：Ｋ＝Ｋｂ七ＫＫｂ＝支磷ＤｂＢ癍，Ｋｓ＝支ＢｓＴＤｓＢｓａｘ刚度矩阵的代数表达式如下：１２，３６Ｚ２１２，３Ｋ：旦（１＋绣）Ｓｙｍ知鲁）詈１２，３一●１一，（４—１６）一，』产』２旦尸簋４（２）平面应变单元（２ＤＰｌａｎｅＳｔｒａｉｎＥｌｅｍｅｎｔ）ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ中使用等参数平面应变理论建立平面应变单元的平衡方程。平面应变单元的平衡方程如下：ｆ工曰，删脚，∥姒叫∥比＋只其中：（Ｈ７）北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算盟ｒ１５ｏＢ＝ｏ己三￡盟玉ｏｏ盟砂竖咖。盟知玉恐弗（４－一１９）ｏ盟砂雅可比矩阵如下：盟砂。叭ｉ￡．，＝Ｉ＼ａｂｃ｜ａ乏ｅｌａｎ］一ａＮ，盟￡一ｃ３Ｎ．ｐ８专８考ａ专一一厶一Ｏｒ／Ｏｒ／ａ刁乃Ｍｙ叩Ｌ缸／ａ，７砂／刮２．ａ—Ｎ，８Ｎ２Ｔ烈ＩｌＰＭＸ叩（４—－２０）平面应变单元的数值积分公式如下：‘Ｐｒ删州菁彰Ｂ乃ｍ％』Ｊ－ｌｌ（４－２１）１４一夕ｌ其中，噬，，职－，：积分点的孝、，７方向上的权重值。４．２数值模型的建立４．２．１基坑开挖荷载的模拟数值模拟基坑开挖时，合理的确定开挖荷载是进行基坑开挖支护过程数值模拟的关键问题之一，也是在开挖前进行分析的关键。所谓开挖等效荷载，实际上就是被挖除土体与剩余土体之间的相互作用力。开挖前土体处于平衡状态，在开挖面上的应力完全释放，成为应力自由面。对于开挖荷载，许多学者提出了计算５ｌ北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算方法，如参考文献［２２，２３］提出了不排水情况下较为合理的开挖荷载一般计算方法，其计算公式为：｛ｆ）＝ｎＢｒ｛ｏ＇｝ｄｖ－工【Ｎ】’｝ｄＤ（４－－２２）式中：｛ｆ｝为基坑等效开挖荷载列向量，它与开挖区域的土体应力状态以及自重有关：｛ｆ｝为应变矩阵；｛盯｝为土体应力列向量；【Ｎ】为形函数矩阵；｛口｝为单位土体自重列向量；Ｄ为开挖区域【笠，２３１。本文在进行数值模拟时，先对基坑开挖影响边界范围内土体进行平衡运算，这样形成开挖前的土体应力，在基坑开挖时，会形成相应的开挖荷载。４．２．２基坑开挖的计算范围基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和土质条件等因素。在确定计算边界时，通常根据土层相对坚硬性确定下边界，例如在几十米的粘土层下的弱风化岩石可以作为位移为零的计算边界，ＦｒｄｅＨ．ｋｕｌｈａｗｙ认为：当下层材料的变形模量为上层材料的５００至１０００倍时，则可以取接触面处为计算的边界。如果没有合适的坚硬层，则须通过试算确定开挖的主要影响区，以定出合适的边界。本论文选取的计算范围为：取竖直方向（Ｚ方向）分析的深度为８０ｍ，取水平长度为基坑一边外各向两侧延伸５０ｍ，从而构成了一个１３０ｍ×８０ｍ矩形求解区域。４．２．３模型基本假定及建模基本说明１）材料采用摩尔一库仑准则、大应变变形模型计算；２）假定地表和各土层均成层均质水平分布，土层参数见（３一１）表；３）对横撑、桩和衬砌采用梁单元模拟；４）对基坑开挖及其支护的方法进行模拟；５）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；６）不考虑地下水在开挖过程中的影响；７）计算建模时，对洞周及关心的部位加密网格剖分；４．２．４计算模型整个模型计算范围为１３０ｒｅＸ￥Ｏｍ（长×高），计算模型网格划分如图４．＿２所示，北京交通大学碗士学位论文基坑开挖对隧遵影响的数值计算２６６２个单元，２６３１个节点４．２５计算区域边界条件的确定由于模拟的是整个基坑开挖影响区域，且计算区域范围足够大，可以认为在模型的侧面没有水平位移，底面固定。故计算模型的位移边界条件为：顶面为自由边界，侧面水平方向固定，底面水平和垂直方向都固定。数值模拟模型的建立：（１）基坑：宽３０ｍ，开挖深度为１８ｍ。开挖部分采用ＭＩＤＡＳ－ＧＴＳ软件中的钝化单元命令来实现，从而形成被开挖的基坑。（２）钻孔灌注桩：采用Ｅ＝３０ｅ４ＭＰａ，ｐ＝０．３，半径为４００ｎｕｎ的粱单元进行模拟，这里Ｅ为弹性模量，ｕ为泊松比。（３）横向支撑：采用Ｅ＿２ｌｅ４ＭＰａ，ｐ＝ｏ２２，外径为６１０ｍｌｎ，厚度为１２ｒａｍ的粱单元进行模拟。北京交通人学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算图４—３横向支撑及钻孔灌注桩结构图（４）隧道衬砌：隧道平行于基坑的一边布置，为钢筋混凝土管，壁厚为５００ｒｍｎ，其弹性模量和泊松比分别为：Ｅ＝２．Ｏｅ４ＭＰａ，ｕ＝０２３。采用线性粱单元模拟。所建模型如下：图４—４隧道衬砌结构图（５）工程土体的计算参数：由于本工程的土层较多，所以做到完全的模拟是很难的，因此对土层进行了北京变通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的鼓值计算相应的简化，简化后的土层参数如表３一ｌ所示。４．２６开挖假定和分步开挖对深基坑开挖采用如下假定：基坑开挖一般属临时性工程，工期较短，故按不排水条件进行总应力分析。，ｆ挖采用分步开挖法。４．２７基坑分步开挖过程模拟计算按照以下掩工过程进行：第１次开挖基坑土体——架设第ｌ道钢支撑——第２次开挖基坑土体——架设第２道钢支撑——第３开挖基坑土体——架设第３钢支撑——第４开挖基坑土体——架设第４支撑——基坑开挖完成图４—５第１次开挖基坑计算模型北京变通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算图４—６基坑开挖完成时计算模型４．３基坑围护结构方案设计结构设计计算原则（１）根据本基坑周围的环境条件，主要是东侧ｌ临近地铁隧道的情况，基坑侧壁安全等级为一级，重要性系数按１ｌ取用；（２）允许尉护结构最大水平位移需根据地铁隧道的允许变形确定。（３）根据业丰提供的国贸三期变电站岩土工程勘查报告，地下水位在基坑底附近，围护结构上只作用土压力及地面超载产生的侧压力，二者按朗金主动土压力计算；（４）围护桩在施工阶段的控制工况下按强度控制设计，不验算裂缝宽度；（５）基坑顶地面超载不超过２０ＫＰａ．地层的物理力学指标依据工程地质勘察报告取值。４３１围护结构计算由于摹坑丌挖会使丌挖面以下的土层发生竖向卸载，从而产生隆起，并降低受扰动土层的强度。因此考虑对基坑临近地铁隧道一侧国护桩内侧基坑底阻Ｆ３ｍ北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算范围内的粉质粘土⑥层进行旋喷桩加固，加固在基坑开挖前从地面进行。考虑加固后的土体强度至少恢复到扰动前的初始强度。４．３．２基坑中部直撑部分围护结构计算（１）基本情况ｄ＝０．８灌注桩共设４道支撑，见下表表４－１支撑情况简表中心标高（ｍ）．１．４．６．８．１１．８．１４．８刚度（ＭＮ／ｍ２）１０８．３３２１６．６７２１６．６７２１６．６７预加轴力（ｋＮ／ｍ）５０２００２５０３００基坑附近有附加荷载如下表和下图所示。５７北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算表４－一２附加荷载简表ｈＸｌＯ．８９０Ｓ（２）工况简图如下：工况ｌ一～Ｒ＿工况３工况４１２Ｒ－工况５工况６工况７工况８ｌＲｉ７工况９图４＾７工况简图４．４基坑施工对地铁区间隧道的影响分析（１）计算模型建模原则首先应该指出的是，期望采用数值分析模型绝对准确地模拟复杂的基坑施工过程引起的临近地层及地铁隧道的影响是困难的，这与复杂多变的岩土参数、北京交通大学硕十学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算基坑施工参数等在一定程度的变异性密切相关。但是，由于基坑开挖引起的周围地层的应力、应变场是连续的，可以通过数值分析可以得出基坑围护结构的变形与周围地层及地铁隧道变形的相对关系，从而了解基坑开挖对临近地铁隧道的影响程度。此次数值分析建模计算原则如下：１）根据工程特点，采用二维平面应变数值模型；２）分别就基坑开挖全过程对地铁隧道的影响进行建模计算，考虑各施工阶段结构内力和变形的继承性和连续性；ｍ…Ｔ——一——左——————————————————｛士￡上壬图４—８围护结构和地铁隧道的水平位移简图．¨．¨ｒ裟黧罴黧鬻＝罴瀑——兰２＝＝＝＝－出－二ｉｉＥ翁；＿幽４—９地铁隧道的水平位移图北京交通大学硕士学位论文基坑开挖肘隧道影响的数值计算“ｑｎｎ“ＨＨ｛Ｊｏｉ０Ｑ谛图４—１０基坑开挖完成后的弯矩图Ｊ●６ｏ虢裟裟黧黑器罴竺嚣竺嚣怒嚣鬈Ｊ幽４＿－１１基坑开挖完成后的剪力图北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算圈４＿＿１２水平位移云图图４一１３基坑开挖完成后的塑性厩图通过数值模拟计算，可以得出下列结论（１）在基坑丌挖过程中，围护结构的变形主要为向基坑内侧的水平位移，展大值发生在坑底；由支护结构的位移模式可以看出，随着隧道的开挖，隧道上部北京交通大学硕士学位论文基坑开挖对隧道影响的数值计算有远离基坑的趋势。有两个原因可能导致此结果：一是基坑的开挖，会引起土体的上抬，这会引起土体往上、往两边移动的趋势；；二是由于隧道的拱项部位于基坑的底部，并且由于钢撑的支撑作用，导致隧道的拱顶部有远离基坑的趋势，且隧道的最大位移发生在拱顶部。（２）围护结构的最大弯矩产生在基坑的底部。（３）衬砌的弯矩反应了土体的运动方向。由于基坑的开挖，隧道上方的岩土有向上、向基坑内侧移动的趋势，即在此方向上衬砌被挤压，故产生如图形式的弯矩。北京交通大学硕士学位论文数值结果与理论结果的对比分析５．数值结果与理论结果的对比分析通过数值模拟软件计算得出邻近开挖基坑的地铁隧道的变形如下图——＝±：：＝＝；—－二ｉｉｉｉ＿一ｉ图５一ｌ地铁隧道的水平位移图可以看出通过数值模拟计算得出的隧道水平位移的最大值为３．８ｍｍ，发生在隧道的拱顶部，而通过理论计算得出的地铗隧道的位移为２．２ｒａｍ，通过对比可以看出数值模拟求得的最大位移略大于理论计算得出的结果，理论分析结果与数值模拟结果在趋势上是一致的，但具体数值之间仍存在着略微的差异。究其原因，有如下几点：（１）理论分析中所采用的简化方法难免会有与实际情况不同之处。毕竟理论分析采用的都是简化的模型，不可能完全按照实际的问题进行求解。这些简化，其主要原则是抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，将细枝末节去除，采用比较合理的方法施以适当的简化，以使问题有利于计算，有利于理论分析的要求。但是，简化毕竟是简化，简化后的问题不可能与实际完全相符。尤其对于此类工程，在基坑周围有许多的特殊细节（如个别性质差的土体等）尚不全知，采用简化模型计算得出的结论与实际结果差异也是在所难免。（２）在数值模拟过程中对于诸多问题（例如土层）也都相应的进行了简化。尤其是对于各种土层中参数的确定也是存在着一定的近似性。并且对于数值模拟中的建模过程中，也不可避免的采用各种简化。例如对有些设施（如灌注桩）的北京交通大学硕士学位论文数值结果与理论结果的对比分析模拟，所以这也就影响了模拟结果。从而对结果产生了一定的影响。（３）对于理论分析方法的选择也是一个问题。因为对于基坑开挖周围的土体的影响分析尚没有一个比较合理的模型，并且一切都在探索摸索之中。理论分析方法的局限性也是影响其计算结果的一大原因。总之，可以看出，理论分析结果与数值模拟结果之间有一定的近似性。但就具体数值而言，确实存在一定的差异，这也是在理论分析与数值模拟简化的诸多简化下所不能逃避的现实。但是，本课题的研究对于相应的相关类型工程的研究提出了一个比较好的研究思路，这对于工程界中存在的越来越多的类似问题的研究还是有一定的参考意义的。北京交通大学硕士学位论文结论６结论本文以某邻近既有运营地铁隧道的基坑工程为研究对象，总结分析了基坑支护体系的施工情况，并分别应用理论计算方法和数值模拟计算方法分析基坑施工全过程对围护结构内力、围护结构水平位移、邻近隧道变形等随基坑开挖深度加深的影响规律，根据已有的工程实际资料，探讨了利用理论分析方法和数值模拟计算方法的对分析结果的不同，并进行对比分析。本文的主要结论如下：（１）在基坑围护结构的设计中，基坑除满足自身的稳定和安全外，如果基坑周围有重要建筑，还需要对基坑的围护结构的变形加以控制，本文在分析基坑工程设计的常有理论的基础上，讨论了各种理论在基坑工程设计中的实用性及基工程对邻近建筑物如地下管线、建（构）筑物以及邻近地铁隧道的变形影响，建立基坑一土体一隧道一体化的力学模型，确定基坑开挖工程的分析模型。（２）理论分析结果与数值模拟结果在趋势上是一致的，但具体数值之间还是存在着略微的差异。究其原因有很多方面，如理论分析的假定构思太理想，与实际有偏差，数值模拟诸多简化也会增大误差．但是其之间存在差异也是不可避免的，都是对实际工程的简化。（３）通过数值模拟计算得出隧道上半部产生远离基坑的位移趋势，且最大位移产生在的隧道的拱顶部，最大值为３．８ｍｍ，隧道下半部产生靠近基坑的位移趋势，且最大位移产生在隧道的拱底部，最大值为１．４ｍｍ。（４）对于理论计算分析，有诸多的前提假定，主要原则是抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，将细枝末节去除，采用比较合理的方法施以适当的简化，以使问题有利于计算，有利于理论分析的要求。但简化后的问题可能与实际不完全相符。尤其对于此类工程，在基坑周围不知有多少的特殊细节（如个别性质差的土体等）尚不全知，采用简化模型计算得出的结论与实际结果差异也是在所难免。（５）地铁隧道是城市的生命线工程，地铁隧道的保护是十分重要的。在现有规范没有详细规定的情况下，对于邻近地铁隧道旁进行基坑开挖工程，应根据实际情况，进行精心的推敲、严格论证和多方法进行预测分析。北京交通大学硕士学位论文参考文献参考文献【ｌ】钱七虎，迎接我国城市地下空间开发高潮｛Ｊ）岩土工程学报，１９９８（１）：ｌ１２—１１３【２】侯学渊，刘国彬，黄院雄．城市基坑工程发展的几点看法．施工技术，２０００，２９（１）：５７【３】宋二祥，方东平．软土地基深基坑支护变形分析．隧道及地下工程，１９９７，１８（３）ｌ—２ｔ４］孙钧．市区基坑开挖施工的环境土工问题．地下空间．１９９９．１９（４）【５］张鸿儒，侯学渊，夏明耀．深基坑开挖对周围工程设施的影响预测．北方交通大学学报，１９９６，Ｖ０１．２０（２）：２－－３【６］唐孟雄，赵锡宏．深基坑地表沉降及变形分析．建筑科学，１９９６（４）：１－－２【７］陈志龙，曹继勇．深基坑周围地表沉降分析．岩土工程技术．１９９９（４）【８］俞建霖，赵荣欣，龚晓南．软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究．浙江大学学报（自然科学版），１９９８，Ｖ０１．３２（１）：９５—１０１【９］简艳春．软土基坑变形估算及其影响因素研究．河海大学硕士学位论文．２００１，３【ｉｏ］徐方京．影响基坑变形的因素及坑外地层移动影响的范围．岩土工程，１９９２，ｖ０１．２３（１）：３０—３５【１１］俞建霖、龚晓楠．深基坑工程的空间性状分析，岩土工程学报．１９９９，２ｌ（１）：３—４【１２］ＰｅｅｋＩＬＢ．ＤｅｅｐＥｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇＩｎＳｏｆｔＧｒｏｕｎｄ．ＩＣＳＭＦＥ，ＳｔａｔｏｆｔｈｅＡｒｔＶｏｌｕｍｅ，１９６９，２２，一２９０【１３］Ｂｏｓｃａｒｄｉｎ，Ｍ．Ｄ．，ａｎｄＣｏｒｄｉｎｇ，Ｅ．Ｊ．（１９８９）．Ｂｕｉｌｄｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｅｘｃａｖａｔｉｏｎ—ｉｎｄｕｃｅｄ８ｅｔｔｌｃｍｅｌｌｔ．Ｊ．Ｇｅｏｔｅｅｈ．Ｅｎｇ．，１１５．１Ｊ１—２ｌ【１４］Ｂｒｙｓｏｎ，ＬｉｎｄｓｅｙＳｅｂａｓｉａｎ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｓｆｉｆｆｅｘｃａｖａｆｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｉｎｓｏｆｔｃｌａｙａｎｄｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｎａｄｊａｃｅｎｔｂｕｉｌｄｉｎｇ．ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｈ．Ｄ．２００２：５２—缶８７【１５］陈华根，董荣鑫．基坑施工时地面沉降的分析与估算．长春科技大学学报．１９９９，２（２）Ｈ【１６］唐孟雄，赵锡宏．深基坑周围地表任意点移动变形计算及应用．同济大报，１９９６，２４＜３）：【１７］李佳川、夏明耀地下连续墙深墓坑开挖与纵向地下管线保护，同济大学学报．１９９５，２３（５）【１８］李大勇，龚晓南．软土地基深基坑工程邻近柔性接口地下管线的性状分析．土木工程学２００３，ｌｌ（６）【１９］ｌａｍｅ．ｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．ＳｏｉｌｓａｎｄＦｏｕｎｄ．１９７０，１０（３）：５０—七５【２０］ＪＥＢｏｗｌｅｓ．ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ（３ｒｄ）．ＭｃＧｎａｗ—ＨｉｌｌＢｏｏｋ北京交通大学硕士学位论文参考文献Ｃｏｍｐａｎｙ，１９８２，５１６－５４４【２１］Ｐｅｃｋ．ＤｅｅｐＭｅｃｈａｎｉｃｓＥｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎＳｏｆｔＧｒｏｕｎｄ．Ｐｒｏｃ．７ｔｈＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＳｏｉｌａｎｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＭｅｘｉｃｏＣｉｔｙ：Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ—ＡｒｔＪ，ＰｅｃｋｎｏｌｄＤＡ．ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｆｉｎｉｔｅＲｅｐｏｒｔｓ，１９６９，３：１８５－－２０２【２２】ＧｈａｂｏｕｓｓｉｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙａｌｔｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ２０６４ＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８４，２０（６）：２０５１～【２３】ＢｒｏｗｎＰＴ，ＢｏｏｋｅｒＪＲ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｅｓ，１９８５，ｌ（３）：２０７－－２２０Ｔｅｒｚａｇｈｉ，Ｋ．＆Ｐｅｃｋ，Ｒ．Ｂ．ＳｏｉｌＰｒａｃｔｉｃｅ．１９６７ＭｅｃｈａｎｉｃｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ【２４１刘纯洁．地铁车站深基坑位移全过程控制与基坑邻近隧道保护【Ｃ】．同济大学博士学位论文．２００５．５【２４】于学馥著．现代工程岩土力学基础【Ｍ】．北京：科学出版社，１９９５【２６］李广信．高等土力学．清华大学出版社．２００４【２７］孙凯，许振刚等．深基坑的施工监测及其数值模拟分析，岩石力学与工程学报，２００４，２３（２）２９３－２９８【２８］Ｍｏ，ＹＬ＆Ｈｗａｎｇ，Ｊ．Ｍ．ＳｅｉｓｍｉｃＤｅｅｐＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＢｕｉｌｄｉｎｇｓＣｌｏｓｅｔｏＥｘｃａｖａｔｉｏｎ．ＣｏｍｐｕｔｅｒＭｅｔｈｏｄｓｉｎＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１９９７，１４５：１ｌ’卜１３４ｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅ【２９］Ｃ．Ｙ．Ｏｉｌ，Ｐ．Ｇ．ＨｓｉｅｎａｎｄＤ．Ｃ．Ｃｈｉｏｕ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，Ｃａｎ．Ｇｅｏｔｅｃｈ．Ｊ．３０，７５８—－７６７．１９９３【３０］ｃ．Ｙ．ＣｈａｎｇａｎｄＪ．Ｍ．Ｄａｎｅａｎ：＂Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｉｌｍｏｖｅｍｅｎｔｓａｒｏｕｎｄａｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎ＂．ＡＳＣＥ，ＳＭ５，１９７０【３１］Ｓｈｅｎ，Ｃ．Ｋ＆Ｂａｎｇ，Ｓ．＆Ｈｅｒｒｍａｎ，Ｌ．Ｒ．ＧｒｏｕｎｄＭｏｖｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥａｒｔｈＳｕｐｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍ．Ｊ．Ｇｏｏｔｅｃｈ．Ｅｎｇ．Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＡＳＣＥ，１９８１，１０７（１２）１６０９—１６２３【３２］李广信．高等土力学．清华大学出版社．２００４【３３】朱蕾，叶耀东，张柏平．紧邻地铁运营线路的深基坑施Ｉ［Ｊ１．建筑技术开发．２００４，２（２）［３４１中华人民共和国建设部．建筑地基基础设计规范（ＧＢ５０００７．２００２）［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００２【３５】中华人民共和国行业规程编写组．建筑基坑支护技术规程（ＪＧＪｌ２０－９９）［Ｓ］：１匕京：中国建筑工业出版社，１９９９【３６］廖少明，刘建航．邻近建筑及设施的保护技术．基坑工程手册，北京：中国建筑工业出版社，１９９７【３７】ＲｉｃｈａｒｄＪ．Ｆｉｎｎｏ，ＭｉｃｈｅｌｅＣａｌｖｅｌｌｏ，ＳｅｂａｓｔｉａｎＥｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＣｈｉｃａｇｏ－ＳｔａｔｅＳｕｂｗａｙＲｅｎｏｖａｔｉｏｎＬ．Ｂｒｙｓｏｎ．ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｔｓＥｆｆｅｃｔＯｎｏｆｔｈｅＰｒｏｊｅｃｔａｎｄＡｄｊａｃｅｎｔＳｔｒｕｃｔｍｅｓ．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｆｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００２６７北京交通大学硕士学位论文参考文献【３８］史佩栋．深基坑工程技术现状（上，下）．建筑施工，１９９８：３－４【３９］李大勇，吕爱钟，曾庆军．内撑式基坑工程周围地下管线的性状分析．岩石力学与工程学报，２００４Ｖ０１．２３（４）：６８２－－－－６８７【４０】余志成，施文华．深基坑支护设计与施工．中国建筑工业出版社．１９７７：３１叫７．９５．９８，１９６－２１２［４１］ＪＥＢｏｗｌｅｓ．ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ．ＭｃＧｒａｗ－ＨｉｌｌＢｏｏｋＣｏｍｐａｎｙ，１９８２，５１６－．５４４【４２］ＨｏｌｔｚＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲ…ＤＳｔｒｅｓｓＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆＳｈａｌｌｏｗＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＨａｎｄｂｏｏｋ，Ｆａｎｇ，ｅｄ．ＶａｎＮｏｓｔｒａｎｄＨ．ＧＰｉｌｅｓＲｅｉｎｈｏｌｄ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９９１，１６６－２１６【４３】ＰｏｕｌｏｓＳｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏＥｘｔｅｒｎａｌｌｙ－ＩｍｐｏｓｅｄＳｏｉｌＭｏｖｅｍｅｎｔ［Ｒ］．Ｎｏ．Ｒ６８９．ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｙｄｎｅｙ，１９９４【４４】ＰｏｕｌｏｓＨ．ＧＣｈｅｎＭｏｖｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ【４５】ＰｏｕｌｏｓＨ．ＧＬ．Ｔ．．ＰｉｌｅＲｅｓｐｏｎｓｅｄｕｅｔｏＥｘｃａｖａｔｉｏｎ—ＩｎｄｕｃｅｄＬａｔｅｒａｌＳｏｉｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＧｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，１９９７，１２３（２），９４－９９ＵｍｕｐｐｏｒｔｅｄＥｘｃａｖａｔｉｏｎ－ＩｎｄｕｃｅｄＬａｔｅｒａｌＳｏｉｌＣｈｅｎＬ．Ｔ．．ＰｉｌｅＲｅｓｐｏｎｓｅｄｕｅｔｏＭｏｖｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＣａｎａｄｉａｎＧｅｏｔｅｃｉｍｉｃａｌ【４６］ＣｈａｎｇｙｕｉｎＯｕ．，ＲｉｃｈａｒｄＪｏｕｒｎａｌ，１９９６，ｖ０１．３３，６７０－６７７ｄｕｒｉｎｇＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇａｔＣＨ２１８Ｎ．，场Ｗｅｉｊｕｎｇ。ＳｕｒｆａｃｅＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ，１９９８，３５（１）：１５９－１６８Ｔａｉｐｅｉ［Ｊ］．ＣａｎａｄｉａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ［４７］ＮａｔｈＰ．．ＧｒｏｕｎｄＭｏｖｅｍｅｎｔ［Ｒ］．ＡＳＣＥ．１９７０，ＳＭ５：３８５．３９６【４８］ＢｏｗｌｅｓＪ—ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ［Ｒ］．ＭｃＧ—Ｈ．，１９９０，８０３－８０６［４９１如Ｊ建飞，白永兵．深基坑开挖对周围环境的影响【【Ｊ】．河北工程技术职业学院学报，２００３，１５（４）【５０】曾国熙，潘秋元．软粘土地基基坑开挖性状的研究【Ｊ】．岩土工程学报，１９８８，１０（３）：１３２２【５１】ＴａｙｌｏｒＲ．Ｎ．，ＰｏｒｔｓＤ．Ｍ—ＣｅｎｔｒｉｆｕｇｅＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｏｆｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳｕｒｆａｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＯｎＴｕｎｎｅｌｉｎｇＩｎｄｕｃｅｄＧｒｏｕｎｄＭｏｖｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＴｕｎｎｅｌｓＭｅｔｒｏｐｏｌｉｓｅｓ，Ｂａｌｋｅｍａ，１９９８，２６１－－２６６ｍｏｖｅｍｅｎｔｓｏｆａｎｄ【５２】ＴａｙｌｏｒＢｕｉｌｄｉｎｇＲ．Ｊ．，ＢｕｒｌａｎｄＪ．Ｂ—ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＧｒｏｕｎｄｄｕｅｔｏＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆ砌ｓｋｏｆＯｉｌＤａｍａｇｅＢｏｒｅｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ［Ａ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＡｓｐｅｃｔｓｏｆＵｎｄｅｒｇｒｏｕｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎＳｏｆｔＧｒｏｕｎｄ［Ｃ］．Ｌｏｎｄｏｎ，１９９６，７１３—７１８ａｎ【５３】ＢｏｏｎｅＳ．Ｊ．，ＷｅｓｔｌａｎｄＪ．，ＮｕｓｉｎｋＲ．．ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｐｏｎｓｅｔｏＧｅｏｔｅｃｈ，１９９９，ｖ０１．３６，２１０－２２３ＡｄｊａｃｅｎｔＢｒａｃｅｄＥｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ【５４】严伯铎．深基坑支护结构位移及邻近建筑物变形监测【Ｊ】．西部探矿工程，２００４（６），３６３７【５５】高文华等．基坑开挖中地层移动的影响因素分析，岩石力学与工程学报，２００２，２１（８）１１５３一１１５７【５６］ＰｅｅｋａｎｄＦｏｕｎｄＲＢ．Ｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ７ｔｈＩｎｔＣｏｎｆｏｎＳｏｉｌＭｅｃｈＥｎｇｒｇ．ＭｅｘｉｃｏＣｉｔｙ：ＳｔａｔｅｏｆＴｈｅＡｒｔＶｏｌｕｍｅ，１９６９．２２５．—２９０【５７】况龙川．深基坑旆工对地铁隧道的影响【Ｊ】．岩土工程学报．２００３，５（３）２８４－－２８８基坑开挖对邻近既有隧道的影响分析

作者：

学位授予单位：

王路

北京交通大学

1. 王涛 紧邻地铁区间隧道的深基坑施工变形研究[学位论文]20072. 艾鸿涛 临近地铁隧道的深基坑开挖分析[学位论文]20083. 李广军 基坑开挖对既有地下隧道影响的数值分析[学位论文]2009

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