深基坑开挖对邻近运营地铁的影响分析

第34卷 增刊 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 Supp. 2012 年 .11月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov. 2012 深基坑开挖对邻近运营地铁的影响 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 尹宏磊，韩 煊 (北京市勘察 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院有限公司，北京 100038) 摘 要：城市深基坑的施工中，往往会引起周围建（构）筑物的变形。对于临近运营地铁的基坑工程，由于其严格的 变形控制要求，分析中对变形的合理预测是重点。本文通过研究小应变硬化本构模型的理论基础，根据北京地区的工 程经验，针对这一高级本构模型，初步提出了适用于北京地区工程地质特点的主要参数取值方法。以北京地区某实际 工程为例，本文采用小应变本构模型和莫尔库仑模型分别对其变形进行分析预测，并与实测结果对比表明，采用目前 工程中最常用的莫尔库仑模型预测的结果与实际有很大的偏差，不适合用于变形控制设计的基坑分析，而小应变硬化 模型较好的模拟了施工实际引起的变形，预测的隧道结构变形接近实测结果。 关键词：深基坑；变形控制；刚度变化；本构模型；小应变 中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2012)S0–0608–05 作者简介：尹宏磊(1980– )，男，河南镇平人，博士，主要从事基坑工程、地铁隧道工程等方面的研究与风险评估工 作。E-mail: yinhl03@126.com。 Influence of deep excavation on adjacent subway YIN Hong-lei, HAN Xuan (BGI Engineering Consultants Ltd., Beijing 100038, China) Abstract: Urban excavations always result in deformations of surrounding buildings. In the analysis, reasonable prediction of deformations is of importance. After studies on the theory of hardening small strain (HSS) constitutive model, a series of experiential parameters are proposed. Adjacent to the operating subway, an excavation is put on by a strict deformation standard. The deformations of diaphragm wall and tunnel are predicted using the HSS model and the Mohr Coulomb model. A great difference is found between the Mohr Coulomb and observed results, while the HSS model reproduces the site deformation well. As a result, incorporating the HSS model into the deformation-control design is feasible. Key words: deep excavation; deformation control; stiffness variation; constitutive model; small strain 0 引 言 按照 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 ，到 2015 年，北京将形成“三环、四横、 五纵、七放射”共 19 条轨道交通线路，里程达到 561 km，其中二环内线网密度为 1.08 km/km2，五环内线 网密度为 0.51 km/km2。但随着城市化的发展，地下空 间的需求越来越大，如高层建筑的深层地下室，大型 的地下商场及停车场等。开发这些地下空间涉及大量 的深基坑工程，其规模和深度不断增加，而地铁线路 又如此密集，城市基坑施工往往会遇到邻近运营地铁 的问题，会对地铁运行产生扰动，而运营地铁对轨道 变形的要求极其严格，因此地下空间开发给基坑设计 和施工提出了严峻的挑战。 针对这类特殊工程，要求在基坑设计中不仅满足 自身稳定（强度控制）的要求，而且要把基坑工程施 工引起的周围地层移动控制在一定的范围之内（变形 控制），也即分别要求挡土结构的水平位移及其邻近地 层的垂直沉降限制在某 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值之内，甚至也限制墙体 垂直沉降和地层的水平位移满足周围环境要求[1]。 现在基坑设计一般规范推荐采用等值梁法和弹性 地基梁法，这两种方法都是以强度控制为主，无法合 理考虑周围重要建（构）筑物的本身特征，也就不能 准确分析对周围环境的影响程度。因此，对这类基坑 工程，从强度控制设计转变为变形控制设计是城市基 坑工程设计的基本理念[1-2]。 对于基坑施工引起的变形问题，数值计算（包括 有限元、有限差分等）具有坚实的理论基础，可以模 拟基坑施工的全过程，理论上可以解决现有规范方法 所不能解决的问题，但前提条件是，数值计算中要合 理选择代表土体特性的本构关系及其相关参数。影响 本构关系选择的因素有很多，但基本的原则是区分承 ─────── 基金项目：北京市海淀区科技项目（K20110036） 收稿日期：2012–08–25 增刊 尹宏磊，等. 深基坑开挖对邻近运营地铁的影响分析 609 载能力极限状态和正常使用极限状态。如果是正常使 用极限状态，需要按变形控制设计，就必须采用能够 基本反映深基坑开挖中土单元所处的复杂的应力状态 和经历的复杂应力历史，这往往只有高级本构模型（硬 化模型、小应变硬化模型、修正剑桥模型等）才能考 虑这些因素。 本文以紧邻运营地铁的北京某深大基坑为研究背 景，采用小应变硬化模型和莫尔库仑模型，分别对深 基坑工程施工对地铁隧道的影响进行预测分析，并与 现场实测结果进行了比较。通过本例试图强调说明， 在深基坑工程的变形分析中，采用目前工程中常用的 传统的理想弹塑性模型（例如莫尔库仑模型、DP 模 型等）已经无法得到合理的结果，必须考虑采用复杂 的高级本构模型。而要合理地使用这类模型，则需要 通过积累大量实测结果的分析与反分析，获得参数的 确定经验。 1 小应变硬化本构模型[3-5] 土是一种多相的弹塑性材料，在加载过程中，土 体会收缩或者膨胀，它的刚度也会随着应力水平变化 而改变。在小应变范围内，土体的刚度很大，但随着 应变的增加，刚度会快速地减小，表现出很强的非线 性，如图 1 所示。 图 1 典型的刚度随应变变化曲线 Fig. 1 Typical representation of stiffness variation in function of shear strain amplitudes 小应变模型主要由以下几种法则构成： （1）剪切硬化 剪切的硬化屈服可以比照三轴排水固结试验中偏 应力 q 与竖向应变 1 之间的双曲线关系来描述，屈服 条件可以表述如下： PSa 1 f 50 a ur 2 for q q q f q q E q q E      ，(1) 式中， ps 是塑性应变硬化参数， aq 是偏应力的渐近 值，由极限偏应力 fq 与破坏比 fR 定义为 fa f q q R  ， (2) 极限偏应力 fq 符合莫尔库仑准则， f 3 2sin( ) ( cot ) 1 sin( ) q c        ， (3) 割线模量 50E 对应于极限偏应力 fq 的 50%，与小主应 力有关， * ref 3 50 50 ref cot ( ) cot mcE E c        ， (4) 式（4）中 *3 3max( , )L   ，一般假定 L 为 10 kPa， 50E 控制剪切屈服产生的塑性应变，根据经验 m 取值 范围 0.3～1.0。加卸载模量 urE 也与小主应力有关， * ref 3 ur ur ref cot ( ) cot mcE E c        。 (5) （2）体变硬化 体变硬化采用盖帽模型，屈服条件表述如下： 2 2 2 2 c2 2 ( ) q f p p M r     ， (6) 式中， 2 ( )r  屈服面的圆滑性，M 描述盖帽的形状， cp 代表先期固结压力， p等压力值的大小，硬化参数的 演化可由式（7）描述： cc ref cot d ( ) cot mp cp H c        ， (7) 式中，H 控制体积塑性应变的变化率大小，其与固结 模量 oedE 有关。 （3）小应变的非线弹性 为了描述小应变刚度 S 形的非线性折减，模型利 用土动力学中常用的 Hardin-Drnevich 双曲线关系，把 当前的剪切割线模量 sG 与等效剪应变 hist 联系起来。 表述如下： 加载： s hist0 0.7 1 1 G G a     ； (8) 卸载，再加载： s hist0 0.7 1 1 2 G G a     ， (9) 式（8）、（9）中 0.7 表示当剪应变达到 0.7 时 sG 降到 0G 的 70%。 小应变模型虽然数学形式上看起来复杂，但它的 参数都有明确的物理意义，都可以通过常规的土力学 试验得到。 显然，工程中常用的理想弹塑性莫尔库仑模型不 考虑土的应变水平与土的模量之间的非线性关系，也 无法考虑深基坑工程中土的复杂应力状态，特别是不 能合理考虑土的加卸载状态及其与土的模量之间的关 系，因此在分析中往往计算得到的变形结果严重失真， 例如导致计算的围护桩或墙不合实际的上抬。 2 工程概况 北京某工程用地红线范围的西侧临近既有地铁区 wangxuehong 铅笔 wangxuehong 铅笔 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件(C)2005-2010，版权所有， 仅供试用。ഀ 610 岩 土 工 程 学 报 2012 年 间隧道，地下室结构外墙与地铁隧道外皮的最近水平距 离约为 5.0 m，基坑底面与隧道的竖向距离约为 0.89 m。 图 2 是该场地三维地层结构模型，描述了地铁隧 道和基坑的空间位置关系。 图 2 运营地铁与基坑的空间位置关系 Fig. 2 Spatial relation between tunnel and pit 建筑基坑长约 150 m，宽约 110 m，基底埋深约 15.5 m。基坑支护设计图如图 3 所示，共划分为 8 个 支护段。 图 3 基坑支护结构平面图 Fig. 3 Plan of support for pit 基坑西侧南段（GH 段）距离地铁较近的位置为 保证地铁的正常运营不受影响，采用地下连续墙+预 应力锚索+土钉墙的支护方案，上 6.6 m 采用土钉墙支 护，6.6 m 以下采用“地下连续墙+预应力锚杆”支护， 地下连续墙厚度 0.8 m，单板宽度 6 m，嵌固深度 8 m， 墙及连梁混凝土强度等级 C25。在放坡的土钉墙部分 加了 1 道锚索，防止上部变形过大，地连墙上设置 2 道锚索。 工程场区的地层分布情况如图 4 所示。隧道穿越地 层主要为粉质黏土④层，细粉砂④2层和黏质粉土⑤层。 3 数值模型 邻近地铁的西侧边坡是整个基坑工程的重点，它 的变形控制对运营地铁的安全至关重要。本次分析选 择西侧边坡的一个典型剖面，考虑为平面应变问题。 利用 ZSoil 中的小应变硬化模型和莫尔库仑模型分别 预测基坑的变形。 图 4 工程场地地层分布情况 Fig. 4 Strata of site （1）网格剖分 在开挖边线一定范围内局部加密网格，可以更精 确地捕捉局部的变形特性。考虑开挖对周围土体及隧 道的影响范围，整个模型尺寸选取 200 m×80 m，最终 剖分 3134 个四边形单元，3351 个结点。如图 5 所示。 图 5 模型网格剖分、地层及支护结构 Fig. 5 Mesh and support structures of model （2）地层基本物理力学参数 根据试验室提供成果，场区的地层参数如表 1 所示。 （3）莫尔库仑模型的参数 根据地区经验，莫尔库仑模型的变形模量取为试 验室提供的压缩模量的 3 倍。其他参数按照表 1 取值。 表 1 基本物理力学参数 Table 1 Basic parameters of soils 土 层 土层 名称 密度 /(g·cm-3) 黏聚 力/kPa 摩擦 角 /(°) 泊松 比 压缩 模量 Es/MPa ① 房渣土 1.75 8 10 0.3 7 ② 黏质粉土 1.97 23 24 0.25 6.6 ③ 粉质黏土 2.07 26 20 0.25 9.8 ④ 粉质黏土 2.03 53 18 0.26 9.6 ⑤ 黏质粉土 2.02 35 29.5 0.25 18.7 ⑥ 卵石 2.05 0 35 0.23 55 ⑦ 粉质黏土 2 33 28 0.25 19.3 ⑧ 粉质黏土 1.97 35 30 0.31 14.8 ⑨ 粉质黏土 2.05 60 33 0.27 40 ⑩ 中细砂 2.1 0 37 0.25 90 中细砂 2.03 5 35 0.26 90 中细砂 2.1 0 35 0.25 100 （4）小应变硬化模型的参数 在小应变模型的应用过程中，模量参数 oedE ， ref 50E ， ref urE ， ref 0E 的取值非常重要，在没有相应的试 wangxuehong 铅笔 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件(C)2005-2010，版权所有， 仅供试用。ഀ 增刊 尹宏磊，等. 深基坑开挖对邻近运营地铁的影响分析 611 验资料条件下，可以依靠地区经验参考压缩模量 sE 来给值[6-10]。根据对部分北京地区工程实例的反分析， 针对北京地区的土层，可以初步考虑如下取值： ref ref ref ref ref oed s 50 oed ur 50 0 ur1.3 ; ; 3 ; 5E E E E E E E E    。(10) 如果有三轴压缩试验资料，根据试验曲线可以给 出 ref50E ， ref urE ， ref 0E 等模量参数，具体方法如图 6 所示。 固结模量 oedE 可以根据常规固结试验获得。 图 6 由典型的三轴固结排水曲线确定模量参数的方法 Fig. 6 Determination of E moduli from a typical curve derived .from triaxial drained compression tests 4 数值计算结果分析 本文用两种本构模型进行分析，讨论对比它们对 基坑工程施工引起土层位移的影响。 （1）小应变硬化模型 通过先挖土后支撑的分层开挖模拟，可以得出基 坑和隧道的水平和竖向变形情况如图 7 所示。 （2）莫尔库仑模型 莫尔库仑模型不考虑加卸载模量的差异，可能导 致变形趋势与实测结果相反，而且预测的变形量值也 较大。经过分步开挖支护后，最终的水平和竖向位移 情况如图 8 所示。 图 7 隧道和地连墙的水平（左）和竖向（右）变形图（小应变 .硬化模型） Fig. 7 Horizontal (left) and vertical (right) displacements of tunnel and diaphragm wall (HSS) 图 8 隧道和地连墙的水平（左）和竖向（右）变形图（摩尔库 仑模型） Fig. 8 Horizontal (left) and vertical (right) displacements of tunnel and diaphragm wall (M-C) （3）模型预测与实测结果对比 在竖向位移方面，莫尔库仑模型预测的基底回弹 为 16.2 cm，小应变硬化模型的回弹为 1.7 cm，达到量 级上的差别；在坡顶处，小应变的回弹量 2 mm，回 弹范围 3 m，而莫尔库仑的回弹量 47 mm，回弹范围 32 m，量值和影响范围都比小应变大很多；在隧道周 围，小应变的回弹量在 2 mm 之内，而莫尔库仑的回 弹量达 33 mm，相差比较大。 在水平位移方面，如表 2 所示，莫尔库仑模型预 测的水平是小应变硬化模型的 9 倍左右。 表 2 小应变和莫尔库仑的预测水平位移比较 Table 2 Horizontal displacements of HSS and M-C 地连墙水平位移/mm 隧道水平位移/mm 小应变硬化 模型 莫尔库仑 模型 小应变硬化 模型 莫尔库伦模 型 7.4 59.9 5.4 42.4 从第三方监测处获得资料，与西侧基坑相关的， 主要是地连墙的测斜结果。因此，本文重点比较了两 种本构模型预测的地连墙水平位移与实测结果的差 异，如图 9 所示。 从图 9 可以看出，小应变模型在基底以上部分预 测的变形趋势与实测曲线比较接近，最大值出现的位 置相近，而且量值上也相差不多，最大变形差 1 mm 左右；但在嵌固部分，预测值明显比实测值大。而莫 尔库仑模型的预测变形趋势和量值与实测结果相差较 大。因此，基于小应变本构模型的预测结果具有一定 的可信度，前面根据地区经验提出的参数取值系数是 合理的。 图 9 地连墙水平位移模型预测值与实测值 Fig. 9 Calculated and observed horizontal displacements of diaphragm wall 下面，再来分析一下两种模型的剪应变水平情况， 如图 10 所示。 从图 10（左图）可以看出，除了局部，墙后大部 分地方剪应变都小于 0.001，处于小应变范围。从图 10（右图）可以看出，墙后的大部分区域的剪应变都 612 岩 土 工 程 学 报 2012 年 大于 0.001，已经进入到大应变的范围。因此，对于变 形控制设计的城市基坑工程，采用小应变硬化模型预 测其扰动变形是合适的。 图 10 开挖后的剪应变云图（小应变模型（左），莫尔库仑（右）） Fig. 10 Shear strain after excavation (HSS (left), M-C (right)) 5 结 语 北京纵横交错的地铁网络，为未来城市基坑设计 及施工提出了严峻的挑战，这就要求我们改变现在以 强度控制设计的做法，必须应用变形控制设计方法来 适应复杂的周边环境。现阶段，采用高级本构关系的 数值计算方法是实现变形控制设计的有益尝试。本文 通过研究小应变本构模型的理论基础，根据北京地区 的工程实例经验，尝试提出适合北京地区的参数取值 系数。某临近运营地铁的基坑工程，由于其严格的变 形控制要求，本文采用小应变本构模型和莫尔库仑模 型分别对其变形进行分析预测，与实测结果相比，莫 尔库仑模型的结果有数量级上的差别，不适合用于变 形控制设计的基坑分析，而小应变模型的结果较好的 模拟施工现场的变形情况，预测的轨道变形接近实测 情况。 参考文献： [1] 侯学渊, 刘国彬, 黄院雄. 城市基坑工程发展的几点看法 [J]. 施工技术, 2000, 29(1): 5–7. 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