基坑 研究综述

**大学 研 究 生 考 试 试 卷

考试科目： 基坑与边坡工程 学 号： 姓 名： 评卷老师： 成 绩： 地铁深基坑工程研究以及围护结构形式综述 **** 摘要：随着人口的增长，大城市交通拥挤问题愈发严重，地下空间的开发与利用显得尤为重要。伴随基坑工程的持续发展，对基坑的开挖，支护结构的设计、计算提出了更严格的要求。本文对地铁以及基坑的发展现状以及深基坑的研究方法和常见的围护结构形式做了简单的概述。 关键词：地铁；地下空间；深基坑；支护方式；施工工艺 Abstract:As the booming of the population，the traffic fairs becomes more worsen，particularly in metropolitan areas.The exploitation and utilization of underground space seems especially significant. With the sustainable development of foundation pit engineering，which brings more strict request for the excavation of foundation trench and the design of supporting structure. This paper simply sketch out the development status of metro and foundation ditch and research method of deep foundation pit and the common exterior protected construction. Keywords: metro；underground space；deep foundation pit ; support pattern ;construction technology .

1 引言 近年来，我国的经济得到大力的发展，社会明显进步，人民的生活水平不断地提升，随着越来越多的人涌入城市，诸如北京、上海等大城市的建设规模也逐渐加大。为了缓解伴随经济和人口的快速增长的生活需求、交通拥挤、环境污染等日益严重的问题，超高层建筑、地下建筑、长深隧道、地铁与轻轨、地下商城等大规模工程不断得到开发与利用，特别是地下空间发展城市轨道交通，极大地缓解了城市的交通拥挤问题。由于建筑结构的复杂性以及地下环境的多元变化性，传统的浅基坑开挖以及支护手段已经无法满足目前地下空间施工、结构安全性、经济性等各项相求。基坑工程规模的不断扩展，深度的不断扩大，特别是位于地表周边建筑物比较密集、地下管线纵横交错、环境保护要求很高的城市中心地带，确保施工过程中的安全性，减少事故发生的可能性显得尤为重要。 城市深基坑工程是地下工程与基础工程中一个复杂多变的综合性岩土工程难题，包含土力学中的强度与稳定性问题，又涉及变形问题。地质勘查报告的详尽性、地下水降水方案的合理性、设计过程中考虑各种影响因素的综合性、基坑与围岩支护结构设计的优化性以及计算的准确性、变形监测的及时有效性、施工组织过程中的科学完备性等都将对整个工程的作业期间的工作人员和周围道路与建筑物的安全、施工的质量、开挖过程中的围岩稳定以及变形的大小、基坑的稳定性、施工工期的长短等起着决定性的作用。 2 地铁及基坑工程的发展概况 19世纪60年代，世界上第一条地下铁道在英国伦敦的Bishops与Padington之间用明挖法施工并建成通车，路线长约6.4km，标志新的交通方式的诞生。随后又有纽约（1867年）、芝加哥（1892年）、布达佩斯（1896年）、格拉斯哥（1897年）、巴黎（1900年）等城市修建了地铁。鉴于地铁具有安全、快捷、方便、准时的特点，有利于改造地面环境， 减少噪音和减少废气污染，同时可节约地面空间，保护城市中心区域有限的地面资源，完善城市的交通服务功能以及防御战争和抵抗地震破坏等优点，世界各国开始大力发展地铁建设。到20世纪上半叶，有柏林、纽约、东京、莫斯科等12座城市修建地铁。很多世界性的大城市都已经形成了四通八达的地铁交通系统。 我国于1965年7月1日在北京开始修建第一条地铁，并于1969年10月1日投入运营，到2015年，北京地铁线路总长度将超过570km。目前，我国已有重庆、成都、哈尔滨、武汉、沈阳、西安、杭州和宁波等20多个城市正在修建或计划修建地铁。到2015年我国的城市轨道交通投入运营里程可达到1700km，投资超过1万亿元。随着国民经济的飞速发展，作为城市基础建设的一个重要方面，我国的地下铁道交通必须而且也必然会获得巨大的发展机会，开发和利用地下空间将是以后城市发展的主要趋势。 在基坑工程出现的初期，深基坑常见于开挖深度小于10米的建筑物中。当时的地质勘查资料短缺，设计理论不够完善，施工机械以及施工方法不够先进，基础开挖常采用放坡式，基础形式常采用筏基，围护及支撑系统采用刚度较小的木支撑等结构。常常造成基坑失稳，且周边的建筑物以及管线发生破坏，工程事故频发。因而水文地质勘查以及施工过程中的实时监测越来越受到人们的重视。随着高层以及地下空间的开发利用，基坑的开挖深度与规模也显著增大，施工条件也日益复杂。这个时段除了重视地质勘查之外，施工技术有了较大的提高，施工工序有了合理的安排。工程应用当中一般采用结构力学中的连续墙的分析理论进行设计，并通过适时地安全监测对基坑变形进行预测，减少工程事故发生的概率，逐渐形成和完善了很多的施工经验。 而后随着计算机的发展，科研工作者有效利用工程经验以及监测结果，开始将有限元分析法运用于工程当中解决实际问题并开发了一系列的分析软件，缩短了计算时间，提高了设计数据的准确性。并且采用了较为符合实际工程情况的弹塑性本构模型，且开发了相应的诸如MATLAB之类的数据处理软件，得到了较为合理的分析结果，使得对基坑变形的预测更加接近实际，初步应用刘建航院士提出的符合基坑工程特点的时空效应理论指导施工，更能提高施工效率，起到了保护基坑环境的作用。随着大城市中心地区地铁等地下长深工程的发展，开挖深度的增大，工程环境更加复杂多变，周围环境的影响因素更加敏感。为了更好地保护基坑周边环境，工程界广泛应用基坑的时空效应理念来指导实际工程，充分利用基坑变形的时空效应来进行设计与施工作业。同时模拟软件的出现，地下空间渗流场、应力场、应变场与温度场等耦合分析研究，使得更加贴近工程实际，对基坑的设计与施工有了更加科学合理的指导。

3 国内外深基坑工程研究现状 3.1 深基坑支护方法的研究 长期以来的实践证明，深基坑工程处于复杂多变的地下环境当中，是实践性很强的岩土工程难题，发展至今，尚未有统一的完善理论来指导设计与施工。基坑开挖过程中，变形主要由周围地表沉降、基坑底部土体隆起及围护结构位移三大部分组成。由于建设发展的需要，国内外专家学者与工程技术人员结合工程实际进行了大量的科学研究，并取得了相当丰富的研究成果。主要有以下深基坑结构设计理论与方法：等值梁法、竖向弹性地基梁法、连续介质有限单元分析法。 等值梁法[1]是最早应用于挡土结构为钢板桩时的计算，等值梁法把围护结构简化为两根梁进行计算，是典型的强度控制计算方法。其传力比较简单，计算比较明确，参数很容得到，在计算过程中考虑的因素较少，不能计算围护结构体系的侧向变形，且计算后的误差很大，仅适用于地质条件单一，深度不大、周围建筑无变形约束的简单基坑，很难适用于现阶段复杂、深大基坑的设计要求，得不到广泛的应用。 有限单元法[2]由于能模拟土体的变形特性、复杂开挖过程以及设置边界条件等优点，在20世纪70年代由于计算机技术的发展，在基坑中得到了广泛的应用。主要包括连续介质有限元与弹性杆系有限元法。1971年Wong与Clough首先采用平面有限元方法分析了有内支撑的基坑开挖问题[3]。连续介质有限单元法的主要模型为：Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Duncan-chang模型、修正剑桥模型等。由于岩土体应力与应变的本构关系的不确定性，以及工程区域不同造成参数的异性，只能作为大型工程设计分析设计过程中的辅助手段，很难在实际工程中得到直接应用。竖向弹性地基梁法的研究对象是基坑支护，在过程中应用较广泛。基坑开挖面以上的内支撑点用弹性支座模型模拟，基坑外的土体产生的主动土压力作为已知荷载 作用在弹性地基梁上，而基坑内开挖面以下作用在支护结构上的弹性抵抗力以水平弹性支座来模拟。其计算中的水平基床系数K值不变，利用反算的K值预报位移值，并不断量测、反算、预报，确保工程的安全性。有限元分析法需要确定大量的参数，编写程序也较为复杂，但是贴近工程实际。 3.2 深基坑土压力的研究 土压力问题是地下结构物与土体相互作用的结果，是岩土工程的基本问题，是对深基坑进行进一步设计的前提。最早的土压力理论来源于200多年前的Coulomb（1773年）与Rankine（1857年）[4]，由于其简单性仍然为工程界所采用。随着认识的提高以及工程实践的增加，20世纪40年代的Terzaghi和Peck等学者提出了预估挖土刚稳定程度和支撑荷载大小的表观土压力和经典的土压力分布模式[5]，且一直沿用至今。 可列因（1960年）提出水平层分析法[6]，该法可反映土压力非线性分布特性。Rahardjo等（1984年）基于边坡稳定分析中的最优圆弧状滑裂面搜索方法[7]，采用条分法计算土压力。Liu等（2009年）采用滑移现场理论研究了圆形挡土墙轴对称下的土压力理论[8]。国内学者茅以升（1955年)就开始了对土压力理论的研究[9]。王鸿兴等（1988年）假定滑裂面是变化的函数[10]，建立了土压力的极值泛函微分方程，得到了基于极限平衡原理的闭合解答。应宏伟（2006年）假定平行竖墙间小主应力拱形线喂悬链线，推导了考虑土拱效应的平行墙间侧土压力计算公式[11]。并出现了相应的土压力模型：线性土压力模型（森重龙马[12]）、正弦函数土压力模型（徐日庆[13]）、Sigmoid函数i压力模型（周瑞忠[14]）、自然指数土压力模型（杨国雄[15]）、双曲线土压力模型（卢瑞明[16]）等。对于土压力计算的研究取得了很丰厚的成果，但是也需要做出进一步的研究。 3.3 深基坑检测技术的研究 基坑开挖是一个动态过程，如支护结构与岩土体的流变现象、土压力与结构内力的变化、地下水位的涨落，周围构建物的位移变化等，而工程设计基本上是根据定值的静态设计，也就造成了设计与实际情况的偏差。需要运用精密的监测仪器以及合理的监测实施方案（如激震检测法[17]，超声波检测法[18]），对所在的深基坑变形与周围构建物位移进行科学的检查与监控，从而避免事故的发生，有利于变形的控制，为设计的优化提供科学数据。 深基坑监测的主要内容包括：深基坑周边的地表沉降，深基坑底部土体的隆起，周围建筑、地下管线的变形，围护墙体深层水平位移，围护墙顶竖向位移，围护墙顶水平位移，围护墙体内力、支撑内力与变形，锚杆拉力，立柱侧向与竖直位移，地下水位变化等。监测也应该分清主次与侧重点，这就需要对工程设计以及工程施工过程相当熟悉，认清对于基坑结构的主要影响部位与因素，重点部位慎重对待，难点问题不逃避。 深基坑监测的目的：通过现场实际监测采集相应的数据，进行分析以便检验原设计的真实可靠性。并且可以将测得的数据进行系统的反分析，得到符合检测阶段的各种设计参数，从而进行优化设计并进行下阶段的设计，再采集数据进行分析，如此周而复始，使设计由静态变为动态。从而达到提高深基坑设计与施工的水平，采取预防措施以避免安全事故发生的目的。 由于各地区各工程实际情况的不一致，目前国内外对于基坑变形的允许值尚无统一的规定。具体实际可以参考同类的工程的变形值与经验来确定。2009年，我国正式颁布了《建筑基坑工程检测技术规范》[19]，标志我国基坑工程监测的技术慢慢走向成熟。