深基坑施工支護對鄰近地鐵隧道影響模擬與分析

精選優(yōu)質文檔傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)專心專注專業(yè)精選優(yōu)質文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)摘要目前隨著社會和經濟的迅速發(fā)展，我國的各大城市正面臨著人口增多、住房緊張和交通堵塞等城市化現(xiàn)象。從交通和住房的角度上來看，各大城市在面對城市化現(xiàn)象的時候大多都采用常見的技術施工手段，比如推進地鐵建設以解決交通擁擠問題，加快高層商品住房的建設步伐來應對住房緊張問題，但是當同時解決這兩大問題時，就只能采取在地鐵建設的數(shù)公里范圍之內完成高層住房工程的方法，由于基坑施工的原因，就會使得周邊的土體受到擾動，這樣的情況會給地鐵的建設帶來十分嚴重的影響，因此，為了有效的解決這個問題，需要專門研究基坑施工將會給附近的地鐵帶來什么樣的影響。本文以某臨近地鐵隧道的基坑開挖項目作為背景。在基坑支護變形和受力分析計算的基礎上，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，并結合目前國內的仿真數(shù)值模擬技術進行分析研究。應用先進的數(shù)值模擬技術，對工程完成三維的數(shù)值模擬研究，主要結論如下：(1)對基坑支護變形與設計計算理論進行分析和論述，提出基坑施工對地鐵隧道結構的危害及變形控制措施。對有限元數(shù)值模擬的基本理論進行闡述，總結說明建筑基坑三維數(shù)值模擬的基本步驟和方法。(2)依托實際工程，利用理正深基坑分析軟件。根據(jù)預先制定好的施工工況進行計算分析，從而能夠知道支護結構的內力和變形值，而后有針對性的對穩(wěn)定性、承受水壓力和抗隆起性進行施工后的驗算。驗算結果顯示：這個區(qū)域基坑支護的設計是滿足規(guī)定要求的，在施工時產生的內力和變形都在安全范圍內，結合理正軟件進行運算，以及后面的有限元分析軟件對位移云圖的相互比較，證明有限元模型是正確的。(3)基坑開挖對周邊的地鐵隧道造成一定的影響，例如水平移動、豎向沉降，總的位移變化，而且還改變了隧道的受力狀態(tài)。由此可見，深基礎開挖對地鐵隧道的安全產生影響。因為隧道的襯砌底片基本和基坑開挖的底面在同一水平高度，也就是說，在第二道支撐與基坑底面之間的位置是隧道結構。所以，在工況三和工況五情況下，隧道位移變化較大。(4)基坑在開挖的過程中，會對周圍地鐵隧道區(qū)間產生應力，導致對地鐵周邊的地基結構產生一定的位移，影響整個工程的安全性；同時，因為南京地區(qū)的地下水確實比較多，所以在基坑施工的過程中，基坑內的積水是影響地鐵的因素之一，基坑施工時要注意這樣的問題出現(xiàn)。關鍵詞：基坑開挖，有限元分析，地鐵隧道，監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑降水AbstractWiththerapiddevelopmentofsocietyandeconomy,majorcitiesinourcountryarefacingurbanizationphenomenasuchaspopulationincrease,housingshortageandtrafficjams.Fromtheperspectiveoftransportationandhousing,mostmajorcitiesusecommontechnicalconstructionmethodswhenfacingthephenomenonofurbanization,suchaspromotingsubwayconstructiontosolvetheproblemoftrafficcongestion,andspeedinguptheconstructionofhigh-risecommercialhousingtodealwithhousingshortagesHowever,whenthetwomajorproblemsaresolvedatthesametime,theonlywaytocompletethehigh-risehousingprojectwithinafewkilometersofthesubwayconstructionistocompletethesurroundingsoilduetothefoundationpitconstruction.Thesituationwillhaveaveryseriousimpactontheconstructionofthesubway.Therefore,inordertoeffectivelysolvethisproblem,itisnecessarytostudytheimpactoftheconstructionofthefoundationpitonthenearbysubway.Thisarticleisbasedonafoundationpitexcavationprojectnearasubwaytunnel.Basedontheanalysisandcalculationofthedeformationandforceofthefoundationpitsupport,theanalysisandresearcharecarriedoutaccordingtotheactualsituationoftheconstructionsiteandcombinedwiththecurrentdomesticsimulationandnumericalsimulationtechnology.Applyingadvancednumericalsimulationtechnologytocompletethethree-dimensionalnumericalsimulationresearchoftheproject,themainconclusionsareasfollows:(1)Analyzeanddiscussthedeformationanddesigncalculationtheoryoffoundationpitsupport,andproposethehazardsanddeformationcontrolmeasuresofthefoundationpitconstructiontothesubwaytunnelstructure.Thebasictheoryoffiniteelementnumericalsimulationiselaborated,andthebasicstepsandmethodsforthethree-dimensionalnumericalsimulationofbuildingfoundationpitsaresummarized.(2)Relyingontheactualproject,usetherationaldeeppitanalysissoftware.Calculateandanalyzeaccordingtothepre-establishedconstructionconditions,soastobeabletoknowtheinternalforceanddeformationvalueofthesupportstructure,andthenperformthepost-constructionverificationonthestability,thewithstandwaterpressureandtheresistancetoheave.Theverificationresultsshowthatthedesignofthefoundationpitsupportinthisareameetstherequirementsoftheregulations.Theinternalforcesandtheliquiditygeneratedduringtheconstructionarewithinthesafetyscope.ThecalculationsarecombinedwithRicohsoftwareandthefollowingfiniteelementanalysissoftwareisusedforthedisplacementcloudmap.Thepurposeofcomparingeachotheristoprovethatthefiniteelementmodeliscorrect.(3)Theexcavationofthefoundationpitwillcausecertaininfluencesonthesurroundingsubwaytunnels,suchashorizontalmovement,verticalsettlement,totaldisplacementchange,andalsochangethestressstateofthetunnel.Itcanbeseenthatthedeepfoundationexcavationhasanimpactonthesafetyofsubwaytunnels.Becausetheliningbaseofthetunnelissubstantiallyatthesamelevelasthebaseoftheexcavation,thatis,thepositionbetweenthesecondsupportandthebaseoftheexcavationisatunnelstructure.Therefore,underconditionsofthreeconditionsandfiveconditions,thetunneldisplacementchangesgreatly.(4)Intheprocessofexcavation,thefoundationpitwillstresssurroundingsubwaytunnelsections,resultinginacertaindisplacementofthefoundationstructurearoundthesubwayandaffectingthesafetyoftheentireproject;atthesametime,becausethegroundwaterinNanjingisindeedmoreTherefore,intheprocessoffoundationpitconstruction,wateraccumulationinthefoundationpitisoneofthefactorsaffectingthesubway.Attentionshouldbepaidtosuchproblemswhenthefoundationpitisconstructed.KeyWords:Foundationexcavation,finiteelementanalysis,subwaytunnel,monitoringdata,foundationpitprecipitation目錄

TableofContentsSummaryIAbstractIICatalogIV1Introduction11.1Introduction11.2Currentresearchstatusathomeandabroad21.2.1Statusquoofresearchondeformationoffoundationpitsupport21.2.2Currentstatusofresearchontheimpactoffoundationpitexcavationontunnels31.3Thecontentofthispaper52Foundationpitsupportdeformationandcalculationtheory62.1Calculationofdeformationandfailureoffoundationpit62.1.1Introductiontothedesignandcalculationmethodoffoundationpitsupport62.1.2Deformationoffoundationpit62.1.3Destructionoffoundationpit92.2Analysisofforceanddeformationoffoundationpitsupportingstructure102.2.1Calculationmode102.2.2Analysisofworkingconditionsduringconstruction112.3PrinciplesofFiniteElementAnalysis122.3.1Basicfiniteelementequations122.3.2Modelfailurecriteria152.3.3Finiteelementsimulationanalysisofsoildeformation172.3.4Simulationofthebasicprocessofbuildingfoundationpitexcavation192.4Harmtosubwaytunnelstructurecausedbyfoundationpitconstructionanddeformationcontrolmeasures202.4.1Thehazardsoffoundationpitconstruction202.4.2Controlmeasuresforfoundationpitdeformation212.5Foundationpitsupportscheme233Engineeringgeologicalbackgroundandrationalstructureanalysis263.1Engineeringgeologicalconditions263.1.1ProjectOverview263.1.2Overviewofsitegeomorphology273.1.3Hydrogeologicalconditionsofthesite273.1.4Analysisanddeterminationofgeotechnicalengineeringcharacteristicsandgeotechnicalparameters273.2Analysisofdeepfoundationpitsupportingstructure293.2.1Analysisoftypicalsupportingstructures303.2.2Internalforcediagramofpartialexcavationconditions313.2.3Overallstabilityofdeepfoundationpit323.3Summaryofthischapter374Numericalsimulationanalysisofinfluenceoffoundationpitconstructiononsubwaytunnel394.1Establishmentof3DNumericalModel394.2Constitutiverelationshipofrockandsoil414.2.1Elastic-plasticmodelofsoil414.2.2Treatmentofpile-soilcontactelement434.2.3Finiteelementsimulationofdeepfoundationpitexcavation444.3Numericalsimulationandanalysisofdynamicconstructionprocessoffoundationpit454.4Modelcalculationandanalysis464.4.1Analysisofpiledisplacement474.4.2Pileinternalforceanalysis484.4.3Theinfluenceofpilestiffness504.4.4Theinfluenceofpile-soilelasticmodulus514.4.5Analysisofsurfacesettlement524.4.6Theimpactofgroundoverload534.4.7Deformationanalysis544.5Comparativeanalysis584.6ChapterSummary595Conclusionsandprospects605.1Conclusion605.2Outlook60Thanks62References631緒論1.1引言近些年來，隨著經濟的發(fā)展和社會的進步，城市化發(fā)展如火如荼的進行，由于人口大多由農村涌入城市中，加快了城市人口增長的速度，城市的規(guī)模和體量不斷的被擴大，由此引發(fā)一系列問題，如人口劇增、環(huán)境污染、交通擁堵等等，為了緩解城市生活空間壓力，國家開始向地下擴展空間，地鐵逐漸成為城市的重要交通工具[1]。基坑是指地表以下基礎開挖施工和建設的地下室。一些歐美國家在20世紀40年代首先提出了深基坑的概念[2]。一般深度土工開挖H≥7m的基坑稱為深基坑。隨著城市挖掘地下空間的發(fā)展和高層建筑的出現(xiàn)，深基坑工程設計理論和計算方法不斷提高，施工技術日益科學化。但由于城市高層建筑和地下工程（如地下商場，地鐵，地下停車庫，地下倉庫，地下民防等）一般都位于人口密集地區(qū)，施工環(huán)境相對復雜，接近現(xiàn)有密集建筑物，地下管線，公路和地鐵等工程，使得開挖現(xiàn)場非常緊湊。如果設計不當，施工不當或防護措施不當，這種狹窄的開挖現(xiàn)場施工將不可避免地對周邊環(huán)境產生不同程度的影響，地面沉降假如真的出現(xiàn)，那么就會給城市造成嚴重的經濟損失，如地下管道被破壞，建筑物損壞等。越來越復雜的工程環(huán)境，導致傳統(tǒng)的施工工藝和原有的強度控制設計理論已難以實現(xiàn)對周邊環(huán)境保護的要求[3]。迫使基坑圍護結構設計由傳統(tǒng)的強度控制向變形控制轉變。在滿足強度要求的基礎上，支護結構也應控制其變形，以避免基坑開挖對周圍環(huán)境的影響。城市的土地一直是處于緊缺狀態(tài)，地鐵和基坑項目，出現(xiàn)了與現(xiàn)有地鐵隧道相鄰的深基坑，引發(fā)了新的工程問題?，F(xiàn)有隧道變形和沉降的要求非常嚴格，深挖和挖掘對相鄰現(xiàn)有隧道造成許多不利影響。由于挖掘卸載，當?shù)赝寥阑娱_挖將產生沉降，隧道位于土壤中，基坑開挖將導致道路沉降的形成，如何控制隧道的沉降和變形是基坑開挖過程中的一個難題[5]。北京金融信息大廈基坑開挖深度15米，地鐵隧道位于基坑北側，且離基坑只有5米距離，近距離如果不充分考慮現(xiàn)有隧道挖掘的影響，必然會導致危險局面。根據(jù)項目背景，使用MidasGTS軟件進行基坑開挖模擬，深入挖掘對現(xiàn)有地鐵隧道影響的分析研究。在實際工程實踐中，數(shù)值模擬的結果可以為基坑的安全施工提供保證。本文在對基坑支護變形與計算理論論述的基礎上。依托南京能夠大廈的深基坑，在研究和分析過程中利用理正深基坑分析軟件。根據(jù)預先制定好的計劃，針對每個工況嚴格執(zhí)行施工計劃，通過科學的計算方法，對支護結構的內力和變形值進行合理計算。同時結合目前國內的仿真數(shù)值模擬技術進行分析研究。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1基坑支護變形研究現(xiàn)狀早在40年代，Terzaghi和Peck等[6]人就提出了一個關于基坑挖方的理論，具體是指預估挖方的穩(wěn)定性與支撐的荷載大小的總應力法，此法在被人不斷的沿用過程中修改。在90年代以后，隨著基坑支護設計施工經驗的豐富，工程案例的增多，于是開始編制一套專門的法規(guī)，即深基坑支護與設計施工法規(guī)。古海東[7]結合三維有限元數(shù)值和土拱效應，建立了專門研究疏排樁的支護基坑內力變形的計算模型，從而大大方便了工程計算模擬。具體來說，就是先做了兩組研究疏排樁支護基坑的離心機模型試驗，然后對梳排樁支護的基坑內力和變形的適應性進行了有效計算，然后聯(lián)系疏排樁支護基坑對附近側土壓力進行了理論計算，結合此種方式建立計算模型。陳曉平[8]建立了三維標桿有限元分析模型，他以深基坑支護中的某一個支護能夠支撐一個區(qū)域土的共同特征為基礎；此模型有很強的實用性、有效性。因為通過實驗驗證，該模型應用方便、快捷，能夠對支護結構的角效應和空間效應進行科學闡述，還能夠經過模型的計算直接得出設計時需要的相關信息，其發(fā)揮的作用很大。宋博[9]針對一些典型的深基坑，根據(jù)地基土的水平基床系數(shù)的修正桿系有限元法，提出了對深基坑的加固基坑內力和變形的計算方法，通過計算可以知道在不同的施工參數(shù)和加固方案下，加固的效果和費用也是截然不同的。張強勇[10]精心編制了彈性桿系有限元計算程序，在深圳市民廣場進行了實踐，利用此程序對大型的基坑樁錨支護結構做了設計和計算，從而得到了這個基坑的支護樁樁身的位移和彎矩在隨著開挖逐漸變化的規(guī)律分布圖。王洪新[11]對深基坑進行了深入研究，他利用目前對基坑設計的通用方法，不但研究了桿系-荷載-彈簧模型的安全系數(shù)，而且還對基坑尺寸效應也做了深入研究，在考慮圓形基坑的基礎上，提出了桿系有限元算，據(jù)此針對圓形基坑的尺寸效應和長條形基坑土方在開挖時的空間效應做了研究，利用桿系有限元進行了深入分析。曹文貴[12]關于建立基坑支護的優(yōu)化評價模型，在分析計算時用到了區(qū)間關聯(lián)分析法以及區(qū)間關聯(lián)進度分析法，通過對比確定了最佳的方案。在這個過程中，其主要影響因素是評價指標的層次性和模糊性特點。此法的好處是影響支護的各種因素以及評價指標，對其層次性和模糊性特點進行了闡述，缺點是需要做大量工作來確定區(qū)間屬性值，可見此法具有實用性。張躍進[13]針對基坑施工技術，擬定了加固處理應急方案和動態(tài)預報技術，其依據(jù)既有監(jiān)測基坑變形的數(shù)據(jù)變化頻率、危害程度，也有底層附近的實際地質環(huán)境狀況。主要描述了關于深基坑的施工監(jiān)測動態(tài)信息和應急處理方法。馮俊福[14]為了研究基坑理論，在相鄰工況的互相影響狀況，針對基坑的變形預報數(shù)據(jù)，為下一工況做充分的準備，保證下一工程的安全、合理。在這個過程中，運用動態(tài)施工反演分析的思想，通過對基坑土體狀態(tài)的M值的確定，最大限度的模擬真實基坑工程的實際施工過程。基坑很早就在我國出現(xiàn)，古時候農田改造，放坡開挖，以及戰(zhàn)爭陷阱的木樁維護都是早期出現(xiàn)的基坑支護工程。隨著時代的發(fā)展，人類的土木工程發(fā)展帶動基坑支護技術的進步。但是，基坑支護是一個比較難的土木工程話題，在施工時受到多方面的因素影響，如土體性質、應力變形等。但是現(xiàn)在社會，隨著科學技術的不斷進步，各種專業(yè)的力學為基坑工程提供了豐富的理論基礎，而各種先進的工具儀器，為基坑工程的順利進行提供了有效的保證，現(xiàn)在的基坑支護技術發(fā)展愈發(fā)完善[15]。地面上的建筑越建越高，地面下的大型建筑物也越來越多，這就使得基坑越挖越深，但是發(fā)展趨勢卻與實際情況之間存在著諸多矛盾，地面建筑集中、建筑場地受限、地下管線密集等等不利因素對基坑工程的發(fā)展提出了許多新問題，這也使得經典的巖土理論面臨著革新[16]。這期間是我國向國外學習的高峰期，設計單位、科研機構都在吸收國外的先進理論和技術，充實自身，并在此基礎上，積極開展了國內基坑工程的研究，主要的理論有：土的強度等級的確定，土壓力的計算方法，水土壓力分合算，支護結構的設計原則及方法，圍護結構的選型等等。應用于在實驗和實測分析中，不斷使用先進儀器，計算機技術在一定程度上帶動了研究的發(fā)展。圍護結構的種類和形式越來越多，并大量應用到工程中[17]。深基坑設計與施工的法規(guī)規(guī)范、指南應運而生，對我國的基坑施工經驗和技術進行了全面的歸納總結。為此，我國每年都會定期的舉辦基坑方面的學術研討會，通過各種交流、溝通、學習活動拉近我國與世界先進水平的差距。進入21世紀以后，各種基坑設計新思路新方法被廣泛使用，融合復合技術也被越來越重視，并加以運用[18]。不僅如此，對于基坑支護技術還出現(xiàn)了時空效應理論。1.2.2基坑針對開挖對隧道影響研究現(xiàn)狀針對深基坑會怎樣影響周邊地鐵隧道，學者們進行了深入的分析研究：廣東省建筑科學研究院劉遠亮[19]通過MIDAS/GTS三維數(shù)值模擬軟件作為分析手段，對基坑開挖進行了科學的分析計算，并進行了仿真模擬。最后與在現(xiàn)場實際監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行了精確的對比，證明了此法在實踐中有指導作用。西南交通大學李輝[20]等以中心廣場南區(qū)超級坑附近現(xiàn)有施工的地鐵盾構隧道為背景，進行盾構隧道縱向等效剛度模型基于盾構隧道縱向變形分析，將曲率確定為接近效應標準，采用了Abaqus，以改變形有盾構隧道開挖的盾構和坑距的數(shù)值，來滿足坑底位于橫向方向，針對4種類型的12種條件，通過三維數(shù)值模擬實驗，在分析地表沉降變形的基礎上，對連續(xù)墻體水平變形與盾構隧道變形二者之間的影響關系進行了總結如下：第一、確定盾構隧道的縱向變形曲率半徑。研究盾構隧道像個等效模型，具有重要作用，它充分顯示了盾構隧道的內在力學變形與數(shù)學內力之間的曲率和關系，這是體現(xiàn)盾構隧道正常使用的關鍵指標，表明盾構隧道附近的基坑符合正常的要求，在安全范圍內施工；第二、臨界狀態(tài)下，盾構隧道段環(huán)形受到分別對應于縱向變形曲率半徑的屏蔽隧道極限狀態(tài)下的直線導軌接頭受影響，區(qū)域強度和弱影響區(qū)域閾值區(qū)域影響，基于現(xiàn)有分區(qū)圖技術的盾構隧道施工工程基礎值基礎上，建立的基坑技術基礎上的模擬分析，如如何進行正確的施工并且提出相應的對策，對工程的進程具有重要的參考指導作用。石家莊鐵路大學卜建清[21]等基于中糧集團深基坑建設，以毗鄰天津地鐵9號線大莊莊站至十一路站站隧道為例，并通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究，采用信息監(jiān)測方法監(jiān)測地鐵隧道的水平和垂直位移。充分利用有限元軟件ANSYS，有計劃的針對地鐵的隧道、基坑、維護結構建立相應的模型，對基坑進行仿真三維數(shù)據(jù)模擬，結合ANSYS中的“生死”單位，將土壤、水作為基坑開挖時的模擬影響要素。然后將實驗得到數(shù)據(jù)與實際現(xiàn)場得到的數(shù)據(jù)進行一一匹配，通過對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢基本一致。經過分析、總結知道影響附近地鐵施工的較大因素之一就是基坑施工，主要在基坑開挖對應的地鐵區(qū)域，沿地下水位移向下垂直位移基坑，位移遠大于水平位移。另同時，由于天津的地下水也是很多的，基坑對地鐵有一定影響，施工時也要多加重視。即使大量學者對基坑施工對隧道的影響做了深入的調研，可是，由于地質條件的復雜性，基坑施工支護的方法不統(tǒng)一，研究結果不盡一致。但是由于基坑施工導致隧道結構受損，最終導致地鐵隧道突水情況偶爾發(fā)生[22]。圖1.1鄭州一號線鄰近基坑施工造成地鐵隧道破壞圖1.3本文研究的內容本文的研究對象是某臨近地鐵隧道的基坑工，論文查閱了大量關于基坑的文獻和資料，有效利用計算機軟件Midas/GTS有限元分析軟件對其進行了分析。對隧道施工可能受到的影響，進行了各種假設的仿真模擬，如基坑變形預測，隧道位移等等。針對基坑開挖與周邊地鐵隧道的相互影響關系，做了詳細的調查計算和風險評估報告，并且都做了三維模擬實驗。運用科學手段，對基坑開挖的方式及支護機構進行了可行性研究，保證了施工實踐的正常進行，提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。研究的內容有下面幾點：(1)了解與之相關聯(lián)的領域的研究狀況，認真收集、歸納相關資料。(2)研究基坑估算理論，分析建模方法，確定模型劃分網格和模型邊界，得到模型物理力學參數(shù)以及單元格選取類型。(3)研究基坑和隧道的位置關系，探討最適合的施工方法和基坑支護參數(shù)。通過二元有限元分析，分析基坑的開挖對隧道的影響。2基坑支護變形與計算理論基坑工程不但要將其自身的基坑開挖保持安全和穩(wěn)定，與此同時還要對圍巖層給予徹底控制，現(xiàn)在因為各種原因也正朝著大的深挖方向，但是往往導致大的變形。所以挖掘深基坑對周邊建筑物，地下管線，道路等市政設施都會造成嚴重影響，以至于說這是一項非常復雜且風險較大的項目[23]。在城市建設過程中，必須嚴格對待基坑開挖變形問題，在進行設計時必須以基坑未開挖時的原狀土強度作為參考進行設計，運用變形控制理論，使基坑變形分析成為基礎工程設計相當有影響的一部分[24]。本節(jié)重點闡述基坑支護理論，能夠為后面的內容提供便利。2.1基坑變形與破壞計算2.1.1基坑支護設計與計算方法簡介基坑支護工程設計應因地制宜，充分了解基坑四周的環(huán)境條件和可能產生的不良影響，根據(jù)基坑深度及周邊建筑物的重要性進行設計，其支護方案應力求“技術可行、安全可靠、施工方便、經濟合理”[26]。基坑支護設計計算大致分三類：極限平衡法、彈性抗力法、平面有限元法[26]?；釉O計還應充分利用基坑平面形狀的有利因素，達到既安全，又節(jié)省。（1）支護結構水平荷載及抗力計算支護結構的荷載一般包括：土壓力（靜土壓力、主動土壓力、被動土壓力）、水壓力、施工荷載、地基超載、結構自重、支承預壓、溫度變化及周圍建筑物側向壓力[27]。水平荷載標準值：支護結構水平荷載標準值應按當?shù)乜煽拷涷灤_定，若無經驗時，應計算基坑土體荷載、地面外加施工荷載、基坑上部建構筑物荷載等[28]。計算方法按《建筑基坑支護技術規(guī)程》3.4的規(guī)定。水平抗力標準值：基坑內側底部土體水平抗力標準值按《建筑基坑支護技術規(guī)程》3.5條規(guī)定計算。2.1.2基坑變形現(xiàn)象基坑開挖變形主要是由于三部分互相影響形成的：分別是墻體變形、地面和地面建筑物沉降，基坑底部土體的隆起[29]。(1)墻體的變形①墻體水平變形基坑開挖過程會直接造成擋土墻受力不均衡，周圍的土體的原始應力就會被改變，導致?lián)跬翂Φ奈恢煤托螤罡淖?，而且還會有底層的變形伴隨。因為開始施工時機械會施加作用力，擋土墻從原土壓力，坑內外的主動土壓力在墻體底部全部或部分土壓，造成土壓力不平衡和壁面變形。擋土墻和主動土壓力區(qū)墻壁的變形和位移以及土體位移的被動土壓力，活動土壓力區(qū)的側壁受坑移動[30]，使得剪切應力后面的土層水平應力減少，剪力增加，而且在挖掘機挖動時會帶動下面的土體水平移動，增加了土體的水平應力，形成塑性區(qū)域，還增加了坑底土體的剪切應力，直接造成土體隆起和土體被側向擠壓。此時剛性墻體沒有支撐，則其（如水泥攪拌樁墻和吊樁墻）是最大位移方向的墻頂，以三角形的形狀出現(xiàn)[31]（圖2.1（a）），隨著挖掘的不斷深入，墻體的剛度與基坑位移三角形或平行剛體的水平相關;但是對于柔性墻如果支撐是頂部的墻壁位移是恒定的或逐漸移動到坑中，壁的腹部突出到凹坑（圖2.1（b）），壁的變形對側壁的土壤運動并且不僅引起地表沉降。塑料區(qū)的墻體擴大，最后，不但導致?lián)跬翂Τ霈F(xiàn)移動，而且還使坑底隆起程度越來越大，這就說明了底層出現(xiàn)移動的主要原因是墻壁變形。圖2.1墻體水平變形示意圖②墻體豎向變形實際來說，大部分因為其日益深入，土體的應力基本釋放，造成墻體不斷升高，進而使工程的穩(wěn)定性帶來了極大的危害。尤其是一些處于特殊狀態(tài)的工程，所以圍護墻出現(xiàn)下沉時，地面就會下沉[32]。(2)基坑底部的隆起在實踐中，人們一般不會重視墻體豎向位移測量，在原始應力狀態(tài)下因為沙土的內部發(fā)生局部的隆起，而這又是因為基坑內部的土壤以垂直卸載的形式進行彈性變化。所以在開挖深度很小的情況下，處于垂直卸載狀態(tài)的沙土會在局部的中心部位產生隆起狀態(tài)（圖2.2（a）），當然這也不會導致沙土兩側的擋土墻處于變形的趨勢。目前，整個施工在保持一定開挖深度的情況下，可以保持在基坑處于相對較寬時，也可以完全塑性隆起，并逐漸從中間部分逐漸變?yōu)橹行⌒偷男问健?圖2.2(b))，可是，不管是長條形基坑，還是比較狹窄的基坑，其形狀都是呈現(xiàn)兩邊小，而中間比較大的分布規(guī)律[33]。圖2-2基底的隆起變形示意圖(3)地表沉降針對基坑開挖引起地表沉降的問題，許多科學家都對此作出了深入研究，他們綜合多方面信息，采取多樣化手段，如模型實驗、有限元計算軟件、實測資料等。創(chuàng)造性的提出沉降曲線[34]。例如皮特教授提出的正態(tài)分布沉降曲線、還有指數(shù)分布曲線，以及上海金業(yè)分布曲線等。這些都是眾多學者對基坑開挖引起地表沉降所研究得到的成果。一般來說，地表沉降曲線基本與沉降量的體積有密切關系。在具體的實踐中，可能因為其他因素會影響地表沉降曲線有較大差異變化。這些因素包括入土深度、地質條件、施工方法、支撐的剛度、降水量等[35]。由此可見，在研究地表沉降曲線時，必須結合當?shù)氐木唧w條件，綜合多方面信息進行評價。根據(jù)以往的研究表明，其分布形式大部分包含2種類型，第一種，則是三角形[36]：三角形分布形式，目前是因為整個墻體進入土體的程度不能達到相應的要求，所以墻體自然就會發(fā)生不確定的移動現(xiàn)象，也就沒法避免的進行自然沉降，如圖2.3(a)所示。另一種是拋物線形式，目前出現(xiàn)最多的現(xiàn)象是因為墻體底部的地層深度過于突出，而地表沉降也就發(fā)生在基坑的附近位置，如圖2.3(b)所示。圖2-3地表的沉降曲線形式在一般情況下，地層的性質決定了沉降的范圍。保持對于墻的深度、基坑開挖的深度、墻的深度、開挖的施工方法等，需要予以技術支持[37]通常沉降范圍在（1?4）H。在基坑開挖時，影響范圍的情況出現(xiàn)最多的是如圖2.4所示。一旦程度過大的變形。在基坑開挖時發(fā)生，那么基坑的穩(wěn)定性就會受到嚴重的影響。圖2-4基坑開挖的影響范圍砂土和軟粘土的影響；（b）軟粘土時的影響范圍（進入土壤的情況處于較好的狀態(tài)）；（c）軟粘土時的影響范圍（圍護墻入土在軟弱地層的情況）2.1.3基坑破壞現(xiàn)象在設計和施工過程中，難免會出現(xiàn)各種錯誤，由此造成基坑的不穩(wěn)定性常常遇到。一般來說，引起基坑的失效原因有兩個方面：一方面是地基的強度不足；另一方面是基坑的剛度或者強度不夠，基坑的強度如墻體，支撐的強度也不滿足要求。其破壞的表現(xiàn)形式有一下幾點：(1)放坡開挖基坑在放坡開挖基坑的時候，坡度設計比較陡，雨水會通過管道滲漏。雨水滲入到土地中會導致土體的抗剪強度大大減少，直接造成兩側發(fā)生坑邊坡土體滑坡[38]。(2)無支撐剛性擋土墻基坑剛性擋土墻是由水泥土混合樁和噴射灌漿樁組成的一種基坑支護形式：①因為墻壁的整體深度并不是很高，而且因為墻土的力度太弱，同時剪切強度也不是處于最好的狀態(tài)等，所以就會不可避免的致墻體和周圍土體全部滑坡的破壞[39]；②為整個基坑周圍的樁基和其他土壤也處于正常工作的狀態(tài)，所以盡量保證基坑完成必要的裝載工作，比如也可以使用重型施工機械去應對因為非正常運動而造成的墻體所受壓力增加，或由于樁基設計的反側翻的安全系數(shù)不夠高，導致倒塌的現(xiàn)象發(fā)生；如果工程的正常防滑安全系數(shù)的預算不夠，或者由于施工地區(qū)的基坑土體強度也不夠高的情況下，墻體也可能會發(fā)生變形行為或整體的非正常的剛性運動[40];③如果面對壓力墻體的剪切強度不夠高的話，加上在設計時，沒有注意墻體自身的抗剪強度過小。墻體無法承受過大的剪切力，就會導致墻體自身形態(tài)發(fā)生破壞[41]。(3)無支撐柔性圍護墻圍護基坑具有柔性的墻體相當于很好的防護系統(tǒng)，其中包括由鋼板構建的樁基，由鋼筋混凝。土澆筑的墻體，同時也保持連續(xù)的狀態(tài)，而在另一方面的主要失效模式如下：當整個被擋墻體的剛度處于較小的狀態(tài)時，會自然而然的導致墻體后部的地面變形仍然保持較大的形式，以至于危及整個樁基周圍的地下管線，建筑物和內部結構等[42];當整個被擋墻體的剛度不能保持較好的施工形態(tài)時，使得埋在深層和嵌入到土層中的墻體時因為相應沙土壓力的作用將會導致墻體的斷裂[43]。2.2基坑支護結構受力變形分析由于能夠正常保持工程的建設進度，所以施工者要避免過度的挖掘行為，而且相對的支撐構架也要能跟的上工程的進度，但是目前的施工不僅缺少很多必要的擋土墻支撐，而且參與施工的部分單位也不能完全按照圖紙去進行施工，所以就會導致?lián)跬翂Ξa生不必要的斷裂，而且因為支撐軸向力太大，產生不必要的變形破壞和危險[44]。2.2.1計算模式要通過有限元法對圖2.5所示的樁體結構的模式和原理進行必要的計算，其主要原理是圍繞中心位置的彈性基梁自然旋轉90度，然后使得彈簧上方的開挖面能夠正常的順應到非工作結構。從正常的施工來看，該計算模式的特點是結構由完整的墻體進行支撐，而另一方面工程的結構同時受到沙土壓力的支撐。根據(jù)本計算模式的原理，簡化計算模型的思路，把復雜問題簡單化。可以把墻體分割，將單元格簡化為單元格上的節(jié)點，通過研究節(jié)點的集中力，對土體彈簧的載荷部分的分析與原理相似，并對最接近的土體單元進行了分類，然后分析了集中荷載的簡化操作和彈性支撐力下的節(jié)點，使用有限元負荷分析和擋土墻穩(wěn)定性研究的相關原理和計算方法。分析過程可以描述如下：首先，充分利用協(xié)調和支撐結構的作用，建立彈線形態(tài)模型，將土體結構和支撐結構進行深入分析，也可以利用變形原理做分析，這樣支撐結構的分析結果會比較準確[45]。圖2-5深基坑有限元計算模式2.2.2施工過程工況分析工況分析如下：(1)在觀測支撐支護部分的數(shù)據(jù)情況時，沒有出現(xiàn)超過預警值的數(shù)據(jù)，需要觀測的數(shù)據(jù)有平位移觀測、支稱力觀測、土體側向變形觀測、地面沉降等[46]。(2)進行水位的時間觀測，具體的觀測時間段是在基坑開挖之前，基坑的支護系統(tǒng)完工以后，這段時間內基坑的水位變化超過了預警值，那么就可以大致斷定漏水的位置在基坑止水幕的大致方位[47]。(3)周圍建筑物沉降觀測，在施工過程中，每7天對周圍的建筑物進行沉降觀測，因為周圍的建筑物已經進入穩(wěn)定沉降狀態(tài)，在基坑開挖的過程中觀測房屋的沉降是否超過了預警值，如超過了立即停止施工并制定防治措施[48]。根據(jù)實際施工過程中開挖的進度，根據(jù)基坑開挖的施工條件，確定支護結構開挖過程中受力的計算方法，并繪制相應的簡化圖如圖2.6所示。圖2-6考慮開挖過程的結構計算簡圖在開挖地鐵深基坑的標準段期間，施工開挖工況根據(jù)結構計算簡圖進行有效劃分，開挖方式運用盆式開挖，結構計算圖紙用黑色粗線表示安裝鋼支撐，黑點表示未安裝鋼支撐，如圖2.7所示。圖2-7開挖過程工況劃分2.3有限元分析原理2.3.1有限元基本方程（1)單元選擇和位移模式現(xiàn)如今，等參單元因為精準度相對比較高，在平面有限元數(shù)值當中應用的相對比較高，然而在實際過程當中，通常給予四結點等參單元或者八結點的等參單元，下面為了闡明位移模式，運用八節(jié)點等參單元來進行說明，如圖2.8所示。圖2-8八節(jié)點等參元的位移模式對于八結點的等參元，完全可以用二次多項式來說明其位移模式，形函數(shù)N可以表示任一點的局部坐標，能夠表明成為以下形式：(2.1)(2.2)在上式中可以得知坐標值，，在單元內，一點的位移都能夠表達成：(2.3)(2)幾何方程按照單元的位移模式，平面問題的幾何方程表示：(2.4)式中：為單元應變矢量；為單元位移矢量；為單元應變矩陣。(2.5)（3)本構方程先把式（2-4）代入上式，按照單元本構方程，可以得到(2.6)式中：為應力矢量；[D]為彈性矩陣。針對平面的應變問題，(2.7)可以使用體積模量B和剪切模量G表示彈性矩陣[D]，并且彈性矩陣[D]與泊松比v和彈性模量E的關系可以用以下公式表達：(2.8)（4）單元剛度矩陣根據(jù)虛功原理，可得：(2.9)式中：為單元結點力列陣；為單元剛度矩陣。(2.10)式中：為單元厚度，在平面應變問題中，?。?）整體剛度矩陣根據(jù)全部結點的平衡條件來講，即：(2.11)代入公式（2.9）得：(2.12)即：(2.13)式中：為整體剛度矩陣，由各單元擴大后疊加而成；為整體荷載向量，由各單元擴大后疊加而成；ne為單元總數(shù)。(6)等效結點力單元上的體力、面力以及集中荷載三者的等效結點荷載合成單元等效結點荷載，也就是：(2.14)式中：，為集中荷載矩陣；，為體力矩陣；，為面力矩陣。2.3.2模型破壞準則因為其的本身構成特點是非線性的，結構呈現(xiàn)顆粒狀的離散結構，因此當土體受到其他外部力量時，其表現(xiàn)就會是非線性特點[49]。因此，要深入研究其非線性特點，具體來說，研究內容有屈服準則、流動準則以及土體的破壞準則等等，土體受到外力時其自身的變化過程是，一開始受力土體就會表現(xiàn)出來一個非線性的應變曲線，同時外部力量負荷不斷增大，已經遠遠大過其自身可以接受的范圍，則就會產生一個流動以及屈服的現(xiàn)象，這種特征一直會持續(xù)的下去，最終土體被破壞才會結束。（1）土體破壞計算當土體受到的力到達一定極限，土體就會被破壞，這時候的形變和未破壞的形變完全不同，因此破壞準則就在這時出現(xiàn)，它是判斷土體是否被破壞的標準[50]。土體被破壞的關鍵是其應力狀態(tài)，因此可以把土體的破壞準則表達成：(2.15)式中：是應力分量的某種函數(shù)值，叫做破壞函數(shù)；是試驗確定的常數(shù)。已經有相關研究人員提出相關的準則，其中包含以下幾個方面前：1）摩爾－庫侖理論現(xiàn)如今，應用最為廣泛的就是這一理論，其破壞準則為：(2.16)其表明破壞與中應力沒有任何關系，在主應力破壞空間當中是平行于軸的一個面，與此同時投影在軸和軸構成的平面內。一旦理論無法確定，則成為六個面，在主應力空間內構成不等角的六角錐面。2）屈雷斯卡（Tresca）準則這一準則是假定最大剪應力達到某一數(shù)值時破壞，即(2.17)3）米塞斯（Mises）準則該準則認為偏應力q達到一定數(shù)值時破壞，它在主應力空間為圓柱面，即(2.18)米塞斯破壞準則認為：(2.19)其中和為試驗常數(shù)，為第二偏應力不變量。廣義屈雷斯卡（Tresca）準則和廣義米賽斯準則關系如圖2.9所示。圖2-9廣義屈雷斯卡（Tresca）準則和廣義米賽斯準則的關系（2）屈服計算土體在受到外力情況的時候，其受力的變化過程是這樣的，一開始土體表現(xiàn)出彈性關系。但是，當外力的作用超過土體的極限承受能力時，就會由彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃危藭r土體的最大應力的強度叫做屈服強度[51]。伴隨著側向壓力的增加，屈服強度也會隨著增大，而且理想彈性塑性是因為塑性行為被假定的。同時，對于與Drucker—Pager屈服準則相符的土體，還能夠思考土體的體積膨脹是因為其屈服改變造成的。關于屈服準則的等效應力表達式是：(2.20)其中，，平均應力或靜水壓力；為偏差應力；為材料常數(shù)，其值用土體的內摩擦角表示為；為Mises屈服準則中的，描述屈服應力隨方向變化的矩陣；土體的屈服參數(shù)定義為：(2.21)由式（2.20）和（2.21）可以得出Drucker—Pager屈服準則的表達式如下：(2.22)當材料參數(shù)和給定后，其屈服面是一個圓錐面，此圓錐面與六角形的Mohr—Coulomb屈服面相切。（3）塑性應變分析流動準則不僅能夠與反映屈服單元的當前應力狀態(tài)和土單元下一步塑性應變增量的相互關系，還能夠用來闡述當土體發(fā)生屈服時其塑性應變的方向是怎樣的[52]，即，單個塑性應變的分量隨著屈服的變化能夠被流動準則完美的定義，現(xiàn)在用塑性勢函數(shù)g來表示：(2.23)其中：為非負的比例因子，取決于應力狀態(tài)和加載歷史，g為塑性勢函數(shù)，是關于應力的函數(shù)。2.3.3土體變形的有限元模擬分析在運用有限元軟件進行分析計算時，對于土體與地下結構的相互關系進行分析，不但要根據(jù)其特性，而且要分別對其采用非線性應力應變關系，更要對地下結構與土體接觸表面給予特殊的重視。兩種極端簡化的假定理論分別可得[53]：（1）假如接觸的面十分粗糙，則能夠說明土體與結構之間滑動的概率為零；（2）倘若基礎面比較光滑，那就不會有剪切應力，也就是說土體與結構之間沒有可以阻止滑動的應力。很明顯，以上的理論是在理想化的狀態(tài)下做出的假定。與實際情況不符。在特定的條件下，對材料的二維單元兼設置的接觸面單元，在受力前后的變化如圖2.10所示。圖2.10（a）表示接觸面單元法向受拉應力，，使兩邊二維單元在接觸面上互相脫開；圖2.10（b）表示，接觸應力為壓應力，則兩邊二維單元互相嵌入。圖2.10（c）表示接觸面上，受剪，使兩邊二維單元錯開。2.10（d）圖表示受和共同作用的結果。本文采用特殊的接觸單元，對接觸面受力特性進行了全面合理的反映，利用古德曼接觸面單元進行表達，如圖2.11所示的單元模型，接觸面由兩個接觸面單元組成，分別是ij和mr，其長度均為1。兩個接觸面單元沒有厚度，也就是說完全吻合，但有長度。帶為t，是垂直于xz平面的量，也是一維單元，一般有力聯(lián)系的地方在結點處，而結點是在接觸面單元和與之相鄰的接觸面單元或者二維單元之間。每個單元上結點有四個分別是i、j、m、r，坐標原點被放在單元形心上，單元兩邊是土體和結構材料。圖2-10接觸面單元受力變形情況圖2-11接觸面單元在結點力作用下，兩片接觸面間的彈簧受內剪應力、正應力，即內應力為：(2.24)在兩片接觸面之間產生相對的水平位移差、垂直位移差，即相對位移為：(2.25)式中角標s表示切向，n表示法向。在線性彈性假定下，應力與相對位移(變形)成正比，其關系式為：(2.26)(2.27)和分別為接觸面單元的切向和法向的單位長度勁度系數(shù)，由試驗決定。對彈性材料為常量，若材料具有非線性特性，則它們?yōu)樽兞?。利用線性位移這種模式，結點位移是被多個方向的結點位移表示的，這些方向是每一片接觸面上的力沿著長度的方向。通常只有在結構與土體的界面處來設置接觸單元，才能夠精確的模擬結構與土體的綜合作用[54]。本文利用有限元分析軟件ANSYS，以土體表面的接觸面為準，針對接觸面實現(xiàn)土體與結構接觸面的狀態(tài)進行了非線性的仿真模擬。2.3.4建筑基坑開挖基本過程模擬（1）初始狀態(tài)的確定在非線性的分析計算中，應力狀態(tài)起關鍵決定作用，所包含的彈性常數(shù)由其決定[55]。因此，在加載荷載前首先確定初始應力狀態(tài)，它不僅對初次加荷載有影響，而且還會對后面每一級荷載均會受到其影響。但是在實踐中，根本無法確定土體的初始應力狀態(tài)，因此會取近似值，用土體的自重應力代替，(2.28)z表示土體表面到單元形心的深度，而需要考慮土體表面是傾斜還是水平。假如發(fā)現(xiàn)基礎面是水平的，那么τ=0，則上下相鄰單元的平均值為。假如發(fā)現(xiàn)接觸面是豎向的，則τ=0，則左右相鄰單元的平均值就等于法向應力。（2）邊界條件及計算范圍在進行二維有限元分析時，只有當施工條件、介質條件、結構形式、荷載分布都是對稱分布時，研究對象可以直接選取對稱軸一側對其進行分析[56]。（3）單元劃分及選取在進行二維有限元分析計算時，將結構劃分為4個或者8個界定單元，在劃分土體時，可將其分為4或者8個節(jié)點等參單元；因為土體和結構之間的相互作用，會使得二者之間發(fā)生相對錯動，因此，模擬時利用二者之間的接觸面進行。（4）初始應力的計算初始應力是由于自然狀態(tài)下產生的，因此也叫地應力，其產生的原理是地質構造作用和巖石土體的自身重量二者相互作用的結果[57]。在開挖底層時，有時候計算表面的深度函數(shù)時可以直接用初始應力代替，這時候必須滿足條件，水平地面無限大，剪應力無論是在垂直面還是在水平面都沒有。2.4基坑施工對地鐵隧道結構的危害及變形控制措施2.4.1基坑施工的危害建筑物在使用時，首先滿足的條件就是承載力要求和材料的強度、剛度等要求，巖土工程施工時，必然會對附近地下結構產生應力和變形。同時，新的工程如隧道等也會對舊的、已經存在的建筑工程產生各種不良影響[58]。造成這種影響的主要原因是新建的項目會對巖土體的承載力進再分配，從而導致巖土周圍的應力變化，施工過程中，大型機械一次性做的功很大，也有可能對巖土體的應力產生影響。因此，就城市地鐵隧道而言，整個過程地下結構引起的變化十分復雜，內力和應力分布特點也十分的繁瑣，在建設時，投入大，不管發(fā)生任何的事故，都會造成巨大的經濟損失和人民的生命財產受到威脅。地鐵隧道和地下工程施工完畢后，巖土體結構有原先的狀態(tài)會隨著工程的進行逐漸變化，一直到工程結束，土體內部會形成新的內力和應力平衡，重新達到穩(wěn)定的狀態(tài)，但是由于原狀土和建筑用材料的剛度不同，而且深基坑在施工過程中會對周邊土體產生擾動，造成周邊的土體形狀的不協(xié)調形變[59]。在隧道挖掘過程中，一般會出現(xiàn)地下隧道與建筑物的差異性變形，這是因為開挖深度越來越深，負荷脫落土體的位移和形變越來越明顯，結構變形越來越大，并且有逐漸向外擴張的趨勢。在進行隧道挖掘施工過程中，會對周邊環(huán)境結構產生的影響表現(xiàn)在：減少結構變形和地面沉降變形，降低管道斷裂對周邊建筑物的影響和復雜的社會影響，基坑邊坡崩塌，地下水位下降，地下室隆起變形，在深基坑施工中，包括樁基和地下連續(xù)墻和基坑開挖施工等，勢必導致底土卸載反彈，支護結構土壤的側向運動，地下水位變化地面沉降在坑外，明顯影響到使用地鐵安全功能，甚至使地鐵隧道附近地鐵隧道施加的應力對相鄰地鐵隧道造成嚴重傷害[60]。綜上所述，基坑開挖對現(xiàn)有地鐵結構的影響主要有以下幾種可能的變化：（1）在基坑開挖時，基坑的在進行維護結構施工時，必定會使周圍土體造成側向位移，但是在實際操作中，隧道結構的材料和周圍土體的材料的差異導致沉降也會不均勻，這就會給工程的施工造成一定的負面影響。（2）在地鐵結構的勘探當中，相鄰的土壤大部分已趨于穩(wěn)定，當挖掘過程當中，除了以上在地鐵結構的勘探中，周圍的土壤已經基本穩(wěn)定，當附近基坑正在挖掘時，除了上述土體發(fā)生卸荷效應，整個基坑開挖過程也會造成周圍土壤的松動，使得周圍土體的承載力下降。（3）基坑開挖過程中可能導致坑外地下水位的變化，所以可能導致地下水位下降，使該地區(qū)的隧道上有效應力增加，導致在隧道內部的結構變形和應力變化。（4）由于地下開挖引起的大量土體隆起，導致基坑內地鐵結構不斷反彈。2.4.2基坑變形的控制措施（1）在實際施工進程中，根據(jù)地理位置、工程要求選擇最合適的圍護結構對于工程的順利進行，有著至關重要的作用，選擇什么樣的基坑支護結構一定要從各個方面的誘因進行考慮，其中包含相鄰環(huán)境對其的要求、地質情況、工程功能、經濟技術條件等綜合考慮，每種方法都有優(yōu)點，也會有其不足之處，在實際應用中根據(jù)，《基坑工程手冊》進行有效選取。（2）選定合理的支撐結構體系。在選擇支撐體系時，要綜合多方面的因素進行合理選取，如周圍的環(huán)境、地理位置以及地質條件等，因地制宜，在密集的市區(qū)進行基坑開挖時，根據(jù)其地質條件的優(yōu)良性能進行選擇，優(yōu)良的土體可以優(yōu)選打設錨桿的方法等[61]。（3）施加預應力減少基坑的變形在進行邊坡加固時，一般有兩種方式，一種是錨桿，另一種是支撐，通過對其施加預應力來控制變形的錨桿支護。錨桿是通過拉力來調動土體的深淺的作用，通過拉力為支護結構提供水平力，按照其周圍的相關特征，選取一個相對應的類型，目前用得最多的是粘結性錨桿，其主要作用是通過粘結邊緣材料，進而使錨固得到保證，在一系列的土體當中應用相對較為廣泛，同時還不會受到土體的限制，并且可以與多種支護類型進行配套使用。而預應力錨桿的作用主要是通過對其錨桿上施加的壓力實現(xiàn)的，這種錨桿使用會受到壓力極限值的限定，壓力超過極限值，其錨固作用就會減小甚至失效[62]。另一種方法是鋼支撐，在鋼支撐上施加預應力的優(yōu)勢明顯，能夠對周邊墻體進行一定的壓實，從而提高了墻體的強度，減少基坑的變形。在施加預應力時需要注意，如果預應力過大，可能會造成支撐所受的壓力變成拉力，支撐失去效果；但是預應力太小的話，墻體的變形很難通過支撐控制的。計算得出，在預應力施加的過程當中，其大小已經在軸力的70%以上，之后在不斷增加也對其的幫助并不是非常大，然而一旦相對比較小的話，也會使其具體效果明顯降低。所以，一般在施工時施加的預應力大小大致可以恢復到以往的狀態(tài)，實際數(shù)值在這一情況之下所計算出來的占總體的十分之五到十分之九，而對于上層的支撐，施加的預應力應該盡量小，下層的盡量大[63]。（4）選擇合理的內支撐或錨桿的豎向間距在具體施工過程當中，其豎向當中的間距一定要明顯的減少，這一措施能夠取得良好的效果，不但能夠使墻體的剛度明顯增加，而且還會減少支護時間，更能夠促進墻體背面分布的壓力更加均勻。通過實驗能知道，第一道支撐一般不會靠近坑下，這樣做的目的是盡量減小墻頂?shù)乃轿灰?，一般情況下，第一道支護盡量小于土體的自立高度。在最下面的支撐結構應該緊靠最下面，此種情況在軟黏土層中應該特別注意。另外，為了減少地表沉降和墻體的水平位移，第一道支撐的位置盡可能的往下面安置，這能夠大大提高基坑的穩(wěn)定性。在軟土地區(qū)，第一道支撐要注意，首先，第一道支撐要在地表下1.0~2.5厘米當中給予安全設置，之后是支撐盡量不斷的向上，之后每一道之間的距離在2.5-4.5厘米，其次是支撐盡可能的向上，然后每道支撐的間距在2.5~4.5m之間。另外要注意的是最后一道支撐應該最大限度的降低支撐的布置位置。（5）頭道支撐目的就是為了能夠其位移明顯減少，具體來說就是為避免產生大的水平位移，要科學、合理的規(guī)劃頭道支撐的具體位置和施工的時間。（6）為了起到控制水平位移最好的效果，數(shù)道支撐的排列方式應該是上疏下密。在規(guī)劃設計時，要合理選擇最合適、最經濟的支撐數(shù)量，過多或者過少都會產生不良影響，如基坑不穩(wěn)定，變形等相關問題。（7）對基坑底部或被動區(qū)土體進行加固。根據(jù)被動區(qū)域，為了提高土體的強度以及被動土壓力，需要對被動受力區(qū)進行加固，這樣不僅能夠減少土體的滲透系數(shù)，對基坑的防水有一定作用，而且還能夠使其抗隆起的能力進一步增加，所以，對這一區(qū)域給予有效加固能夠使其的變形和地表沉降明顯減少，基坑變形主要受加固方案和效果影響，具體來說，加固這一方案指的是其實際做法、深度、形狀以及寬度等，通過嚴格的計算，其可以明確得出深度在0.2H的時候，地表沉降減少30%，而深度再繼續(xù)增加，對于減少沉降的影響就微乎其微了。（8）在施工時，注意圍護墻體的入土深度應該保證最小，反之就會導致“踢腳”事情出現(xiàn)，導致其最下面的位移進一步增加，然而一定要注意的就是，其深度在0.9-1.0H以上的時候，其深度還會進一步增加對基坑的穩(wěn)定性和變形的控制作用變得越來越小，但是如果支撐系統(tǒng)的道數(shù)密集，并且剛度很大的基坑結構，繼續(xù)增加深度，對于穩(wěn)定性和變形的控制作用也會相應的增加。通常情況下，盡早假設支撐結構就會避免基坑的整體性失穩(wěn)，也可以避免因為影響變形。故而在實踐中，會盡可能的減少入土深度，具體操作時是根據(jù)整體穩(wěn)定性和避免管涌的條件精確計算出需要入土的最小深度。2.5基坑支護方案基坑支護種類很多，常用到的支護有：樁排支護、水泥樁支護、地下連續(xù)墻支護、錨桿支護、擋墻支護、深層攪拌鋼板樁支護、放坡支護、深基坑支護結構、鉆孔灌注樁支護等的類型如表2.1所示。表2-1深基坑支護結構的類型支護結構水泥擋土墻深層攪拌水泥土樁高壓旋噴樁排樁和板墻式板樁式鋼板樁鋼筋混凝土板樁型鋼橫檔板樁排式鉆孔灌注樁挖空灌注樁板墻式現(xiàn)澆地下連續(xù)墻預制裝配式地下連續(xù)墻邊坡穩(wěn)定式土釘墻錨噴網逆作拱墻式放坡下面主要介紹幾種主要而且比較常用的基坑支護類型：（1）深層攪拌水泥樁支護這種基坑支護結構的主要用料是水泥，充分利用水泥的固化作用，使用機械深層攪拌機，將水泥和軟土劑混合均勻攪拌，最終會形成水泥柱狀和擋土墻狀的兩種支護結構，此方法的優(yōu)點是不僅可以擋土和止水，而且還能夠降低污染，具有減震無噪音。但此方法也有不足之處就是支護的長度和厚度都過大，使用條件單一，甚至可能對周邊環(huán)境產生不好的影響。（2）鋼板樁的支護鋼板樁的支護在我國被廣泛應用已經很長時間了，其特點是使用簡單。并且鋼板樁支護具有多種形式，不僅有H、Z、U型支護，而且還有組合型、直線型、冷壓薄板型等多種形式。在實際應用過程中，鋼板樁支護的圍護結構通常是與外拉錨墊板或者是內支撐的型鋼來組合在一起使用，由于鋼板支護樁耐久性強，能夠反復使用，節(jié)省材料，施工的時間較短，能夠適應各種應急工程，因為這些優(yōu)勢，在我國被大部分地區(qū)普遍使用。但是鋼板支護也有其缺點，那就是除了需要的成本比較大外，還無法擋水以及阻隔微小土粒。由于長期浸水容易生銹，導致鋼材強度下降，因此有水的地方在做鋼板樁支護時需要做隔水處理，鋼板的抗壓性能小，受到壓力容易變形，因此在實際操作中要慎重考慮，運用鋼板支護的優(yōu)勢，避免鋼板支護的不足。（3）地下連續(xù)墻的支護地下連續(xù)墻支護在我國的建筑過程中被廣泛應用，尤其在建筑物密集的地方運用的更多，它最凸出的優(yōu)點就是不僅對周邊建筑物的基礎沒有影響，而且還有能夠承受很強的側壓力，在基坑開完以后，它自身的變形很小、地面沉降也很小。因此在建筑中用的最多。（4）土釘墻支護土釘墻支護形式主要應用于邊坡支護，例如山體開挖，修建公路兩側的山體等地方，往往能夠在較大的邊坡上做支護結構。土釘群、被加固的土體以及混凝土面板三者共同組成這種支護形式，它事故土釘和土體的復合版，形成了與重力墻類同的擋土墻，由于這些特性，它能夠更好的保護開挖面的穩(wěn)定性，土釘之間的鋼筋網具有很強的彈性，能夠有效的抵御土釘之間的形變，而噴射的混凝土層面不僅可以防水，而且能夠防止土粒流動，土釘則吸收了錨桿的優(yōu)勢，具有很強的拉力，能夠很好的吸附在開挖的土體面上。具體來說，土釘墻支護具有以下的特點：①施工完畢后形成復合體，具有很好的整體穩(wěn)定性，承載力很好；②施工設備簡單，施工過程方便，工程的資金投入少；③工作空間小，占地少，能夠與適應較小的空間施工；④支護結構變形小，噪音小，對附近環(huán)境幾乎沒有影響。（5）噴錨網支護這種支護方法在施工時及時、快速，而且占用系統(tǒng)空間小，能夠實現(xiàn)邊挖邊支護，緊跟工程的進度進行支護。在進行支護設計時，將土的壓力均分給多個錨桿，錨桿密集組成錨桿群，將土的壓力均攤到每一根錨桿上，在密集的錨桿同時受到拉力，這樣就能夠把土加固成為能夠自己支撐的穩(wěn)定土體。穩(wěn)定性驗算實質是根據(jù)錨桿和鋼筋土體作為重力式擋土墻，而支撐邊的外邊緣沒有施加錨固土體的側壓力。能夠有效保證邊坡的穩(wěn)定性。噴錨網支護和傳統(tǒng)的支護方法相比，其成本低，經濟效益高，邊坡穩(wěn)定性好。因此應用也十分廣泛。3工程地質背景及理正結構分析3.1工程地質條件3.1.1工程概況此建筑項目共有十九層，其中地上十六層，地下三層，本工程以筏板作為基礎，建筑±0.000等同于當?shù)爻墙ǜ叱?2.650m?；有螤钍欠叫纬叽?，南北距離某大學50m，東西有44m，整個周長180m。此項目的基坑旁邊有地鐵二號線地鐵站，隧道的底標高是-15.23m，頂標高為-9.23m，標高差為6m。地下室的底板面標高是-14.40m，此工程的基坑支護的地下連續(xù)墻外邊線和隧道外壁的凈距離1111.5m，設計的標高是-15.00～15.50m，因此，地鐵隧道底面埋深和基坑開挖的深度差不多一致。在進行基坑支護時，采用的支護結構是由十二道鋼筋混凝土內支撐再結合地下連續(xù)墻共同做的支護結構。另外，連續(xù)墻外利用柵格式攪拌樁進行加固處理，這些攪拌樁的具體數(shù)量和規(guī)格是7排直徑550間距400的柵格布置的。在施工時，攪拌樁攪拌攪拌到無法再繼續(xù)攪動才會停止。同樣，其他的側面支護結構采用800厚的地下連續(xù)墻加上十二道鋼筋混凝土的內支撐結構，同時地下連續(xù)墻還可作為地下室的外墻如圖3.1所示。圖3-1基坑支護與地鐵區(qū)間關系剖面圖在基坑開挖時，施工過程可能會對隧道產生不利影響。具體來說，基坑施工過程中會對南面的地鐵一號線之間的隧道形成結構變化等影響，對此進行分析研究，根據(jù)現(xiàn)場的實際工程狀況，包括巖土地質條件等，針對基坑支撐保護的結構設計思路，施工工況的綜合分析，對基坑對隧道的影響進行科學合理的評價，用實驗數(shù)據(jù)來說明隧道結構將會受到什么樣的影響，應用本章所提到的MidasGTS軟件，以決定網格劃分的方便與否決定了一個數(shù)值模擬軟件的優(yōu)劣，GTS能夠大大的簡化用戶的工作量，例如可以自動快速的劃分網格，從而減少用戶自己劃分網格的時間，加快了工作進度，改善工作進程。在整個GTS軟件的使用過程中，可以通過導入三維地形圖資料，利用軟件可以直生成三維模型。這樣不僅能夠模擬地形分布，而且還大大節(jié)省建模的時間。在此軟件中，有專門的工作樹能夠覆蓋各式各樣的信息，包括網格組、荷載、邊界、幾何曲線等信息，這樣就可以使用戶在應用過程中非常方便快捷，同時用戶在對模型進行調節(jié)時簡單快捷。這是因為，一方面這個基坑有明確的支護結構體系，而連續(xù)墻和內部的多個支點共同構成支護結構；在場地方面，有很深的軟塑性泥層，地層的上部差。由于地鐵距離基坑距離很近，最近的地方只有11m。因此，為了對基坑支護對附近地鐵隧道究竟產生多大的影響進行深入研究，采用有限元軟件對基坑支護過程進行模擬分析，從而得出科學的數(shù)據(jù)，以此來論證基坑施工對地鐵隧道的變形影響，最終進行了科學有效的安全性評估。3.1.2場地地貌概況這次研究的場地標高在12.59-12.73m之間，這個場地是長江三角洲沖擊平原，水文地質條件典型。通過查找相關資料，得知這個場地沒有垂直斷裂通過，但是距離場地附近有斷裂通過，通過評估判斷，對本次研究影響不大，可以忽略不計。地質條件典型主要體現(xiàn)巖性的破碎程度和裂隙是怎樣發(fā)育變得。3.1.3場地水文地質條件通過調查得知，本場區(qū)的地下水情況是第四系上層孔隙水和下部基巖的裂隙水構成。經過鉆探測得地下水位深度在1.3m左右，誤差在正負0.5m。地層上部土質結構多孔松散，可以有效積水，再往下是積水層，其構成是淤泥、粉質粘土，二者的透水性都比較差，能夠把水阻擋在一側；最下面的巖石，在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)，巖石有漏水現(xiàn)象，而且本地的基巖裂隙發(fā)育完全，因此能夠得出結論就是此地一定含有裂隙水。3.1.4巖土工程特征和巖土參數(shù)的分析確定經過對底層的鉆探實驗，發(fā)現(xiàn)此地的地層形成類型不同，可以劃分為第四系人工填土、殘積層(Q4el)、沖積層(Q4al)等，地層的從新的到就的地層變化趨勢如下圖：（1）人工填土層大部分為雜填土，大多數(shù)伴有碎石塊等相關成分組成，在場區(qū)雜填土的分布比較均勻連續(xù)，分布厚度比較密實，分布的厚度在2.50-3.20m，平均厚度為2.94m。（2）沖積層