軟土地下工程的關(guān)鍵土工問題

軟土地下工程的關(guān)鍵土工問題

工程概況及分析隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，所有主要城市都在開發(fā)地下空間，發(fā)展速度很快。以地鐵工程為例,北京、上海、廣州等多個(gè)城市已擁有多條地鐵,還有多條線路仍正在建設(shè)及規(guī)劃建設(shè),地鐵建設(shè)熱潮已蔓延至眾多內(nèi)陸城市。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,越來越多城市趨向于一體化方向發(fā)展。為縮短城市間的交通距離,提高通行流量,大型城際交通設(shè)施也得到了大量建設(shè)。近年來,越江(跨海)隧道呈現(xiàn)大直徑、長(zhǎng)距離等特點(diǎn),如上海長(zhǎng)江隧道外徑達(dá)15.43m,盾構(gòu)推進(jìn)距離達(dá)7.5km,是世界直徑最大的隧道之一;在建的錢塘江過江隧道盾構(gòu)直徑與長(zhǎng)江隧道相同,全長(zhǎng)4.2km,將穿越著名的錢江涌潮河段。為避開既有地下設(shè)施,城市地鐵的深度也在逐漸加深,如當(dāng)前上海地鐵最大埋深已經(jīng)超過30m。隨著建筑體的巨型化,當(dāng)前基坑工程規(guī)模也越來越大,如上海500kV世博變電站基坑開挖深度超過了33m,是目前世界上最大的全地下變電站,上海虹橋綜合交通樞紐工程基坑總面積超過15多萬平方米。隨著地下工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和密度的提高,面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和施工風(fēng)險(xiǎn)也越來越大,特別是在沿江、沿海軟土地區(qū),由于其地質(zhì)環(huán)境極脆弱敏感,建設(shè)難度劇增。近年來,地下工程導(dǎo)致的工程事故屢見不鮮,如2003年7月,上海地鐵4號(hào)線浦西聯(lián)絡(luò)通道特大涌水事故引起嚴(yán)重地面沉降,黃埔江大堤斷裂、周邊建筑倒塌,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)15億元;2007年12月,南京地鐵2號(hào)線漢中門站至上海路站區(qū)間隧道施工涌水,市區(qū)主干道路面塌方,形成約10m深、50m2的大坑;2007年3月,北京地鐵10號(hào)線蘇州街站東南出入口處發(fā)生坍塌事故,塌方面積約20m2,深約11m,造成6人死亡;2008年11月,杭州地鐵1號(hào)線湘湖站基坑工程倒塌失穩(wěn)特大事故,地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全倒塌,11輛汽車墜入坑中,21人死亡;2009年3月,德國(guó)科隆市中心南部地鐵線路中的一段在建設(shè)過程中全部倒塌,造成周圍地面數(shù)棟建筑被毀,使得科隆歷史檔案館嚴(yán)重受損,損失了無數(shù)的具有珍貴歷史價(jià)值的檔案及資料;2011年3月,深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程大新站3號(hào)出入口發(fā)生基坑失穩(wěn)事故,基坑附近路面塌陷,出現(xiàn)直徑約4m、深3m的大坑,并導(dǎo)致市政排污干管爆裂。由于地下工程施工常在管線密布、建筑物密集、車流和人流量大的環(huán)境下進(jìn)行,施工造成的地基變形將危害到臨近既有建筑物、市政管線及既有地下設(shè)施,并可能影響人們的人身安全。以往已發(fā)生過一些地下工程施工引起的環(huán)境影響的實(shí)例,如地鐵工程中,施工后發(fā)生地表沉降的概率較高。以深圳地鐵1號(hào)線的建設(shè)為例,施工期內(nèi)地面沉降事故占了總事故的25%,其中一期工程暗挖施工段最大地表沉降達(dá)到了300mm。冗余度可以被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)抵抗連續(xù)倒塌的能力。結(jié)構(gòu)冗余特性是指結(jié)構(gòu)在初始的局部破壞下改變?cè)械膫髁β窂?并達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力特征。充分的結(jié)構(gòu)冗余特性允許結(jié)構(gòu)“跨越”初始的局部破壞而不向外擴(kuò)展,從而避免連續(xù)性破壞或倒塌的發(fā)生。國(guó)外對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌問題及建筑的冗余度已經(jīng)進(jìn)行了30余年的研究,連續(xù)倒塌分析受到了廣泛的關(guān)注,并形成了相應(yīng)的指導(dǎo)性文件。國(guó)內(nèi)對(duì)連續(xù)倒塌分析也已針對(duì)一些重大工程開展了研究,并已在部分重要建筑的設(shè)計(jì)過程中引入了這一分析方法。從近幾十年來的重大基坑工程事故來看,單純的土體強(qiáng)度引起的基坑失穩(wěn)所占比例有限,很多基坑事故都是由于擋土結(jié)構(gòu)或支撐體系等結(jié)構(gòu)的局部破壞或局部變形過大引起的。因此,有必要針對(duì)重要地下工程與基坑工程引入冗余度設(shè)計(jì)理論,以提高基坑工程這種多場(chǎng)、多體的復(fù)雜工程的安全性和穩(wěn)定性?；庸こ痰闹苓叚h(huán)境越來越復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格、節(jié)能減排、走可持續(xù)的發(fā)展道路等要求給軟土基坑工程新技術(shù)的表現(xiàn)提供了廣闊的舞臺(tái)。支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合技術(shù)、超深水泥土攪拌墻技術(shù)、軟土大直徑可回收式錨桿支護(hù)技術(shù)、預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁支撐技術(shù)等新技術(shù)以其鮮明的技術(shù)特點(diǎn)、有利于節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入了工程應(yīng)用行列,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。地鐵運(yùn)行后,多種因素引起的軟土隧道沉降,對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)造成較大的影響。隨著國(guó)內(nèi)外地鐵的大量建設(shè)和運(yùn)營(yíng),盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)不斷暴露的問題逐漸引起人們的重視。如上海地鐵1號(hào)線1994年建成通車至今,某些區(qū)段最大沉降量已接近30cm;地鐵2號(hào)線2000年4月到2001年4月平均沉降量達(dá)到了14.25mm,沉降速率已相當(dāng)大。在軟土地區(qū),由于下臥土層軟弱且分布不均,長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后極易引起局部不均勻沉降,長(zhǎng)期不均勻沉降將影響隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、接頭防水及軌道的平整度等,并影響地鐵乘坐的舒適度及安全運(yùn)營(yíng)。由于盾構(gòu)法隧道的施工特點(diǎn),隧道襯砌通常采用通縫拼裝或者錯(cuò)縫拼裝,在飽和軟土地層中,不論錯(cuò)縫拼裝還是通縫拼裝,在隧道長(zhǎng)期沉降的發(fā)展過程中,這些拼裝縫不可避免地會(huì)產(chǎn)生局部滲漏水的現(xiàn)象,隧道的局部滲漏會(huì)加速隧道長(zhǎng)期沉降的發(fā)展,進(jìn)一步損害隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全。上海打浦路越江隧道投入使用的16年中,其長(zhǎng)期沉降增量達(dá)到120mm,造成隧道的撓曲并發(fā)生環(huán)向裂縫。根據(jù)上海地鐵1號(hào)線10年來的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),隧道在建成后沉降一直在發(fā)展,局部最大沉降量超過200mm,至今仍沒有穩(wěn)定的趨勢(shì)。目前在建的錢江隧道,當(dāng)建成運(yùn)營(yíng)后,隧道結(jié)構(gòu)不僅要承受大流量車輛運(yùn)營(yíng)荷載,還將受到錢江涌潮及河床沖刷導(dǎo)致隧道局部埋深變化等多種復(fù)雜因素影響,其長(zhǎng)期沉降尤其是不均勻沉降需引起足夠的重視。由于地下工程位于地下的特殊性,以往普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)由于受周圍土體約束,具有良好的抗震性能,再加之大部分地下工程設(shè)施均為近年來建成的,大多沒有經(jīng)歷過地震,因而這方面的研究往往被忽略。但在1995年日本阪神地震中,地鐵車站及區(qū)間隧道受到嚴(yán)重破壞,才逐漸引起人們對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震研究的重視。在近年來發(fā)生的幾次大地震中,如土耳其伊茲米特地震、伊朗巴姆地震、四川汶川地震以及最近的日本大地震都說明了地震對(duì)地下工程的破壞性。地震的頻發(fā)使得人們?cè)絹碓街匾暤叵陆Y(jié)構(gòu)的抗震問題,目前該研究已成為巖土工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)。美國(guó)、日本等國(guó)家曾對(duì)地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)行過大量研究,我國(guó)在這一領(lǐng)域研究目前相對(duì)滯后。軟土地下工程涉及面廣,影響因素多,一直是巖土工程界的研究熱點(diǎn)。目前,相關(guān)研究主要集中在以下幾個(gè)方面。1軟土工程的分析方法和新技術(shù)1.1極限平衡法:基于土體傾斜的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析是基坑設(shè)計(jì)分析的主要考慮因素之一。目前除無支護(hù)放坡開挖,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要形式有:土釘墻、水泥土重力式擋墻、灌注樁排樁圍護(hù)墻、鋼板樁圍護(hù)墻、鋼筋混凝土鋼板樁圍護(hù)墻、型鋼水泥土攪拌墻和地下連續(xù)墻。目前針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的分析方法有極限平衡法、地基反力法和有限單元法。極限平衡法在基坑設(shè)計(jì)早期提出,一直被廣泛應(yīng)用,是目前我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)人員最熟悉的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法之一。由于它計(jì)算簡(jiǎn)單、使用方便,常用于空間效應(yīng)不明顯、地層較均勻、周圍環(huán)境較穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。該方法不考慮墻體變形和橫向支撐變形,僅通過已知的土壓力計(jì)算墻體的傾斜。極限平衡法的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于土壓力的計(jì)算。Janbu以及Peck首先對(duì)基坑周邊土壓力分布和計(jì)算進(jìn)行了研究。魏汝龍對(duì)開挖卸載和被動(dòng)區(qū)的土壓力計(jì)算進(jìn)行了研究;楊曉軍等考慮地下水水壓力對(duì)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力影響,提出了有地下水時(shí)土壓力的計(jì)算方法;李廣信對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的分算與合算進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步針對(duì)滲透對(duì)土壓力的影響進(jìn)行了分析。與極限平衡法相比,地基反力法可以考慮支撐軸力、墻體彎矩、土壓力等隨開挖過程的變化,能合理解釋結(jié)構(gòu)剛度和土剛度的作用,目前地基反力法以m法應(yīng)用最為廣泛。王建華等建立空間三維m法并將其應(yīng)用于深基坑的支護(hù)分析中。有限單元法可以考慮深基坑工程的復(fù)雜性,模擬很多常規(guī)方法難以反映的因素,如土體的非線性、彈塑性、樁土接觸面的摩擦效應(yīng)等,因此該方法在實(shí)踐中得以廣泛應(yīng)用。Ou等利用三維有限元技術(shù)分析了基坑的邊角效應(yīng)對(duì)圍護(hù)體系的影響;俞建霖等用三維空間有限元研究了基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、土壓力的空間分布及基坑的幾何尺寸效應(yīng);R.J.Finno利用三維有限元分析了基坑尺寸、圍護(hù)墻剛度對(duì)基坑支護(hù)和周邊土體位移的影響。1.2抗起落架穩(wěn)定分析方法基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析對(duì)保證基坑穩(wěn)定和測(cè)控基坑變形有重要意義。當(dāng)?shù)鼗梁偷孛婊詈奢d在基坑基底所產(chǎn)生的垂直荷載超越了基底以下的土體所能承受的極限荷載時(shí),地基中的平衡狀態(tài)受到破壞,就會(huì)發(fā)生坑壁土的流動(dòng)現(xiàn)象,導(dǎo)致坑頂下陷、坑底隆起、基底破壞等嚴(yán)重后果。其分析方法可以分為三大類:傳統(tǒng)的極限平衡法、極限分析法和基于強(qiáng)度折減的彈塑性有限單元法。應(yīng)用極限平衡法研究基坑抗隆起穩(wěn)定性主要有兩類:其一是基于地基承載力的概念;其二是圓弧滑動(dòng)法。Terzaghi以及Bjerrum和Eide均假設(shè)黏土基坑的穩(wěn)定性由不排水抗剪強(qiáng)度控制,基于地基承載力模式分析黏土基坑抗隆起穩(wěn)定性,并給出了穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式。但這兩種方法均適用于柔性擋土墻,而目前基坑工程中大多采用剛度較大的支擋結(jié)構(gòu)(如地下連續(xù)墻,圍護(hù)樁)。張耀東等在Bjerrum-Eide方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn),提出的抗隆起穩(wěn)定計(jì)算修正公式可以考慮支護(hù)墻體的入土深度、坑底下的軟土層深度、坑底地基處理和工程樁等的影響;王成華等基于Terzaghi承載力理論提出了基坑抗隆起穩(wěn)定分析的臨界寬度法,定義了最可能發(fā)生基坑抗隆起失穩(wěn)破壞的坑外臨界寬度。我國(guó)基坑工程實(shí)踐中也常用基于圓弧滑動(dòng)破壞模式的抗隆起穩(wěn)定分析方法,新修訂的上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ08-61—2010《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)分層地基中基坑抗隆起穩(wěn)定分析的圓弧滑動(dòng)模式給出了更為明確的計(jì)算公式。極限平衡法是在假定破壞面上進(jìn)行驗(yàn)算,在理論上是不嚴(yán)格的,其解與真實(shí)解的關(guān)系無法確定。相比之下極限分析法在理論上要比極限平衡法嚴(yán)格得多。Su等使用考慮非均質(zhì)和強(qiáng)度各向異性的上限公式解析方法,分析了窄而深基坑的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù);Chang等根據(jù)地基承載力的Prandtl破壞模式并應(yīng)用上限理論推導(dǎo)了基坑抗隆起穩(wěn)定性的解析公式,并對(duì)一些工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算與對(duì)比;姜洪偉等將Sekiguchi-Ohta的各向異性本構(gòu)方程求得的各向異性不排水剪強(qiáng)度應(yīng)用到深基坑的抗隆起穩(wěn)定分析中,計(jì)算結(jié)果表明:各向異性顯著影響基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù),忽略各向異性的影響將帶來偏于不安全的結(jié)果;鄒廣電基于Prandtl破壞模式得到了基坑抗隆起穩(wěn)定的上限分析公式,但是由于在確定速度場(chǎng)時(shí)使用了簡(jiǎn)化方法,因此并非嚴(yán)格意義上的上限解;黃茂松等基于經(jīng)典的Prandtl破壞模式,結(jié)合Casagrande和Carrillo推薦的考慮土體應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)的軟黏土強(qiáng)度公式,運(yùn)用塑性極限分析上限定理推導(dǎo)了非均質(zhì)土層中深基坑開挖的抗隆起穩(wěn)定公式,研究了基坑開挖土體強(qiáng)度各向異性比、支護(hù)墻體入土深度、坑底軟土層厚度對(duì)抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的影響;黃茂松等進(jìn)行進(jìn)一步的修正,推導(dǎo)了更為嚴(yán)格的基于Terzaghi機(jī)構(gòu)和Prandtl機(jī)構(gòu)的基坑抗隆起穩(wěn)定上限解析解。數(shù)值極限分析方法往往比一般極限分析的解析方法得到更合理的破壞面和穩(wěn)定安全系數(shù)。數(shù)值極限分析方法主要包括極限分析有限元法和多塊體極限分析方法。B.Ukritchon等采用的極限分析有限元法計(jì)算了不排水和各向異性條件下基坑抗隆起穩(wěn)定系數(shù)的上限和下限,既有極限分析法理論上的嚴(yán)格性又有有限元適用性強(qiáng)的特點(diǎn);秦會(huì)來等提出了支護(hù)墻體剛性條件下的用于飽和黏土基坑抗隆起穩(wěn)定分析的多塊體相容破壞模式,并使用MonteCarlo搜索技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,討論了基坑寬度、坑底軟土層厚度、支護(hù)墻體與土體間側(cè)摩阻、支護(hù)墻體入土深度和土體強(qiáng)度非均質(zhì)和各向異性等因素的影響。彈塑性有限單元法分析基坑抗隆起穩(wěn)定性主要使用強(qiáng)度折減有限單元法(SSRFEM)。A.T.C.Goh等運(yùn)用SSRFEM方法計(jì)算了軟土中深基坑的抗隆起穩(wěn)定性,并給出了一個(gè)計(jì)算基坑抗隆起穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便公式;Cai等在A.T.C.Goh的基礎(chǔ)上,分析了圓形基坑的抗隆起穩(wěn)定性,并給出了圓形基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)圖表;H.Faheem等的進(jìn)一步針對(duì)矩形基坑的三維分析表明:抗隆起穩(wěn)定性還受基坑長(zhǎng)寬比的影響,當(dāng)基坑長(zhǎng)寬比大于一定值時(shí)可忽略三維影響;陳福全等采用SSRFEM方法,分析了不排水條件下軟土地基中內(nèi)撐式排樁支護(hù)基坑開挖的抗隆起穩(wěn)定性?；趶?qiáng)度折減技術(shù)的彈塑性有限單元法比較適用于復(fù)雜土層條件以及采用土釘和復(fù)合土釘支護(hù)的基坑分析。1.3基坑及滲流作用當(dāng)基坑開挖達(dá)到或者是超過地下水位時(shí),地下水滲流不可避免地將對(duì)土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響,而大量的工程實(shí)踐顯示,滲流問題是許多基坑工程事故的主要原因之一。南京馬臺(tái)街基坑破壞主要是由管涌和流砂造成的,導(dǎo)致周圍道路建筑物破壞;上海地鐵2號(hào)線西延伸段由于承壓水涌出造成大面積滲水和地面塌陷,因而在基坑穩(wěn)定性分析和計(jì)算中必須高度重視地下水及其滲流作用。黃春娥等利用有限元法計(jì)算滲流場(chǎng),然后采用考慮滲透力的圓弧滑動(dòng)法分析基坑穩(wěn)定性。在數(shù)值分析方面,董誠(chéng)等應(yīng)用PLAXIS模擬基坑內(nèi)降水條件下基坑開挖過程的真實(shí)狀態(tài),分析滲流作用對(duì)深基坑整體穩(wěn)定性的影響,同時(shí)采用有限元強(qiáng)度折減法并考慮流固耦合計(jì)算得到基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)。另外對(duì)于深基坑工程,往往由于坑內(nèi)降水使得坑內(nèi)外水頭相差很大,容易造成滲透破壞極大威脅基坑工程的安全。冉龍等通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)深基坑滲透破壞模式進(jìn)行了分析研究。1.4局部支護(hù)體系建設(shè)對(duì)于基坑支護(hù)體系來說,其進(jìn)行冗余度設(shè)計(jì)的目的就是通過合理地布置支護(hù)體系,采取必要的連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn),在不增加支護(hù)體系造價(jià)或造價(jià)增加很小的前提下,增加支護(hù)體系的冗余度,防止局部支護(hù)體系發(fā)生局部破壞引起整個(gè)支撐體系的變形顯著增大或出現(xiàn)整體破壞。目前國(guó)內(nèi)外還未針對(duì)基坑工程開展冗余度的研究。基于工程實(shí)踐和理論研究,Zheng等近期提出了基坑工程的冗余度的概念和基坑支護(hù)體系冗余度的分類:1.4.1水平支撐的布置基坑水平支撐系統(tǒng)的變形冗余度即水平支撐體系的承擔(dān)豎向支擋結(jié)構(gòu)傳遞來的荷載時(shí)產(chǎn)生變形的冗余度。水平支撐的布置應(yīng)保證整個(gè)水平支撐體系在不同的與豎向支擋結(jié)構(gòu)連接的位置具有大致相同的剛度,整體上不同部位的變形差異不至過大。當(dāng)水平支撐體系中個(gè)別桿件強(qiáng)度或剛度不夠時(shí),水平支撐體系能夠?qū)⒊跏季植勘∪鯀^(qū)域的荷載有效傳遞到能夠承擔(dān)這些冗余荷載的周邊結(jié)構(gòu)上,使薄弱區(qū)域的變形不會(huì)顯著增加。1.4.2多道水平支撐的渙散性基坑水平支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定冗余度包括3個(gè)方面,即:(1)同一道水平支撐系統(tǒng)的冗余度。對(duì)重要基坑工程的水平支撐系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),使其在局部范圍內(nèi)主要水平受力構(gòu)件失效后仍能保證荷載的有效傳遞;或者在局部構(gòu)件削弱時(shí)可將多余荷載傳遞到其他受力路徑;或者局部位置作用冗余荷載(例如基坑邊局部施工荷載過大)傳遞至鄰近構(gòu)件,從而避免整個(gè)水平支撐體系出現(xiàn)破壞;(2)多道水平支撐的冗余度。當(dāng)水平支撐系統(tǒng)有多道時(shí),當(dāng)某一道水平支撐失效時(shí),其他標(biāo)高的水平支撐可對(duì)豎向擋土結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻、柱列式排樁等)的破壞起到延遲的作用,這也是重大基坑工程應(yīng)具有的冗余度;(3)水平支撐與豎向擋土結(jié)構(gòu)(或腰梁)的連接節(jié)點(diǎn)冗余度。當(dāng)局部水平支撐承受過大荷載時(shí),除水平支撐本身應(yīng)具有前述的冗余度外,水平支撐與豎向擋土結(jié)構(gòu)(或腰梁)之間連接節(jié)點(diǎn)也應(yīng)具有相應(yīng)的冗余度。1.4.3過大時(shí)基坑局部變形基坑豎向支擋結(jié)構(gòu)的變形冗余度是指基坑局部出現(xiàn)坑外過大荷載、局部土質(zhì)條件較差、基坑局部深挖等導(dǎo)致豎向支擋結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)局部的變形過大時(shí),由于基坑平面性狀、豎向支擋結(jié)構(gòu)形式(地下連續(xù)墻、排樁等)等,可將局部過大的荷載傳遞至相鄰?fù)馏w或豎向支擋結(jié)構(gòu),避免局部變形過大的能力。例如,在向外凸出的基坑支擋結(jié)構(gòu)部位,在凸出部由于土拱等空間效應(yīng),加之地下連續(xù)墻或排樁中的腰梁、以及水平支撐的作用,向相鄰部位轉(zhuǎn)移冗余變形的能力就比向坑內(nèi)突出的陽角形基坑好,后者變形的冗余度就較差,需加強(qiáng)腰梁及水平支撐,提高其冗余度。1.4.4局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)基坑豎向支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定冗余度是指基坑局部出現(xiàn)坑外過大荷載、局部土質(zhì)條件較差、基坑局部深挖、豎向支擋結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度不足、插入坑底以下深度不足等導(dǎo)致豎向支擋結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞時(shí),由于基坑平面性狀、豎向支擋結(jié)構(gòu)形式(地下連續(xù)墻、排樁等)等,可將局部因穩(wěn)定不足而產(chǎn)生的冗余荷載轉(zhuǎn)移至相鄰?fù)馏w或豎向支擋結(jié)構(gòu),避免局部失穩(wěn)的能力。很顯然,地下連續(xù)墻比排樁更具有穩(wěn)定冗余度。1.4.5引入噪音懸索法,制定合理設(shè)計(jì)的思想,保證支護(hù)結(jié)構(gòu)體系水平支撐豎向支承結(jié)構(gòu)的冗余度指支承水平支撐系統(tǒng)的豎向立柱的受力、變形及穩(wěn)定的冗余度。例如,在軟土地區(qū),當(dāng)基坑開挖導(dǎo)致基坑內(nèi)土方高差過大時(shí)可導(dǎo)致立柱承受較大水平荷載、深基坑開挖隆起可導(dǎo)致立柱因水平支撐約束而產(chǎn)生較大附加軸力、挖土機(jī)及重物的側(cè)向碰撞均可能導(dǎo)致立柱產(chǎn)生失穩(wěn),導(dǎo)致水平支撐坍塌。對(duì)重大的基坑與地下工程來說,引入冗余度設(shè)計(jì)思想,考慮深基坑與地下工程的具體特點(diǎn),可起到如下作用:(1)通過對(duì)基坑支護(hù)體系進(jìn)行冗余度分析,可在不增加造價(jià)或增加較少造價(jià)的情況下,提高基坑支護(hù)體系抵抗因局部破壞或局部變形過大引起整個(gè)支護(hù)體系失效或變形過大的能力;(2)通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行冗余度設(shè)計(jì),在支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系方面均保證其有預(yù)期的安全度;(3)由于基坑支護(hù)體系的變形、受力及安全是極大程度依賴于施工過程,因此,進(jìn)行考慮施工不同階段、不同施工方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的冗余度分析,可優(yōu)化施工方案,最大程度保障支護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全;(4)通過對(duì)基坑支護(hù)體系中各構(gòu)件進(jìn)行冗余度分析,可明確地確定對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全有重大影響的構(gòu)件,可指導(dǎo)施工過程中對(duì)其重點(diǎn)保護(hù),并對(duì)制定基坑監(jiān)測(cè)中有針對(duì)性地選擇重點(diǎn)監(jiān)測(cè)構(gòu)件、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目等起到有力指導(dǎo)作用,使基坑工程信息化施工提到更高的一個(gè)水平。1.5軟土設(shè)計(jì)的新技術(shù)1.5.1豎向承接系統(tǒng)相結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合技術(shù)是采用主體地下結(jié)構(gòu)的一部分構(gòu)件(如地下室外墻、水平梁板、中間支承柱和樁)或全部構(gòu)件作為基坑開挖階段的支護(hù)結(jié)構(gòu),不設(shè)置或僅設(shè)置部分臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)和施工方法。從構(gòu)件相結(jié)合的角度而言,支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合包括三種類型,即地下室外墻與圍護(hù)墻體相結(jié)合、結(jié)構(gòu)水平梁板構(gòu)件與水平支撐體系相結(jié)合、結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件與支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向支承系統(tǒng)相結(jié)合。關(guān)于墻體相結(jié)合,除了采用地下連續(xù)墻兩墻合一的方式外,工程中也開始嘗試采用鉆孔灌注樁兼作地下室外墻的樁墻合一做法。按照支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合的程度進(jìn)行區(qū)分,可將支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合工程歸為三大類型,即周邊地下連續(xù)墻兩墻合一結(jié)合坑內(nèi)臨時(shí)支撐系統(tǒng)采用順作法施工、周邊臨時(shí)圍護(hù)體結(jié)合坑內(nèi)水平梁板體系替代支撐采用逆作法施工、支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合采用逆作法施工。目前我國(guó)大部分深基坑工程仍采用常規(guī)的臨時(shí)支護(hù)方法。臨時(shí)圍護(hù)體如鉆孔灌注樁工程費(fèi)用巨大,而其在地下室施工完成后,就退出工作并被廢棄在地下,造成很大的材料浪費(fèi);臨時(shí)水平支撐及豎向支承系統(tǒng)往往造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)、土方開挖與地下工程結(jié)構(gòu)施工不便,且混凝土支撐還需拆除,而混凝土支撐拆除困難,浪費(fèi)了大量的人力、物力和社會(huì)資源;采用錨桿雖然可以避免設(shè)置內(nèi)支撐,但其在地下室施工完成后即被廢棄在地下,為后續(xù)工程留下了嚴(yán)重隱患。與傳統(tǒng)的深基坑工程實(shí)施方法相比,支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合技術(shù)具有利于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約社會(huì)資源、縮短建設(shè)周期等諸多優(yōu)點(diǎn),符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略,是進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展的城市地下空間開發(fā)和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的有效技術(shù)手段。1.5.2超深水泥石流攪拌樁施工工藝隨著地下空間開發(fā)向超深方向發(fā)展,承壓水處理成為一個(gè)棘手的問題。對(duì)于環(huán)境條件苛刻的基坑工程,有時(shí)需采用水泥土攪拌墻截?cái)嗷虿糠纸財(cái)嗌畈砍袎核畬优c深基坑的水力聯(lián)系,控制由于基坑降水而引起的地面沉降,確保深基坑和周邊環(huán)境的安全。由于成樁深度大,下層往往進(jìn)入標(biāo)貫高達(dá)40擊以上的砂土層。常規(guī)三軸水泥土攪拌樁施工設(shè)備僅適用于標(biāo)貫擊數(shù)不大于30擊的土層,且最大成樁深度僅為30m,無法滿足這種隔水帷幕的成樁要求,這就需采用超深水泥土攪拌樁工藝。目前國(guó)內(nèi)已從日本引入預(yù)鉆孔結(jié)合連續(xù)加接長(zhǎng)鉆桿法三軸攪拌樁新型施工工藝,其施工設(shè)備采用大功率動(dòng)力頭,并采用可以連續(xù)接長(zhǎng)的鉆桿和適用于標(biāo)貫擊數(shù)大于50的密實(shí)砂土層鉆進(jìn)的鑲齒螺旋鉆頭,攪拌樁的深度可達(dá)到50m。該工藝在上海、天津等多個(gè)項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用,取得了良好的技術(shù)效果。銑削深層攪拌技術(shù)(CSM)是另一種創(chuàng)新性深層攪拌施工工法,它通過鉆具底端的兩組銑輪以水平軸向旋轉(zhuǎn)切削攪拌土體,同時(shí)注入水泥固化劑與土體進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?形成矩形槽段改良土體。CSM工法銑輪的切削扭矩大,可以用于較堅(jiān)硬的地層如粉砂、砂層、卵礫石層等,可以切削強(qiáng)度35MPa以內(nèi)的巖石或混凝土。CSM施工深度可達(dá)50m;形成的水泥土墻體均勻、強(qiáng)度高,超過5MPa;垂直度控制精度高(小于1/400)。天津醫(yī)院及天津于家堡金融起步區(qū)B3車站基坑支護(hù)成功地采用了該工藝。TRD工法也是一種新型水泥土攪拌墻施工技術(shù),采用鏈鋸型切削刀具插入土中橫向掘削,注入固化劑與原位土體混合攪拌,形成水泥土攪拌墻。TRD工法可以適用于N值在100以內(nèi)的軟、硬質(zhì)土層及qu≤5MPa的軟巖中施工。TRD工法施工深度可達(dá)60m,在墻體深度方向上可保證均勻的水泥土質(zhì)量,因此強(qiáng)度高(水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5~2.5MPa范圍之內(nèi))、離散性小、截水性能好。TRD工法已在天津、南昌等多個(gè)工程中得到成功應(yīng)用。1.5.3旋噴攪拌大直徑錨桿技術(shù)錨桿目前主要應(yīng)用于巖石及硬土層中,對(duì)于軟土基坑工程,由于土的工程性質(zhì)較差,錨桿支護(hù)技術(shù)由于其錨固力不高、變形控制效果不好,其應(yīng)用受到很多限制。另一方面,錨桿體埋置于地下結(jié)構(gòu)周邊的地層中,當(dāng)工程結(jié)束后,作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨桿就失去了作用,一般就被廢棄在地層中,形成城市地下建筑垃圾,就會(huì)影響周邊地下空間的開發(fā)與利用。近年來,工程界提出了一種旋噴攪拌大直徑錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu),該技術(shù)是采用攪拌機(jī)械在軟土中形成直徑達(dá)到500~1000mm的水泥土錨固體,通過在錨固體內(nèi)加筋,并對(duì)錨桿體預(yù)先施加應(yīng)力,從而形成一種大直徑預(yù)應(yīng)力錨桿,該技術(shù)對(duì)軟土基坑的變形控制產(chǎn)生了較好效果。同時(shí),通過對(duì)可回收式錨桿技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了錨桿體的再利用,減少或消除地下建筑垃圾的產(chǎn)生。通過在上海、天津、武漢等地多個(gè)軟土基坑工程的應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效果。1.5.4國(guó)外預(yù)應(yīng)力魚腹梁安裝利用當(dāng)基坑采用傳統(tǒng)鋼支撐時(shí),桿件一般較密集,挖土空間較小,在一定程度上降低了挖土效率。預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐系統(tǒng)(IPS)是一種以鋼絞線、千斤頂和支桿來替代傳統(tǒng)支撐的臨時(shí)支撐系統(tǒng)。該技術(shù)在韓國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家已得到廣泛運(yùn)用,近年來也已被引進(jìn)國(guó)內(nèi)。預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)裝配螺栓連接、不需焊接,且大大增大了基坑的挖土空間,可顯著縮短基坑工程的施工工期,材料全部回收重復(fù)使用,徹底避免混凝土等建筑材料的使用,降低了造價(jià)。預(yù)應(yīng)力魚腹梁可隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力,便于周圍土體位移控制和由溫度變化引起的支撐伸縮量控制,可以較好地控制深基坑的變形,有效地保護(hù)基坑周邊的環(huán)境。此外IPS支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式為延性破壞,因此針對(duì)可能發(fā)生的較大水土壓力或突發(fā)載荷采取有效而及時(shí)的應(yīng)急措施。IPS技術(shù)已在上海軌道交通5號(hào)線西渡站配套工程等多個(gè)工程中成功應(yīng)用。2軟土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和變形2.1基于模型試驗(yàn)的開挖面穩(wěn)定性研究在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)進(jìn)程中,合理地確定開挖面支護(hù)壓力是盾構(gòu)掘進(jìn)施工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。若支護(hù)壓力施加不當(dāng),隧道工作面可能產(chǎn)生較大范圍的垮塌等安全隱患或地表的隆起,造成生命財(cái)產(chǎn)損失或?qū)χ車ㄖh(huán)境造成不利的影響,因此研究隧道開挖穩(wěn)定性及相關(guān)問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定相關(guān)研究主要包括開挖面極限支護(hù)壓力大小的確定以及開挖面破壞模式和機(jī)理研究。研究的方法及手段主要有經(jīng)驗(yàn)公式或解析計(jì)算方法、現(xiàn)場(chǎng)資料實(shí)測(cè)分析、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等。盾構(gòu)隧道施工中,極限支護(hù)壓力等計(jì)算方法正確合理與否需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程應(yīng)用的驗(yàn)證,然而由于現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)隧道施工中未知因素眾多,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試許多數(shù)據(jù)難以解釋,而且由于測(cè)量裝置的故障,現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及掘進(jìn)參數(shù)的多變及較高的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用,使得現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試研究結(jié)果質(zhì)量不高,同時(shí),很難做到把不同現(xiàn)場(chǎng)的兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析,因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在盾構(gòu)隧道研究應(yīng)用中受到限制,況且實(shí)際工程中開挖面失穩(wěn)破壞不允許出現(xiàn)。開挖面穩(wěn)定分析現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)條件不足可以通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)得到較好解決,使得盾構(gòu)隧道的相關(guān)研究利用模型試驗(yàn)得以廣泛應(yīng)用,尤其應(yīng)用于破壞試驗(yàn)研究開挖面破壞形式。模型試驗(yàn)中,部分學(xué)者早期通過簡(jiǎn)單的室內(nèi)小尺寸模型研究了砂土中開挖面破壞穩(wěn)定問題。試驗(yàn)中為了克服尺寸效應(yīng),普遍采用施加地表面超載實(shí)現(xiàn)開挖面土體能夠出現(xiàn)破壞狀態(tài),嚴(yán)格講,該情況僅適用于開挖面地層上方為非常軟弱的土層或地表水,而能夠反映真實(shí)應(yīng)力場(chǎng)及隧道尺寸的離心模型試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)通過小比例模型分析研究各種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖問題,后來研究大多借助于離心試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。H.Kamata等通過離心試驗(yàn)研究均質(zhì)砂土層中的開挖面穩(wěn)定性;A.Juneja等研究黏土地層中的開挖面穩(wěn)定性。這些研究表明,砂土地層中開挖面破壞形狀表現(xiàn)為煙囪狀,而在黏性土層中破壞面表現(xiàn)為下部較緩上部區(qū)域較大的盆狀。另外,Wu在巖土離心模型試驗(yàn)機(jī)中模擬了單隧道及雙平行隧道開挖失穩(wěn)過程,得到隧道的失穩(wěn)破壞模式,并監(jiān)測(cè)了失穩(wěn)過程中隧道周圍底層的變形發(fā)展。這些模型試驗(yàn)結(jié)果為分析開挖面極限支護(hù)壓力、失穩(wěn)破壞模式及破壞機(jī)理等隧道穩(wěn)定性理論研究提供了寶貴的試驗(yàn)資料。基于模型試驗(yàn)的結(jié)果,根據(jù)開挖面的失穩(wěn)破壞機(jī)理國(guó)內(nèi)外學(xué)者在分析隧道開挖面失穩(wěn)破壞模式的基礎(chǔ)上提出了許多的計(jì)算模型,然后通過經(jīng)驗(yàn)或者是解析方法研究開挖面極限支護(hù)壓力的確定。在理論求解隧道最小支護(hù)壓力的過程中,最先出現(xiàn)的是極限平衡法,其因概念簡(jiǎn)單而在工程實(shí)踐中被廣泛采用。基于Terzaghi松動(dòng)土壓力假設(shè),Z.Eisenstein等、周小文等分別對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),且改進(jìn)公式計(jì)算的松動(dòng)土壓力值與離心模型試驗(yàn)結(jié)果較為相近,并以此來確定最小支護(hù)壓力;Horn基于Janssen的倉筒理論,最早提出了盾構(gòu)隧道三維楔型體模型,其中開挖面處由于主動(dòng)土壓力形成楔形剛體,楔形體頂面作用上部土層松動(dòng)土壓力,該模型簡(jiǎn)明易懂,得到后續(xù)研究者和工程實(shí)踐的廣泛采用;L.Comejo基于簡(jiǎn)單的極限平衡分析,給出了黏土隧道開挖面穩(wěn)定性系數(shù)公式。后來的學(xué)者S.Jancsecz等、裴洪軍均是在楔形體模型的基礎(chǔ)上考慮不同的條件,采用不同的分析計(jì)算方法推導(dǎo)了三維條件下開挖面穩(wěn)定性的解析公式。塑性極限分析方法利用極限分析上下限定理計(jì)算開挖面極限最大及最小支護(hù)壓力。Davis等針對(duì)不排水條件下的黏性土淺埋隧道,提出了隧道2D、3D開挖面穩(wěn)定的簡(jiǎn)化破壞模式,得到了隧道開挖穩(wěn)定的上下限解答;A.S.Osman等根據(jù)實(shí)際工程及離心試驗(yàn)中觀察到的土體位移,推導(dǎo)了二維隧道開挖面塑性變形模式,通過極限分析上限法研究了開挖面破壞荷載的上限值。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值分析越來越多的應(yīng)用到隧道開挖穩(wěn)定分析中來。S.W.Sloan等構(gòu)造7個(gè)角度的破壞模式,同時(shí)采用極限分析有限元法研究了非均質(zhì)地基中淺埋二維隧道的穩(wěn)定性問題。在Davis等的研究基礎(chǔ)上,E.Leca等提出圓錐形塊體的圓弧滑動(dòng)的上限解法來分析了Mohr-Coulomb材料中盾構(gòu)隧道開挖面的穩(wěn)定性,其中假設(shè)了三種破壞機(jī)制。根據(jù)上下限計(jì)算結(jié)果與P.Chambon等的離心試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)上限估計(jì)值與離心試驗(yàn)最小支護(hù)壓力有較好的一致性。之后A.H.Soubra假定盾構(gòu)隧道開挖面破壞模式由兩個(gè)剛性截圓錐及一個(gè)剪切帶組成,提出了兩種改進(jìn)的破壞模式來考慮開挖面的坍塌與隆起;D.Subrin等通過假設(shè)兩參數(shù)對(duì)數(shù)曲線形式三維破壞面得到了可以考慮摩擦角的開挖面穩(wěn)定上限解,并與三維有限元結(jié)果符合的很好;G.Mollon等針對(duì)淺埋圓形盾構(gòu)隧道提出了一種基于可靠性理論的三維分析及設(shè)計(jì)方法,包括了坍塌和頂出兩種破壞形式,研究指出,內(nèi)摩擦角對(duì)破壞模式有很大影響;G.Mollon等采用旋轉(zhuǎn)模式對(duì)坍落和頂出都進(jìn)行了上限分析,但得到的上限解較平動(dòng)模式更為遠(yuǎn)離真實(shí)解;呂璽琳等提出采用類似Terzaghi地基承載力的計(jì)算方法,將極限支護(hù)壓力表示為黏聚力、上覆荷載及土體重度分別乘以各自影響系數(shù)的三項(xiàng)疊加。在目前土體穩(wěn)定分析中的數(shù)值分析手段主要是彈塑性有限單元法。P.A.Vermeer等采用基于Mohr-Coulomb模型的彈塑性有限元方法對(duì)砂土地基中隧道開挖穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了黏聚力、土體重度及上覆荷載對(duì)極限支護(hù)壓力的影響,發(fā)現(xiàn)水平側(cè)壓力系數(shù)K0不會(huì)對(duì)極限支護(hù)壓力產(chǎn)生影響;裴洪軍在對(duì)盾構(gòu)法隧道開挖面的非線性特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,討論了非線性有限元法模擬分析的理論依據(jù),并給出盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)的判定方法,為進(jìn)一步分析計(jì)算提供了依據(jù);朱偉等通過FLAC3D對(duì)支護(hù)壓力與開挖面土體變形的關(guān)系進(jìn)行了研究,確定了維持砂土地基中開挖面穩(wěn)定的最小支護(hù)壓力,并發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)時(shí)開挖面附近破壞區(qū)域呈楔形狀,其上為煙囪狀,當(dāng)埋深較大時(shí),由于土體拱作用的存在,開挖面破壞發(fā)展不到地表面,表現(xiàn)為局部破壞;秦建設(shè)利用能夠考慮大變形破壞的拉格朗日有限差分計(jì)算程序,對(duì)砂土地基中盾構(gòu)施工中的開挖面穩(wěn)定問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與P.Chambon等的離心試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定方面的可行性;黃正榮等采用數(shù)值模擬方法,研究地下水位和土層參數(shù)對(duì)開挖面極限支護(hù)壓力和穩(wěn)定安全系數(shù)的影響,綜合考慮極限支護(hù)壓力和安全系數(shù),給出了合理的開挖面支護(hù)壓力;S.H.Kim等假設(shè)在開挖面上能形成理想的泥膜,采用三維有限元來研究隧道直徑、埋深比、水平側(cè)壓力系數(shù)、土體強(qiáng)度參數(shù)等對(duì)排水條件下隧道開挖過程中的開挖面穩(wěn)定及位移的影響,且通過位移荷載曲線可以得到最小支護(hù)壓力。另外,當(dāng)盾構(gòu)隧道穿越富水地層時(shí),土體開挖常導(dǎo)致地下水滲流,因此考慮滲流條件下的開挖面穩(wěn)定性分析是十分必要的,尤其是對(duì)于越江(海)隧道來說滲流的影響更為顯著。C.J.Lee等、高健等、喬金麗等、Li等等研究表明滲流對(duì)開挖面的穩(wěn)定有很大的影響,并指出滲流力構(gòu)成了總極限支護(hù)壓力的主要部分。2.2工后不均勻性隧道工后的沉降軟土隧道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生的沉降問題受到越來越多的關(guān)注。從隧道長(zhǎng)期沉降的發(fā)展效應(yīng)來看,隧道縱向不均勻長(zhǎng)期沉降對(duì)隧道的安全和正常運(yùn)營(yíng)影響最大。葉耀東指出隧道周圍土層地質(zhì)條件的差異是導(dǎo)致隧道產(chǎn)生工后不均勻沉降的主要原因。地表堆載對(duì)既有隧道的縱向變形也有很大的影響;鄰近地下工程施工(如基坑和隧道開挖)對(duì)既有隧道的影響也有顯著的影響,這將在后文作詳細(xì)介紹;大范圍的工程降水使得地面不均勻,也會(huì)造成埋置于其中的隧道沉降的不均勻性;在建的錢江隧道在涌潮水位變化以及河床沖刷等條件下縱向變形特性也是關(guān)注的焦點(diǎn)。不多學(xué)者還對(duì)隧道滲漏進(jìn)行了模擬,分析其對(duì)長(zhǎng)期沉降的影響。對(duì)于車輛循環(huán)動(dòng)荷載引起的軟土隧道長(zhǎng)期沉降問題,劉明等采用簡(jiǎn)化的顯式模型,結(jié)合擬靜力有限元法和分層總和法對(duì)上海長(zhǎng)江隧道和上海地鐵1號(hào)線區(qū)間隧道車輛荷載引起的長(zhǎng)期沉降進(jìn)行了分析。2.3整體動(dòng)力時(shí)程分析方法隧道的地震響應(yīng)問題包括橫向和縱向分析兩個(gè)方面,對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)的橫斷面抗震分析,現(xiàn)有的分析方法從力學(xué)特性上可分為靜力法、擬靜力法和地層-結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力時(shí)程分析法三大類。其中,靜力法主要包括早期的地震系數(shù)法和等代地震荷載法。等代地震荷載法是目前正在修訂中的上海市《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》擬采用的方法,包括等代地震加速度法和慣性力法。常用的擬靜力法主要包括相對(duì)剛度法、BART法、響應(yīng)位移法、自由場(chǎng)變形法等。幾種方法中,除自由場(chǎng)變形法不能考慮土結(jié)構(gòu)相互作用外,其他幾種方法均可考慮。近年來,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者在已有的擬靜力法的基礎(chǔ)上,基于對(duì)土體自由場(chǎng)反應(yīng)或者土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用參數(shù)的改進(jìn)和簡(jiǎn)化,提出了一些新型的擬靜力計(jì)算方法。整體動(dòng)力時(shí)程分析方法主要包括有限元法、邊界元法以及將二者結(jié)合起來的混合方法,國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者在此方面開展了深入的研究。上述的三種分析方法中,整體動(dòng)力時(shí)程分析方法涉及到傳遞邊界的設(shè)置及土體非線性等問題,計(jì)算過程十分復(fù)雜,很難推廣應(yīng)用到具體的工程設(shè)計(jì)中。而擬靜力法形式相對(duì)簡(jiǎn)單,同時(shí)又較傳統(tǒng)的靜力方法考慮的因素更為全面,因此是一種更為精確的分析方法。在隧道的縱向抗震分析方面,日本JSCE發(fā)表了《沉管隧道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,提出了響應(yīng)位移法和質(zhì)量-彈簧模型法兩種方法。韓大建等將質(zhì)量-彈簧模型法應(yīng)用到了廣州珠江沉管隧道的抗震設(shè)計(jì)中;嚴(yán)松宏等以南京長(zhǎng)江沉管隧道為例,分析了地基與隧道剛度比等不同因素對(duì)質(zhì)量-彈簧模型的影響。另外,有不少學(xué)者開展了3D動(dòng)力時(shí)程分析方法的研究。動(dòng)力模型試驗(yàn)不僅可以揭示地下建筑物的地震響應(yīng)規(guī)律及破壞機(jī)理,也可為理論分析方法提供驗(yàn)證。徐志英等較早進(jìn)行了地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);陳國(guó)興等等對(duì)土與地鐵隧道體系進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);楊林德等對(duì)軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行了研究,為建立地鐵車站地震反應(yīng)的分析理論和計(jì)算方法提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù);國(guó)外一些學(xué)者如S.Okamoto等曾進(jìn)行了水底隧道的模型試驗(yàn)。然而,普通振動(dòng)臺(tái)往往不能正確模擬原型應(yīng)力場(chǎng),不能滿足模型與原型應(yīng)力、應(yīng)變相同的要求,近年來形成的土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)則很好地解決了這一問題。Ling等通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了淺埋于飽和土體中大直徑管線在地震作用下抗漂浮穩(wěn)定問題;Yang等通過離心試驗(yàn),對(duì)加拿大GeorgeMassey沉管隧道的抗震性能進(jìn)行了研究;J.Izawa等對(duì)矩形截面隧道地震響應(yīng)進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究,并同時(shí)進(jìn)行了靜力對(duì)比試驗(yàn),證明地震荷載作用下的地下結(jié)構(gòu)慣性力可以忽略;曹杰等進(jìn)行了砂質(zhì)粉土層中隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)離心模型試驗(yàn),研究了不同強(qiáng)度地震荷載作用下場(chǎng)地與隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng);U.Cilingir等分別進(jìn)行了圓形及方形截面隧道的動(dòng)力離心模型試驗(yàn),研究了不同輸入地震動(dòng)對(duì)隧道響應(yīng)的影響。3軟土下工程的環(huán)境土壤肥力3.1基坑開挖對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響經(jīng)過多年的實(shí)踐以及基坑工程設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)手段的提高,因基坑工程本身失穩(wěn)引起的安全事故大大減少,軟土地區(qū)基坑開挖對(duì)相應(yīng)變形的控制能力有了很大的提高。目前軟土地區(qū)基坑工程的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從基坑工程本身的安全轉(zhuǎn)移到基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響,而周圍環(huán)境影響分析的關(guān)鍵問題之一是基坑開挖引起的土體變形預(yù)測(cè)?；庸こ桃鸬闹車馏w變形顯然可以通過嚴(yán)格的三維彈塑性有限元分析得到,但由于土體參數(shù)和本構(gòu)模型選擇的限制,往往得不到與實(shí)際情況相符合的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此對(duì)于基坑開挖對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響分析主要是在區(qū)域內(nèi)規(guī)模化數(shù)量的工程案例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)律統(tǒng)計(jì)和理論分析,探討研究區(qū)域基坑開挖應(yīng)力自由邊界面的變形形態(tài)與基坑有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系,如圍護(hù)墻體的側(cè)向變形、坑外地表的沉降等,并采用數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行變形曲線的擬合。鑒于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的稀少,目前對(duì)基坑工程的變形研究還是停留在開挖應(yīng)力自由面上,針對(duì)基坑外整個(gè)自由土體位移場(chǎng)變形分布規(guī)律的實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)研究幾乎沒有。3.2地表橫向沉降槽的計(jì)算方法針對(duì)軟土地區(qū)普遍采用的盾構(gòu)隧道施工法,1969年P(guān)eck在第七屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議上首次提出了地層損失的概念,認(rèn)為地面沉降體積等于地層損失體積,在大量工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到了符合正態(tài)分布規(guī)律的地表橫向沉降槽計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上,基于實(shí)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式地表沉降計(jì)算方法得到了很大的發(fā)展。另一類是基于間歇參數(shù)概念的解析方法,將土體視作完全彈性體,針對(duì)不同的隧道開挖面變形模式采用匯源法、復(fù)變函數(shù)法、隨機(jī)介質(zhì)理論等得到盾構(gòu)隧道周圍土體的垂直沉降和水平移動(dòng)的解析解[100,101,102,103]。為了考慮地基土體非均質(zhì)性的影響,Zhang等基于彈性層狀半空間地基模型,提出了分析多層地基中盾構(gòu)隧道開挖引起周圍土體不排水變形的位移控制邊界單元法,并與位移控制有限單元法進(jìn)行了比較。3.3基于位移控制的考慮結(jié)構(gòu)的開挖模擬開挖引起的環(huán)境土工效應(yīng)問題在城市地下工程活動(dòng)中備受關(guān)注。軟土地區(qū)地下工程開挖由于施工過程中土體的應(yīng)力釋放而引起地層變形,狀況加劇則會(huì)危及鄰近區(qū)域建筑物和地下管線的安全正常使用。目前更大的挑戰(zhàn)是:在城市中心區(qū)域,建筑物密集管線隧道錯(cuò)綜復(fù)雜,地下工程開挖的環(huán)境敏感程度很高,尤其是一些年代久遠(yuǎn)的古老建筑和長(zhǎng)期腐蝕條件下的市政管線,抵抗變形的承受能力大打折扣,對(duì)開挖的反應(yīng)更為劇烈。地下工程開挖對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物的影響,較多的還是采用整體有限元方法[105,106,107,108]。整體有限元方法可以再現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)際施工工況,模擬周圍土體介質(zhì)的力學(xué)特性以及建(構(gòu))筑物與土體的共同作用,但該方法工作量大耗時(shí)長(zhǎng),需要專業(yè)軟件并且建模復(fù)雜,并且土體本構(gòu)模型的選擇、結(jié)構(gòu)剛度的等效、施工作用的模擬等方面存在的諸多問題均會(huì)影響結(jié)果的可靠性,在工程界不易推廣,僅在重要的工程中使用。鑒于此,基于位移控制理念的簡(jiǎn)化理論研究工作隨之產(chǎn)生。針對(duì)天然地基淺基礎(chǔ)或短樁基礎(chǔ)的建筑物,從安全實(shí)用角度出發(fā)可以近似認(rèn)為建筑物的變形與地表變形一致。為考慮建筑物的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)開挖沉降形態(tài)的調(diào)整,一些學(xué)者在有限元數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上提出了基于建筑物結(jié)構(gòu)形式的剛度等效方法。針對(duì)高層建筑的長(zhǎng)樁基礎(chǔ)以及地埋管線,為保留有限元強(qiáng)大的數(shù)值模擬能力又能夠直接控制隧道開挖的地層損失比和基坑開挖的變形邊界條件,提出了位移控制有限元方法[114,115,116,117,118],不考慮隧道施工的實(shí)際過程,直接在隧道的邊緣以及基坑開挖的應(yīng)