英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基坑开挖对现有地铁站的影响及预防措施
Haofeng Xing1;Feng xiong2;and Jiemei Wu
摘要: 作为现代城市的交通生命线, 我国地铁正在迅速发展。随着这一发展, 越来越多的人
将在软土深部地区建设地铁换乘站。由于缺乏关于基坑施工对现有地铁站影响的相关数据,
没有理论可以预测相邻基坑施工对地铁站的变形的影响。拟建的地铁十号线与运营着的4号线在中国上海海伦路交汇, 其底层由几个不同的砂岩层和两个封闭含水层组成。双层密闭水在拟建的地铁站的南端井汇合。在如此复杂的水文地质条件下, 开发控制地下水的影响技术以及在基坑施工过程中, 保证4号线的安全运行是至关重要的。在这篇文章中, 通过理论分析和有限元仿真,分析降水和基坑开挖 对4号线地铁站的影响。在分析结果的基础上, 提出了地铁地下水处理的措施以及地铁车站的保护方案, 并对成功控制基坑施工效果的方案进行了优化，本文的研究成果为今后类似项目提供了参考和指导。
DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000919。copy;2016美国土木工程师协会
作者关键词: 地铁站;坑;密闭水;固定桩;位移
介绍
随着人口的增加和城市化进程的加快, 地铁在解决相关问题方面发挥着更大的作用
到城市交通。目前, 超过 1 0 0多个城市有地铁系统。在地铁站建设中, 基坑开挖面临技术挑战, 因为基坑是细长体, 所以基坑开挖必须满足严格的环境要求。在基坑开挖过程中经常发生事故, 主要有两个原因: (1) 基坑支护系统的不稳定和故障; (2)这种挖掘对环境的影响， 包括邻近建筑物或构筑物的沉降和变形。
坑基坑开挖研究已经进行了一段时间。许多研究人员和工程师研究基坑开挖引起的表面沉降以及挡土墙结构的变形。(Terzaghi 1943;capse 1966; peak1969年;谭和
王 2013 a, b) 和挡土墙结构的变形 (Ou等1993;Liu 等人, 1999;Ou 等人, 1996;Burford 1998)。最近的多年来, 基坑开挖对邻近结构的不利影响引起越来越多的关注 (例如, Kuang 2000;Finno 和 Brelson2002;Tan 等人, 2014;Gao 等人, 2010年)。Chang 等人 (2001年)在台湾台北对邻近基坑开挖的盾构隧道变形进行了观测，隧道顶部出现裂缝，混凝土板脱落。Chai 等人 (2014年) 介绍了一座在中国上海某13层建筑因附近基坑开挖掘而翻倒的情况。同时, 也有一些关于相邻结构的保护措施。例如, Wang 等人。(2013年) 提出在封闭含水层中安装一个帷幕。部分隔离了开挖段与基体水之间的水力连接。此外, Hang (2014) 还提出
双排桩、桩锚支护、桩杆支撑结构形成的多种复合支护, 有效地实现减少基坑变形。
然而, 地铁换乘站越来越需要扩建, 拟建中的地铁站的基坑开挖不可避免的会
影响已经运营的地铁站的安全。目前, 关于基坑施工对相邻的地铁车站的影响的研究数据
缺乏, 对邻近地铁车站基坑施工变形进行准确预测的理论还不成熟，因此, 很难预测邻近地铁站的变形。此外, 还没有足够有效的措施, 确保地铁安全运行。因此, 有必要对地铁换乘站建设中能够产生有效防护措施的技术进行探索和开发。
在中国上海, 拟建中的 1 0号线地铁站斜延伸到运营的4号线地铁站在海伦路,在基坑开挖时 制造许多相互影响和安全的问题。因为现场复杂的水文地质条件存在于建筑工地上, 即地层由几个不同的砂岩层和两个封闭的含水层--双层封闭水在在拟建的地铁站南端交汇。如何确保四号线在基坑开挖过程中安全运行是一个技术问题，本文运用理论分析和有限元方法, 探讨了4号线地铁站降水和基坑养护的效果，
在分析结果的基础上, 提出了地下水处理方案和保护方案, 并进行了优化方案, 成功地控制了基坑施工对地铁车站的影响。
1理工学院岩土工程系副教授土木工程, 教育部岩土与地下工程重点实验室, 同济大学, 四平路 1239, 上海, 200092, 中国 (相应作者)。电子邮件: hfxing@tongji.edu.cn 2土木学院岩土工程系博士研究生上海市同济大学四平路1239岩土与地下工程重点实验室工程200092, 中国。电子邮件: 14fxiong@tongji.edu.cn 3
2高级工程, 上海基础工程集团有限公司,上海市江西路 406号, 上海 200002, 中国。电子邮件: 149320061@qq.com
注意：该手稿于2015年8月13日提交;2016年3月21日;于2016年6月16日至 2016年11月16日在网上发布。copy;asce, ISSN 0887-3828。
本文的研究成果为类似的项目提供了参考和指导
项目概述
拟议中的10号线地铁站位于南北方向在上海市海仑路斜穿过上现有的4号线地铁站 (图 1)。拟建的地铁站是一个两层楼的细长形结构;它的长度为192米并有一个27米的交叉长度和一个挖掘深度16.3 米拟建地铁站的标准部分宽度为20.78 米，尾井宽度为28.18米。拟建的地铁站基坑是由800毫米厚隔膜墙, 33.5 米深和五个内部支撑的地下连续墙组成的联合支撑。基坑施工采用开挖方法建设。
这个项目的特殊性不仅存在于它斜交地铁站, 也体现在其复杂的水文地质条件下, 如图2所示。场地的形成主要是由淤泥粘土、砂质淤泥和细砂组成, 表现为层部损失的复杂地层, 如5-2、5-2、5-2 、6层和7-1。表一列出了主要的物理和力学指标
地下水位的深度为0.3–1.5 米;其年度平均深度为0.5–0.7 米。本区由两个封闭的水层: 一个分布在层5-2 中, 另一个分布在层中7-2. 密闭水的水头水位在地下3.0-10.0 米, 并定期变化。双层密闭水在拟建的地铁站南端井相遇由于第六层的水土流失, 阻碍了基坑施工的水下处理。
4号线在坑施工过程中的技术要求及影响
运营地铁的变形要求
在10号线地铁站的坑施工中, 4号线地铁站的结构变形应符合车站轨道变形的要求。GB 50299-1999 表 2 (中国建设部, 1999a)。此外, 地铁车站基坑施工所需的防护等级是严格的: 最大地面沉降必须小于 0.1 %H (H 是基坑开挖的深度),隔膜墙的最大水平位移必须是小于 0.14 %H。
地铁车站运行中的脱水效应
基坑降水和基坑开挖是影响地铁运行的两个重要因素前者带走了细细的土壤颗粒, 并增加了土体的有效应力, 导致固结沉降;中。后者导致坑底土的隆起和位移卸载引起支护结构位移。为了得到降水对基坑开挖的实际影响运用理论分析和有限元分析方法计算了基坑脱水引起的变形。方程式(1) 和 (2) [GB 50307-1999 (中国建设部 1999 b)] 通常用于分析降水引起的地面沉降。
（1）
（2）
式中s1, s1 = 降水带沉降量，下半段土壤的沉降量;Es= 土体的压缩模量;H= 降水深度, 即初始地下水位与降水水位之差;Hi = 子层 i 的厚度;gamma;w = 单位水的重量;v = 压缩系数;e =空隙率;p = 脱水引起的额外压力p=H/2 ;
当降水深度为16.3 米时, 根据表1所列数据计算地基沉降大于800m， 远远高于要求的 0.1 %H 的要求即16.3 毫米。
因为 公式(1) 和 (2) 适用于较大的均匀场地，采用三维有限元方法对位点进行研究，分析了脱水引起的地面沉降。模拟的条件有基坑内降水16.3 米，和坑外的深度5.5 米。地面沉降为51毫米, 高于要求的 0.1H。
分析结果表明, 降水导致相当大的地面沉降, 不仅远远高于 0.1 h 的要求, 而且对运营的4号线地铁站也会产生很大的影响。
开挖对地铁运营站的影响。
本构模型
在本研究中, 采用计算机程序 PLAXIS (Brinkgreve 等人 2002)。
为评估使用。建立合适的本构模型对软土开挖具有重要意义。在本文中, 将线性弹性模型应用于连续墙和钢筋混凝土支板，在线性弹性模型中, 应力与应变是成正比的如公式.（3）。比例常数是杨氏模量E,和泊松比
（3）
硬化土体模型是一种能够模拟软土行为先进的模型, (Schanz 等人, 1999)。该模型包含两个硬化类型: 剪切硬化和压缩硬化(Hsieh and Ou, 1998)。本构模型有三个特点:(1) 它使用的是可塑性理论而不是弹性, (2) 考虑土壤的膨胀行为, (3) 它引入了产量上限cap (Li 等人, 2013年;Liao 等人, 2015年;Benz 2006)。硬化土体模型的一个突出特点是土体的刚度随着加载和卸载的不同而变化。这种优势在类似的卸载问题中变得特别重要;例如, 挖掘和隧道。硬化土模型在软土地基工程中应用取得了比传统的本构土壤模型更好的效果，(Xuan 等人, 2009)。垂直变形 1 和偏转应力 q 有如公式（4）所示的关系
其中 qa = 垂近似值;e直变形时剪切强度的倾向于无穷大, 这可以描述为
其中 Rf = 故障比率。在有限元分析中, 默认值设置为 Rf= 0.7。主要荷载作用下边界压相关的边界模量 E50，由 公式（6）给出
3 = 较小主应力; = 参考刚度模量对应于参考围压,;有限元分析中使用的默认设置为 pref = 100千帕;c = 凝聚力;和 = 内部摩擦的角度。Eur 是卸载和重新加载应力路径的另一个应力刚度模量
卸载和加载时参考杨氏模量
=3
模型验证
由于坑的对称性，决定模拟坑的一半。图3显示了基坑施工的有限元计算模型, 其中地面荷载为20千帕,地下水位为0.5 米。为了消除模型边界对计算结果的影响,模型计算宽度是坑宽度的五倍, 高度是超过最终挖掘深度的四倍多。侧向边界在水平方向是固定的，底部边界在垂直和水平方向都是固定的。在有限元模型中, 土层建模使用10节点楔形单元。考虑到抵弯性能，采用二节点梁单元对钢筋混凝土支板进行数值模拟，采用六节点板单元模拟连续墙的受力性能，硬化土模型的土参数和开挖体构组的材料参数见表3和表4.
根据实际施工情况, 基坑的施工顺序如表5所示。模型验证的模拟过程如图4所示。土壤被拿走然后安装了支柱(标记。然后重复此动作, 直到最后一层的挖掘工作已经完成。降水是进行在坑里面和外的。图5显示了模拟结果,它提出了最大侧壁和基坑深度H之间的关系，比率从 0.095% 到0.129% 不等, 平均为 0.113%,并随着 H 的增加而增加。对于现场测量,从0.086 到0.133 % H, 其平均值为0.113 % H。仿真结果与现场测量数据的比较表明该模型与现场吻合较好。
模拟结果
虽然坑是由地下连续墙与五个水平基坑支护, 该基坑存在较大的垂直和水平位移变形。最大垂直变形发生在荷载中心表面, 但底部隆起,是 因为土壤卸载引起的，最大值分别为67毫米和-148 毫米, 如图6所示。最大水平位移发生在坑底的12米深度;它的值是88毫米。计算结果表明, 地面沉降和侧向变形都远远高于基坑施工的允许值, 这将对运营中地铁站和周围的管道产生严重影响。
地下水控制与方案优化
地下水控制措施
为了减少降水和基坑开挖的效影响, 根据坑形和土壤性质对基坑底部的下土进行水平加固。为了达到可利用的水平密封厚度，选择了水平密封厚度、3.0、4.0、5.0 和 6.0 m 四个钢筋尺寸进行方案比较;它们加固的位置被单独考虑在顶部,中心和底部 (图 7)。形成了加筋的土体考虑喷射灌浆水泥土桩直径1.6 米, 直径200毫米接头厚度;它的杨氏模量和泊松比分别为100兆帕和 0.33, 以及所需的安全系数是不少于1.2。
模拟过程采取了12个步骤, 如表5所示, 但在步骤2发生之前, 施工土体水平加固，四个加固尺寸和分析结果表6中列出。图8显示了在顶部配筋为6米的基坑开挖的位移垂直的等高线图。6米加固厚度的最小变形如图9。
表6显示, 至少5.0 米的加固厚度可以满足双层井坑的稳定性要求。但是, 在现有的地铁站位移超过15毫米, 这是超过地铁车站变形荣许限度见表2.图9显示,仅采用简单加固进行基坑施工，四种加固尺寸均不满足变形要求。
水平密封的优化方案
为了提高抗坑侧向位移的能力,将5m厚的加固体优化为箱型(图 10)。箱体顶部和底部的厚度分别为2.0 米和3.0 米。箱体侧厚为3.0 米, 是通过喷射灌浆水泥土桩形成的, 具有相同的力学特性。采用三维有限元方法对其进行变形分析, 如图11所示。为了证明它的有用性对初始方案和优化方案进行了比较。在比较研究, 在不同的方案中除了加固形状外，其他参数不变，地面沉降和侧向位移的计算结果如图12和图13显示。
图12显示了优化的地面沉降方案明显低于其初始方案;最大沉降值为 10.0 mm, 小于
SZ-08-2000 所需的 0.1 %H (H 是坑的挖掘深度)2000年 (上海市市政工程管理局, 2000年)。
在图13中, 优化的侧向位移和初始方案侧向位移均随深度的增加而逐渐增加, 但优化方案在横向控制方面做得更好。当基坑开挖完成后, 优化的最大侧向位移方案为10.2 毫米,小于 0.14 %H 的值SZ-08-2
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[444276]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
