群坑开挖耦合效应及其对周边环境影响的数值分析

2009年 3月出版 · *上海市科委青年启明星 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目。07QB14028 【作者简介】赵永光（1982－），男，硕士，从事隧道与地下结构 研究方面的学习和研究。E- mail:soar_forever@163.com。联系地址: 上海市四平路 1239号岩土楼 714室(200092)。 【收稿日期】2009－03－05 BUILDING CONSTRUCTION建 筑 施 工第 31卷第 3期Vo1．31 No．3 ●地基基础 群坑开挖耦合效应及其对周边 环境影响的数值 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 * □ 赵永光 1,2 耿进柱 2 赵兴波 2 （1.同济大学 上海 200092；2.上海第一建筑有限公司 200120） 【摘 要】相邻多个深大基坑相继或同步开挖会对周边环境产生比单个基坑开挖更复杂的影响，存在明显的基坑之间的相互 作用，即 "群坑耦合效应 "。以上海 155地块与轨道交通 10号线南京东路站综合开发项目为背景，采用三维数值分析的方法， 评价群坑开挖对邻近地铁车站、邻近隧道的影响以及群坑间的相互影响。通过分析不同的开挖顺序情况下邻近地铁车站的位移 量，提出了平面分区法进行基坑施工的条件下，对周边建筑保护最有利的开挖顺序。 【关键词】相邻基坑 群坑效应 数值分析 周边环境 【中图分类号】TU753.1 /文献标识码 B 【文章编号】1004-1001（2009）03-0177-04 Coupling Effect of Group Foundation Pit Excavation and Numerical Analysis of Impact upon Surrounding Environment 0 前言 地下空间开发利用越来越成为城市建设与开发的热点， 地下工程的建设离不开深基坑工程。在市中心进行基坑工 程，周围环境复杂，基坑工程的难点已经从满足基坑自身稳 定性，过度到对周边环境的保护。基坑开挖会使围护结构产 生水平位移、坑底隆起，导致周围地表沉降，影响基坑周边建 （构）筑物的安全。在大型工程项目中，地下结构物比较多，往 往同时有几个相邻的基坑相继或者同步开挖。于是就带来这 样一个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 :相邻多个基坑相继或同步开挖彼此间会有怎样 的影响？并最终对周边环境会产生什么样的影响？即本文所 提到的“群坑耦合效应”问题。事实上，从工程实践中发现，在 相邻基坑施工中，这种群坑耦合效应往往是不能忽视的，如 果不重视这种耦合效应将会带来很大的麻烦，严重时会导致 邻近基坑的破坏，严重影响施工安全。群坑耦合效应已成为 一个十分有现实意义的课题。 1 工程概况 上海轨道交通 10号线南京东路站主体位于河南路下, 整体横穿天津路。车站南端头井与 2号线河南路站最近距离 约 8.97 m，与 2号线区间隧道最近距离约 10.26 m；北端头 井紧邻宁波路；西侧有保护建筑华东地产大楼。155地块基 坑工程位于 10号线南京东路站西侧，基坑南侧距离 2号线 河南路站最近仅 6.85 m。155地块与 10号线南京东路站设 联系通道，两个项目综合开发，协同施工。其平面关系如图 1 所示。其中，10号线南京东路站基坑长约 153.2 m，端头井宽 25.6 m，挖深 23.488 m； 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 段宽 21.8 m,挖深 21.640 m；设 分隔墙将整个基坑分成南区、换乘大厅、北区、南风井、中风 井、北风井和换乘通道 7个基坑进行施工；155地块基坑南 北宽约 93 m，东西宽约 93 m，设分隔墙，分成 3个基坑分别 进行施工，Ⅰ区和Ⅱ区开挖深度为 18.95 m，Ⅲ区开挖深度 14.3 m。 图 1 155地块与 10号线南京东路站综合开发项目平面图 根据已有理论：①相邻基坑相继开挖，先开挖的基坑受 到相邻基坑开挖的影响比后开挖的基坑要小；②相邻两个基 177· 《建筑施工》第 31卷 第 3期 3/2009赵永光、耿进柱、赵兴波：群坑开挖耦合效应及其对周边环境影响的数值分析 * 坑相继开挖，应该先完成深的基坑，再开挖浅的基坑。本综合 开发项目中，地铁是需要重点保护的工程，换乘通道基坑是 浅坑，因此应该先施工 10号线南京东路站，待 10号线车站 结构完成后，再开挖 155地块基坑，最后施工换乘通道基坑。 但由于施工进度上的要求，这 10个基坑的施工顺序为：155 Ⅰ区→155Ⅲ区→155Ⅱ区→换乘通道→10 号线南区和北 区→10号线换乘大厅→10号线三个风井。这样在复杂的周 边环境中就有 10个相邻基坑相继或者同步开挖，基坑群之 间会产生相互作用，并最终对周边环境产生比单个基坑开挖 更复杂的影响，本文运用有限元分析计算的方法，模拟真实 施工步骤，对这种“群坑耦合”效应及其对周边环境的影响进 行了分析，得出了本工程实际采用的基坑施工顺序的可行性 和群坑耦合效应一些有用规律，对实际施工和 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 具有一定 的指导意义。 2 三维数值分析模型 2.1 有限元计算模型 采用 MIDAS/GTS软件进行三维数值分析，计算模型中， 在确定水平方向上模型边界距基坑边距离时，充分考虑了工 程的影响范围，模拟区域沿 2号线车站纵向取 265 m，沿 2 号线车站横向取 265 m，上表面为天然地面，下表面取天然 地面以下 85 m厚处。抽象出的三维模型总尺寸为 265 m× 265 m×85 m。模型中，土体视为理想弹塑性体，采用六面体 实体等参单元模拟、Drucker- Prager 屈服准则。地下连续墙、 混凝土支撑、钢支撑、车站混凝土结构及区间盾构隧道按各 向同性弹性材料考虑，地下连续墙、车站结构、区间隧道、155 地块底板采用离散基尔霍夫四边形等参单元模拟，支撑采用 梁单元模拟，桩采用植入式桁架单元模拟。通过单元的“生 死”实现土体开挖、结构施作等施工过程。模型网格如图 2～ 5所示。 图 2 三维有限元网格 图 3 已建 2号线车站结构、区间隧道、待建 10号线车站和 155地块地墙 2.2 物理力学参数及边界条件 本次计算所取地质资料数据，根据勘察单位提供的地质 报告确定，如表 1所示，计算中不考虑土层参数的变异性。 图 4 待建综合开发项目围护及支撑结构 图 5 综合开发项目及 2号线车站桩 所有边界条件均为位移边界条件。其中：地表为自由边 界条件；模型左右前后四侧边界的侧向水平位移限制为零， 竖向自由；模型底部边界的竖向位移限制为零，水平方向自 由。 3 计算结果分析 基坑开挖和结构施做会引起周边土体位移场和应力场 的改变，这种改变会对邻近范围内的已有地上建筑、地下建 筑和同步或相继开挖的基坑产生影响，在 155地块与上海轨 道交通 10号线南京东路站综合开发项目中，这些问题都得 到了体现，下面分别进行阐述。 3.1 群坑开挖对邻近地铁车站的影响 3.1.1 车站底板竖向位移 在 2号线车站底板上取两个特征近点和两个特征远点， 其位置如图 6所示，各点 Z向位移随施工模拟工况的变化如 图 7所示。 从图 7中可以看出，2号线车站底板各特征点的竖向位 移曲线随基坑施工步的进行呈波浪状，有随开挖卸载隆起、 结构加载沉降的规律。工况 33为：施做 10号线南区和北区 结构和 155裙房，一次加载量较大，因此两个特征近点发生 较大沉降。 靠近 155Ⅲ区的 C点竖向位移最大，但在 155三个基坑 表 1 土体的物理力学参数 层号 土层 重度(kN/m3)压缩模量(MPa)泊松比内聚力(kPa)内摩擦角（°） ① 填土 19 3.3 0.35 10 17 ②1 粉质粘土 18.2 3.44 0.35 16 17 ③ 淤泥质粉质粘土 17.4 2.41 0.38 12 19.5 ④ 淤泥质粘土 16.7 3.85 0.40 13 12 ⑤1 粘土 18.0 4.94 0.35 15 18 ⑤3粉质粘土 17.9 5.33 0.32 17 24 ⑤4粉质粘土 19.9 6.21 0.32 36 26 ⑦ 粉细砂 19.3 13.42 0.3 0 33 ⑧1 粘土 18.5 5.85 0.3 23 20.5 ⑧2 粉质粘土 19.9 6.20 0.3 19 25.5 ⑨1 粉细砂 20 18.60 0.3 25 31.5 ·178· 2009年 3月出版 · 图 6 2号线车站底板特征点位置 图 7 车站特征点 Z 向位移随工况变化曲线 施工完成后，10号线基坑开挖没有引起该点隆起。而特征 近点 A点，距离 155和 10号线基坑都较近，在 155基坑施做 完成后继续有随 10号线基坑开挖卸载隆起，随其结构施做 沉降的规律。 因此，保护建筑与群坑的距离和位置关系是群坑开挖对 环境影响的一个重要参数。群坑开挖并施做结构会引起邻 近地下结构底板出现往复隆起和沉降，并在底板中形成复杂 的附加应力，在群坑施工中必须引起注意，加强检测，采取措 施减少这种影响。 3.1.2 车站结构侧向位移 2号线车站侧向位移最大区域位于邻近 155基坑Ⅰ区 的侧墙上。在此区域取特征点，该点 Y向位移随施工模拟工 况的变化如图 8所示。 图 8 车站侧墙特征点 Y向位移随工况变化曲线 从图 8可以看出，群坑开挖引起的 2号线车站结构侧向 位移很小，155Ⅲ区基坑开挖和结构施做会引起车站结构向 开挖侧移动，与Ⅰ区共用封堵墙的Ⅱ区后续开挖使车站产生 背离基坑的位移，其他距离 2号线车站较远的基坑开挖对车 站的侧向位移没有影响。 3.2 群坑开挖对区间隧道的影响 3.2.1 区间隧道竖向位移 2号线区间隧道竖向位移最大区域邻近 10号线南区， 在此区域分别在北侧隧道取特征点 A，在南侧隧道取特征点 B,各点的竖向位移随施工模拟工步变化曲线如图 9所示。 从图 9可以看出，群坑施工对邻近的北侧隧道影响较 大，对距离较远的南侧隧道影响很小。并且，隧道竖向变形呈 波浪形，有随基坑开挖卸载隆起，结构施做加载沉降的规律。 3.2.2 区间隧道侧向位移 如上所述，群坑开挖对北线隧道影响较大，在北侧隧道 靠近 10号线基坑区域取特征点，其侧向位移随施工模拟工 况变化曲线如图 10所示。 图9区间隧道特征点 Z 向位移随工况变化曲线 图 10北侧隧道特征点 Y向位移随工况变化曲线 从图 10可以看出，距离隧道较远的基坑开挖卸载会引 起隧道向背离基坑方向侧移。与隧道邻近的基坑开挖卸载和 结构施做加载都会引起隧道向基坑方向侧移。与隧道的竖向 变形相比，群坑开挖引起的隧道侧向变形较小。 3.3 群坑之间的影响 在开挖面积较大的基坑中，10号线南京东路站换乘大 厅段是最后施做的，在此之前的 6个基坑开挖卸载和结构施 做加载已经在周边土体的应力场和位移场中产生了群坑开 挖的耦合效应，该基坑特征断面地墙变形随模拟施工步的变 化如图 11所示。 从图中可以看出，在此段基坑开挖结束时地墙的最大变 形为 51.3 mm，此段基坑开挖前，地墙已经产生了 10.9 mm 的初始变形，在最终型变量中约占 20%，说明多个基坑相继 或同步开挖彼此的影响较为明显，群坑耦合效应不能忽视。 3.4 不同开挖顺序对周边环境影响的比较 平面分区法施工基坑是指通过设置分隔墙将一个面积 很大的基坑分成几个小的基坑分别进行开挖。这样可以减小 一次卸载的面积，开挖快，支撑快，从而很好的控制周边环 境。在市中心施工基坑，周边环境复杂，往往距离基坑很近范 围内存在上需保护的地上建筑、地铁车站或隧道等地下建 筑。在这种情况下，采用平面分区法，将邻近保护建筑一侧分 隔成小基坑，通过快速开挖，快速支撑，快速浇筑底板的方法 第 3期3/2009 赵永光、耿进柱、赵兴波：群坑开挖耦合效应及其对周边环境影响的数值分析 * 179· 《建筑施工》第 31卷 可以有效地控制保护建筑一侧的变形。155地块基坑工程就 是采用此方法，将整个基坑分成 3个区，靠近 2号线河南路 站侧为一狭长基坑。但采用平面分区法进行施工，如果以最 好地保护环境为评价标准，靠近保护建筑一侧的基坑应该最 先施做，还是等其他分区的基坑完成，结构刚度已经形成的 情况下最后进行施做，是个值得研究的问题。本文通过模拟 不同的施工顺序，对此问题进行讨论。 施工顺序一：Ⅰ区→Ⅲ区→Ⅱ区，即先施工保护建筑一 侧的基坑。 施工顺序二：Ⅰ区→Ⅱ区→Ⅲ区，即最后施工保护建筑 一侧的基坑。 图 12和图 13为两种施工顺序下，在 3个基坑施工完成 后，2号线车站底板纵向中心线的变形和侧墙的变形。 图 11 换乘大厅地墙变形随模拟工况变化曲线 图 12 2号线车站底板变形曲线 从以上两图可以看出，在两种开挖顺序下，车站的竖向 变形几乎没有区别，而侧向变形差别较大，第二种开挖顺序 3.7 mm，比第一种开挖顺序 2.5 mm大 50%。 第二种开挖顺序 2号线车站侧向变形随模拟工况步的 变化如图 14所示。 图 13 2号线车站侧墙在两种开挖顺序下的变形曲线 从图 14可以看出，Ⅱ区开挖结束后 2号线车站已经发 生了较大的侧向位移，这就是采用第二种开挖顺序引起的 2 号线车站侧向位移比第一种开挖顺序大的原因。 通过以上分析可知：施工顺序对邻近建筑的竖向变形几 乎没有影响，而对其侧向变形影响很大。因此，采用平面分 图 14 2号线车站侧墙变形随工况变化曲线 区法进行施工，以对环境的保护为评价标准，如果邻近建筑 为地上建筑，则可不考虑施工顺序，以有利于工程进度为原 则安排开挖顺序。如果邻近建筑为地下建筑，需要考虑其侧 向变形，则应该先施工靠近保护建筑一侧的基坑。 4 结语 通过对上海 155地块和轨道交通 10号线南京东路站综 合开发项目的数值模拟，得出如下结论： （1）相邻多个深大基坑相继或同步开挖会对周边土体 产生比单个基坑开挖更复杂的影响，群坑耦合效应明显存 在。 （2）基坑开挖会使邻近地下建筑产生竖向和侧向的位 移，其中以竖向位移为主。 （3）群坑开挖和结构施做使邻近地下建筑的竖向位移 呈波浪形变化，有随开挖卸载隆起，结构施做加载沉降的规 律。 （4）群坑开挖卸载和结构施做加载都会导致邻近地下 建筑侧向位移增大。 （5）采用平面分区发施工基坑，以保护环境为评价准 则，按以下标准安排施工顺序：①保护建筑为地上建筑：开挖 顺序按有利于工程进度为原则安排。②保护建筑为地下建 筑：应先施工靠近保护建筑一侧的基坑。 （6）本工程在施工换乘通道基坑时所采用的“先浅后 深”的施工工艺，通过有效的土体加固是可以实现的。 参 考 文 献 ［1］刘建行，侯学渊.基坑工程手册［M］.中国建筑工业.出版社, 1997.10. ［2］孙均，汪炳鉴.地下结构有限元解析［M］.同济大学.出版社,1986. ［3］陈东杰.上海铁路南站相邻基坑施工技术研究［D］.同济大学, 2004.08. ［4］杨林松.基坑施工引起坑周土体应力与位移场变化特性研究 ［D］.同济大学，2007.3. ［5］潘林有，胡忠雄.深基坑卸载回弹问题的研究［J］.岩土工程学报, 2002,24(1):101- 104. ［6］刘国斌，刘登攀.基坑施工对周围建筑物沉降的影响分析［J］.建 筑结构,2007,37(11):79- 83. 赵永光、耿进柱、赵兴波：群坑开挖耦合效应及其对周边环境影响的数值分析 *第 3期 3/2009 ·180·