（摄影测量与遥感专业论文）外滩地下通道施工对优秀历史建筑物的变形影响研究.pdf

摘要 摘要 2 0 1 0 年上海世博会将在浦江两岸举办。考虑到这里人口集中、交通堵塞会对世 博会的举办带来不便，为保证世博会顺利进行，同时改善交通环境，上海市决定沿 外滩修建一条地下通道。由于外滩地区情况复杂，要修的地下通道与沿线保护建筑 群的距离很近，按照设计方案进行施工，可能会对周围保护性建筑造成一定的影响。 为了确保外滩通道工程顺利进行，做好沿线优秀历史建筑的保护工作，需要对外滩 通道沿线的保护性建筑进行监测和评估。 目前国内外关于基坑施工引起支护结构变形以及周围建筑物变形影响的研究很 多，主要有两种方法：数值方法和非数值方法。非数值方法总结了一些地表沉降的 经验公式，数值模拟方法主要使用有限元计算，但至今仍没有一个公认的既完善用 通用的方法。这是因为很难找到适合于不同地质条件的计算模型，且对模型的简化 和参数的选择能较好模拟实际问题。这是当今地面沉降计算分析研究中需要解决的 重大问题。 本文应用大型有限元通用软件a n s y s ，模拟建筑物由于基坑施工引起的沉降、 水平位移和倾斜。前两章主要介绍基坑施工的特点，地下连续墙的一些理论、基坑 变形机理、基坑施工引起的周围地表沉降以及基坑开挖对邻近建筑的影响。这些理 论为后面的模拟计算提供有用的理论指导。 第三章重点模拟了离外滩通道施工距离最近的一栋建筑物由于基坑开挖引起 的沉降、水平位移和倾斜。通过模拟开挖不同阶段得到的位移云图和应力云图，分 析土层应力和应变的规律；同时也得到基坑开挖的不同阶段建筑物的沉降和水平位 移，并用这些数据进行理论分析，拟合出建筑物沉降、水平位移、倾斜率随开挖深 度变化的关系曲线，分析其变化的规律。从模拟的结果可以看出，保护性建筑由于 附近的地下通道开挖受到了一定的影响，而沉降和水平位移的数值都在设计允许范 围内，建筑物能够继续安全地使用。 另外，通过仪器监测获取基坑开挖不同阶段建筑物的沉降和水平位移，并从实 际的监测数据中分析建筑物随着开挖深度的变化规律。观测其沉降、水平位移值是 否过大。即用理论计算和实际观测数值的对比，作为理论计算的一种有效的验证。 关键词：保护性建筑物，基坑开挖，沉降，水平位移，倾斜，有限元，变形分析 a b s t r a c t s h a n g h a iw o r l de x p o s i t i o nw i l lb eh e l di nc r o s ss t r a i to fh u a n g p u r i v e ri n2 0 1 0 c o n s i d e r i n gt h ep o p u l a t i o ni sc o n c e n t r a t e dh e r e ，t h eg o v e r n m e n ti ns h a n g h a id e c i d e st o b u i l da nu n d e r p a s sa l o n gb u n di no r d e rt oi m p r o v et h et r a f f i cj a m i na c c o r d a n c ew i t ht h e c u r r e n td e s i g np r o g r a m ，t h es u r r o u n d i n gp r o t e c t i v eb u i l d i n g sw i l lb ea f f e c t e d t os o m e e x t e n t i no r d e rt oe n s u r et h ep r o j e c to fb u n dc h a n n e lw o r k i n gs u c c e s s f u l l ya n dp r o t e c t t h eh i s t o r i cb u i l d i n g sa l o n gb u n d ，t h o s ep r o t e c t i v eb u i l d i n g ss h o u l db em o n i t o r e da n d a s s e s s e d n o w a d a y sm u c hd i s c u s s i o nf o c u s e s o nd e f o r m a t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e c a u s e db vt h eu n d e r p a s sc o n s t r u c t i o na n dd e f o r m a t i o nr e s e a r c ho fn e a r b yb u i l d i n g s i t m a i n l vc o n t a i n st w ow a y s ：n u m e r i c a lm e t h o d a n dn o n n u m e r i c a lm e t h o d t h e n o n n u m e r i c a lm e t h o ds u m m a r i z e ss o m ee m p i r i c a lf o r m u l a sa b o u ts u r f a c es e t t l e m e n ta n d t h en u m e r i c a lm e t h o dm a i n l ya p p l i e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t e h o w e v e r ，n o w e l l k n o w nm e t h o di sb o t hc o m p l e t ea n da p p l i c a b l e b e c a u s ei t i sd i f f i c u l tt oc h o o s ea m o d e lf o rd i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h em o d e lc a ns i m u l a t et h er e a ls i t u a t i o n w e l lw i t hc o r r e c tp a r a m e t e r s t h a ti st h em a j o rp r o b l e mn e e d e dt o b es o l v e di nt h e c a l c u l a t i o no fs u r f a c es u b s i d e n c e i nt h i s p a p e r ，t h ew i d e l y u s e d s o f t w a r ea n s y si su s e dt os i m u l a t e t h e s u b s i d e n c e ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t a n dt i l to fb u i l d i n g sc a u s e db yu n d e r p a s s c o n s t r u c t i o n t h ef i r s tt w oc h a p t e r sm a i n l yi n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r p a s s c o n s t m c t i o n s o m et h e o r i e sa b o u td i a p h r a g mw a l l ，t h ep r i n c i p l eo fu n d e r p a s sd e f o r m a t i o n ， t h es u r f a c es u b s i d e n c ea n dt h ei n f l u e n c eo fs u r r o u n d i n gc o n s t r u c t i o nc a u s e db yu n d e r p a s s c o n s t r u c t i o n t h e s et h e o r i e sc a np r o v i d eu s e f u lg u i d a n c ef o rs i m u l a t i o n i nc h a p t e rt h r e e ，t h es u b s i d e n c e ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dt i l t o ft h eb u i l d i n g c a u s e db vu n d e r p a s se x c a v a t i o ni sc a l c u l a t e db e c a u s et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h i sb u i l d i n g a n du n d e r p a s si sn e a r e s t w ec a ng e tt h ed i s p l a c e m e n td r a w i n ga n ds t r e s sd r a w i n gb y s i m u l a t i n gt h ed i f f e r e n tp r o c e s s t h u s ，t h el a w o fs t r e s sa n ds t r a i no fs o i lc a nb ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ed a t ao fs u b s i d e n c ea n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h eb u i l d i n gc a nb e o b t a i n e dd u r i n gt h ed i f f e r e n tp r o c e s so fu n d e r p a s se x c a v a t i o n t h u s ，t h ec u r v e do f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u b s i d e n c e ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，t i l to ft h eb u i l d i n ga n d t h e d e p t hv a r i a t i o no fu n d e r p a s se x c a v a t i o nc a n b ef i t t e d f r o mt h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，t h e u p r o t e c t i v eb u i l d i n gi s a f f e c t e db yt h eu n d e 叩a s se x c a v a t i o n h o w e v e r ，t h ef i g u r e 0 ft h e s u b s i d e n c ea n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti s n o th i g h e rt h a na l l o w e dr a n g ea n dt h u st h e 。i l la d d i t i o n ，t h es u b s i d e n c ca n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t o ft h eb u i l d i n gc a n b e m o n i t o r e d b ye q u i p m e n ta n d t h el a w 。fv a f i a t i o nc a n b ea n a l y z c dw 1 t hm 叫黑h _ a ? 1 0 n o fu n d e r p a s se x c a v a t i o n 。w ec a n c o n t r a s tt h ef i g u r eo ft h e o r yc a l c l l l a t i o nw i t ht h ef l g u r c 0 b s e e d b ye q u i p m e n ta n dt h e a c t u a lf i g u r e sc a nb ea e f f e c t i v ev e r i f i c a t i o na st h et h e 。r y f a l c l d a t i o n k e y w 。r d ：p r o t e c t i v eb u i l d i n g , e x c a v a t i o n , s u b s i d e n c e ，h 丽z o n t a ld i s p l a c e m e 酬l ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，d e f o r m a t i o na n a l y s i s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 阉连 2 9 9 0 年弓具| c 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的 内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 外滩地下通道工程的背景 作为上海市标志性地区，外滩象征着上海一百多年来发展与繁荣，浓缩了中国 近代政治、经济、社会文化的发展和变迁。外滩、小陆家嘴和北外滩三足鼎立，共 同构成了上海c b d 核心区的黄金三角。随着黄浦江两岸开发的不断推进，2 0 1 0 年世博 会将在浦江两岸的举办，这为上海城市建设和发展带来了新的机遇，也对外滩地区 的功能更新，风貌传承提出了更高的要求。为了改善外滩地区的交通条件，促进该 地区的功能发展，实现社会、经济和环境的可持续发展，在上海市建委、市规划局 联合组织的0 1 - 滩地区功能发展和综合交通规划国际方案征集论证的基础上，考 虑n = l l # i - 滩地区的综合交通规划、小陆家嘴地区的交通组织优化、中心城路网优化 等需要，决定采用井字形通道方案和外滩通道非开挖的方案对外滩沿线进行交通综 合改造。根据上海市总体规划要求，改造工程将沿外滩修建一条地下通道。根据上 海市政工程设计研究总院的设计方案，工程将沿黄浦江而建，南起东门路，沿中山 东二路、中山东一路、从外白渡桥下方穿越苏州河，向北接吴淞路，至海宁路。通 道在福州路以南为明挖段，在福州路以北为盾构段，盾构直径1 3 8 m 。全长3 7 2 0 m ， 其中地下通道3 3 0 0 m ，设计行车时速4 0 k m h ，预计2 0 0 9 年底竣工通车。 由于外滩地区情况非常复杂，除了地下有地铁2 号线、人行观光隧道和延安路 隧道和多条过街地道以外，外滩通道与沿线保护建筑群的距离很近，一般相距约1 5 m 左右。若按照设计方案进行施工，可能会对相邻保护建筑群造成一定的影响。为了 确保外滩通道工程顺利进行，做好沿线优秀历史建筑和其它正在使用房屋的保护工 作，经过评审最后由上海市房屋质量检测中心下辖的同济大学房屋质量检测站、上 海建筑科学研究院房屋质量检测站、上海房屋质量检测站和上海房屋建筑设计院房 屋质量检测站4 家单位联合完成外滩通道工程沿线保护建筑的检测、监测和后评估工 作。根据2 0 0 7 年7 月2 0 日签定的技术服务合同，同济大学房屋质量检测站将完成其中 1 1 处保护建筑的检测、监测和后评估工作。为便于分区完成现场检测任务，项目由 南向北分为3 个工作区，其中南区包括中山东一路l 、2 、4 、6 号，中区包括中山东一 路1 4 、1 5 、1 7 、1 8 号，北区由中山东一路2 6 号和黄浦路1 0 6 号二幢大楼组成，房屋具 体名称和地址如表1 1 所示。 表1 1同济大学房屋质量检测站检测、监测与后评估的保护建筑一览表 区段地址 现名称 原名称 南区 中山东一路1 号中国太平洋保险公司 亚细亚大楼 中山东一路2 号东风饭店上海总会 中山东一路4 号上海建筑设计院有利银行 中山东一路6 号中山东一路6 9万国商团 中区中山东一路1 4 号上海总工会大楼交通银行大楼 中山东一路1 5 号中国外汇交易中心大楼中央银行大楼 中山东一路1 7 号友邦大楼字林西报大楼 中山东一路1 8 号春江大楼 麦加利银行大楼 北区中山东一路2 6 号扬予大楼扬了保险公司大楼 黄浦路1 0 6 号( 红楼)商业置地公司日本领事馆 黄浦路1 0 6 号( 灰楼)商业置地公司联合救济总署 1 2 外滩地下通道工程的变形监测的任务和意义 外滩地下通道工程的变形监测主要是沉降和倾斜监测。按照合同文件有关规 定，根据施工进度，跟踪观测房屋的变形情况和裂缝发展情况，在南区明挖阶段对4 幢建筑物每天完成1 次沉降观测，每周完成1 次裂缝监测，每月完成1 次倾斜监测。其 中，沉降报告当天递交，裂缝与倾斜监测隔天提供报表。 在施工中，变形监测十分重要。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以 及建后整个运营期间都要不断地或周期性地监测其变形情况。一般来说，由于各种 因素的影响，工程建筑物及其设备在运营过程中都会产生变形。如果变形是良性的， 或者说变化趋势及变形值在一定的限度范围内，这种变形可以认为是正常的现象， 但如果这种变形超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及 建筑物的安全，造成人民牛命财产的巨大损失。因此，要对建筑物进行变形监测， 掌握建筑物变形的具体情况，从建筑物变形的观测值分析变形趋势，预测未来变形 值，防止建筑物的变形突变，从而提早作出判断，采取必要的保护措施。 由于外滩地区情况比较复杂，外滩通道工程与沿线历史保护建筑群的距离比较 近，因此在外滩通道工程的整个施工过程中肯定会对保护性建筑群产生一定的影响。 在工程施工和运营期间，由于受到多种因素的影响，历史建筑物会产生变形，如果 变形如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时会危及建筑物的 安全，所以在确保地下通道工程按期完成的同时，要有效地保护历史建筑群。历史 2 建筑物变形监测显得尤为重要。 总而言之，外滩地下通道工程的变形监测工作的意义重点表现在两方面：首先 是使用上的意义，主要是掌握工程周围历史建筑群的稳定性，为安全性诊断提供必 要的信息，以便及时发现问题并采取措施；其次是科学上的意义，包括更好地理解 变形机理，验证有关工程设计的理论，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。 1 3 国内外研究现状、发展动态 关于基坑周围地表的沉降计算，佩克( p e c k ) 提出了估算由基坑开挖引起的地面 沉降的经验方法，将地面沉降与开挖深度、距基坑边的距离、土的性质、支撑系统 等因素联系起来。 侯学渊、陈永福、夏明耀在分析基坑开挖变形机理的基础上，提出了估算地表 沉降的经验公式，将地面沉降与开挖深度联系起来。 1 9 9 8 年俞建霖，赵荣欣，龚晓南发表一篇软土地基基坑开挖地表沉降量的数 值研究，文中用有限元法首先就软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最大沉 降量的几个因素进行了系统的分析。 1 9 9 9 年，孙钧院士在市区基坑开挖施工的环境土工问题一文中通过按环境 土力学学科的原理与上海市近年来广为流行的“时空效应”方法，对基坑问题作分 析探讨，并对土层沉降、变形进行罡壁论预测。 张尚根、陈志龙、曹继勇，在1 9 9 9 年发表的深基坑周围地表沉降分析中提 出了按正态分布密度函数计算软土地区深基坑开挖中，由支护结构变位引起周围地 表沉降值的公式。同时给出了保护周围环境，减少地表沉降的具体措施。 陈华根、董荣鑫于1 9 9 9 年在长春科技大学学报上发表了基坑施工时地面沉降 的分析与估算，作者对基坑周边地面沉降监测作了总体性分析。提出用三次样条 曲线拟合法获得地面沉降函数，然后比较函数的相似性，建立地面沉降网络，由此 可求得地面各点的沉降值，从而克服测点的局限性，达到对基坑周边地面沉降进行 全面分析的目的。 2 0 0 1 年3 月，简艳春在其硕士学位论文中对软土基坑变形估算及其影响因素进行 研究。作者应用有限元分析了一系列软土基坑工程典型实例，根据计算结果和实测 值提出了软土基坑墙后地表沉降的分布曲线。按照地层损失法思路，推导了由支护 3 墙侧向变形值求解墙后地表沉降的适用公式。 在国外，对建筑物变形的研究涉及到很多方面，如正在开挖的基坑对邻近建筑 物变形的影响；隧道开挖后对建筑物沉降变形的影响；深基坑开挖后对建筑物的直 接影响研究得少一些，在各种条件下的深基坑开挖对支护结构变形的影响以及对支 护结构后地层位移影响的研究较多，数值模拟研究中其主要使用有限元方法f 6 l 。下 面简要介绍国内外对基坑支护结构变形、基坑周边地层变形以及建筑物变理论研究 现状： 1 9 8 9 年b o s c a r d i n ，m d ，c o r d i n g ，e j 研究了建筑对深基坑开挖引起降的反应。 1 9 9 6 年b o o n e ，s j 分析了地面运动引起的建筑损害。 1 9 9 6 年h a s h a s h 对粘土地区基坑开挖引起的面运动作了预测分析。 2 0 0 2 年b r y s o nl i n d s e ys e b a s t i a n 通过对芝加哥国家地铁工程在f r a n c e sw a r d e s c h o o l 段，引起的校舍开裂及支护结构的变形，研究了在软土地，应用刚性支护进 行深基坑开挖，对紧邻建筑物的影响，指出建筑物自重是支护结构开裂的函数。 2 0 0 4 年s o u s e nl e u ，h s i e n c h u a n gl o 提出基于神经网络的深基坑开挖的地表 沉降的衰退模型。 2 0 0 5 年r i c h a r dj f i n n o ，f r a n kt v o s sj r ，e d w i nr o s s o w 等对深基挖引起的 相邻建筑潜在损坏进行评价。 通过对研究现状的总结，可以看出研究丰要集中在基坑变形和周围地表沉降量 方面。以往的研究成果集中于对基坑支护结构变形和基坑周围地表沉降的研究，其 研究手段主要包括数值方法和经验方法两类。下面对与这两方面相关的一些研究成 果做一下总结1 4 1 ： ( 1 ) 开挖结束时周围地表的沉降。相应理论为地表沉降机理，有关这方面的研究较 多，成果也较多，提出了各种具体形式的计算公式。 ( 2 ) 开挖结束后一段时间周围地表沉降。相应理论为土的固结、流变。成果较少， 主要是一些经验公式，如刘建航院士提出的时空效应的双曲线方程。 ( 3 ) 优化一些对沉降有影响的设计参数。如支护结构的刚度、支撑结构刚度、支撑 点位置对沉降的影响，相应理论为结构优化设计。 ( 4 ) 施工参数对变形的影响。如无支撑暴露、坑底暴露时间、支撑的预应力。前两 种参数的研究在上海地区有一些经验参数：后者在规范中有一些相关建议。 ( 5 ) 监测报警值。变形总量控制主要是地表的沉降机理方面的研究：变形速率控制 主要涉及到土的固结和流变，研究很少，在上海地区有一些经验。 4 在地面沉降研究中，地面沉降模型是地面沉降研究的重要内容，预测得准确与 否，对地面沉降防护起着至关重要的作用。 1 4 论文研究目的和理论意义 本论文研究目的是：地下通道的开挖及支护对相邻建筑物的影响。用变形监测 的方法测量出外滩保护性建筑的沉降、水平位移和倾斜变形。通过有限元，弹塑性 力学，土力学等理论结合a n s y s 等有限元应用软件来模拟建筑物的沉降模型，计算出 需要进行监测的建筑物的水平位移、沉降和倾斜变形。将理论计算出来的变形值与 实测值进行对比，判断理论计算的结果是否能较好地与实测值吻合，从而为沉降监 测提供一种计算方法。 考虑到建筑物的几种变形观测项目( 基础沉降观测、水平位移观测、倾斜观测、 裂缝观测、挠度观测) ，本论文不考虑裂缝和挠度观测的影响，故可以把建筑物简 化为刚体。开挖基坑以及基坑支护会引起土层的应力重新分布。于是通过有限元， 数值分析，结合a n s y s 软件模拟出开挖地下通道周围土层应力的分布状态，计算出周 围建筑物的沉降和倾斜。 本论文研究的理论意义在于：在地面沉降的各种变形计算研究方面，到耳前为 止，尚没有一个公认的既完善又通用的方法。如何选择适用于具体地质条件的计算 模型? 如何对模型进行简化，但又能较好地模拟实际问题? 又如何确定使用模型的各 种计算参数? 这是当今地面沉降计算分析研究中最关键而又迫切需要解决的问题。 目前对于基坑开挖引起的地表变形已经有了较多的研究和成果。地表变形对建 筑物的影响也有了一定的研究成果，但考虑上部结构、基础与岩土体的共同作用分 析基坑开挖对邻近建筑物影响的研究涉及较少。针对目前国际和国内基坑开挖对邻 近建筑物的研究现状，拟采用有限元软件a n s y s 模拟并分析基坑开挖对邻近建筑物的 影响，总结基坑开挖对邻近建筑物的影响规律。 在复杂工程环境状况下，基坑支护结构、土体和周边建筑物及其它构筑物之间 的共同作用，近邻建筑物的变形，目前在这些方面的研究较少。因此，本文选择了 地下通道开挖对邻近建筑变形影响的研究作为研究课题。 5 第2 章皋坑开挖与建筑物变形的理论 第2 章基坑开挖与建筑物变形的理论 2 1 基坑围护的理论 2 1 1 基坑围护体系的作用及基坑支护的类型 基坑工程主要包括基坑支护体系设计、施工和土方开挖，是一项综合性很强 的系统工程。基坑支护体系是临时结构，在地下工程施工完成后就不再需要。基 坑支护体系，是一个土体、支护结构相互共同作用形成的有机体。 我国大量的基坑工程始于2 0 世纪8 0 年代。由于城市高层建筑的迅速发展， 地下停车场、高层建筑埋深等各种需要，近几年，由于城市地铁工程的迅速发展， 地铁车站、局部区间明挖等也涉及大量的基坑工程。无论是高层建筑还是地铁的 深基坑工程，由于都是在城市中进行开挖，基坑周围通常存在交通要道、己建建 筑及管线等各种构筑物，这就涉及到基坑开挖的一个很重要内容：要保护其周边 构筑物的安全。而一般的基坑支护大多又是临时结构、投资较大也容易造成浪费， 但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的 支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容。 基坑的围护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压 力传递到支撑，是稳定基坑的一种施- rj l 临时挡墙结构。围护结构的类型可归纳为 以下六种 3 1 ： ( 1 ) 板桩式。包括钢板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩。 ( 2 ) 柱列式。包括钻孔灌注桩和挖孔灌注桩。 ( 3 ) 地下连续墙。可兼作永久结构，适于逆筑法，半逆筑法。 ( 4 ) 自立式水泥土挡墙。包括深层搅拌桩挡墙和高层旋喷桩挡墙。 ( 5 ) 组合式。包括s m w 工法和灌注桩与搅拌桩结合。 ( 6 ) 沉井法。 通过对基坑支护形式的介绍，基坑支护形式的合理选择，是基坑支护设计 的首要工作，应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护形式的特点、造价 等综合确定。一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可以采用柔性支 护，如土钉墙等；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水 平位移，如排桩或地下连续墙等。同样，对于支撑的形式，当周边环境要求较 高地质条件较差时，采用锚杆容易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全， 6 第2 章皋坑开挖与建筑物变形的理论 应采用内支撑形式较好。当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较 高时，可采用地下连续墙加逆作法这种最强的支护形式。基坑支护最重要的是 要保证周边环境的安全。 由于本文涉及的外滩地下通道工程在上海地区，而上海是世界上三大软土 地基城市之一，覆盖层厚达15 0 - - - 4 0 0 m ，其中埋有很深厚的软弱淤泥质粘性土。 在2 0 余米的深度内，主要土层为淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土层，含水量一般 在3 7 5 0 ，空隙比一般在1 0 5 - - 1 3 7 之间，土体的压缩性高，抗剪强度低， 渗透系数很小。因此，上海地区常用的支护形式为 1 3 1 ：( 1 ) 护坡桩与支撑支护 形式；( 2 ) 地下连续墙与支撑支护形式；( 3 ) 重力式水泥土挡墙支护形式；( 4 ) 逆作法。本论文中，明挖法区段的基坑围护结构就采用的是地下连续墙。下面 介绍地下连续墙施工的一些理论。 2 1 2 地下连续墙施工的一些理论 地下连续墙技术最早出现在19 5 0 年意大利实施的两项工程，经过多年的发 展，技术已经成熟并得到广泛的应用。它是一种比钻孔灌注桩和深层搅拌桩造 价更昂贵的结构形式。对其选用，必须经过技术经济比较，确认是经济合理， 因地制宜时方可采用。一般地下连续墙在基础工程中的适用条件归纳起来有以 下四点【8 】：( 1 ) 基坑深度大于l o r e ；( 2 ) 软土地基或砂土地基；( 3 ) 在密集的 建筑群中施工基坑，对周围地面沉降、建筑物的沉降要求需严格限制时，宜用 地下连续墙；( 4 ) 围护结构与主体结构相结合，用作主体结构的一部分，且对 抗渗有较严格限制时，宜用地下连续墙。本论文中，以上4 点都符合，基坑的深 度在l o m 以上，上海的地基为软土地基，且外滩通道靠近密集的保护性建筑群。 地下连续墙具有如下的优点： ( 1 ) 可减少工程施工时对环境造成的影响。施工时振动少，噪声低；能 够紧邻相近的建筑及地下管线施工，对沉降及位移较易控制。本论文中， 基坑施工离建筑物最近的只有7 6 m 。距离如此之近，对沉降的影响必须 要控制在最小的安全范围内。 ( 2 ) 地下连续墙的墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基的变形都较 小，既可用于超深围护结构，也可用于主体结构。 ( 3 ) 地下连续墙为整体连续结构，加上现浇墙壁厚度一般不少于6 0 c m ， 钢筋保护层又较大，故耐久性好，抗渗性能较好。 ( 4 ) 可实行拟作法施工，有利于施工安全，并加快施工进度，降低造价。 7 第2 章基坑开挖与建筑物变形的理论 地下连续墙施工的流程可叙述如下：即在工程开挖土方之前，用特制的挖 槽机械在泥浆护壁的情况下每次开挖一定长度( 一个单元槽段) 的沟槽，待开 挖至设计深度并清除沉淀下来的泥渣后，将在地面上加工好的钢筋骨架( 钢筋 笼) 用起重机械吊放入充满泥浆的沟槽内，用导管向沟槽内浇筑混凝土，由于 混凝土是由沟槽底部开始向上浇筑，所以随着混凝土的浇筑即将泥浆置换出 来，待混凝土浇至设计标高后，一个单元槽段即施工完毕。各个单元槽段之间 用特制的接头连接，形成连续的地下钢筋混凝土墙。如呈封闭状，则工程开挖 土方后，地下连续墙就可既挡土又可防水，便利了地下工程和深基础的施工。 如将地下连续墙作为建筑的承重结构则经济效益更好。 目前，我国建筑工程中应用最多的还是现浇的钢筋混凝土壁板式地下连续 墙，多为临时挡土墙，并且正积极研究推广用作主体结构又同时兼作临时挡土 墙的地下连续墙。 2 1 3 基坑工程的特点 总结起来，基坑工程具有以下特点： ( 1 ) 基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性。基坑 工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中一旦出 现险情，需要及时抢救。 ( 2 ) 基坑工程具有很强的区域性。如软粘土地基、黄土地基等工程地质和 水文地质条件不同的地基中基坑工程差异性很大。同一城市不同区域 也有差异。基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖都要因地制宣， 根据本地情况进行，外地的经验可以借鉴，但不能简单搬用。 ( 3 ) 基坑工程具有很强的个性。基坑工程的支护体系设计与施工和土方 开挖不仅与工程地质水文地质条件有关，还与基坑相邻建( 构) 筑物 和地下管线的位置、抵御变形的能力、重要性，以及周围场地条件等 有关。有时保护相邻建( 构) 筑物和市政设施的安全是基坑工程设计 与施工的关键。这就决定了基坑工程具有很强的个性。因此，对基坑 工程进行分类、对支护结构允许变形规定统一标准都是比较困难的。 ( 4 ) 基坑工程综合性强。基坑工程不仅需要岩土工程知识，也需要结构工 程知识，需要土力学理论、测试技术、计算技术及施工机械、施工技 术的综合。 ( 5 ) 基坑工程具有较强的时空效应。基坑的深度和平面形状对基坑支护体 8 第2 章基坑开挖与建筑物变形的理论 系的稳定性和变形有较大影响。在基坑支护体系设计中要注意基坑工 程的空间效应。土体，特别是软粘土，具有较强的蠕变性，作用在支 护结构上的土压力随时间变化。蠕变将使土体强度降低，土坡稳定性 变小。所以对基坑工程的时间效应也必须给予充分的重视。 ( 6 ) 基坑工程是系统工程。基坑工程主要包括支护体系设计和土方开挖两 部分。土方开挖的施工组织是否合理将对支护体系是否成功具有重要 作用。不合理的土方开挖、步骤和速度可能导致主体结构桩基变位、 支护结构过大的变形，甚至引起支护体系失稳而导致破坏。同时在施 工过程中，应加强监测，力求实行信息化施工。 ( 7 ) 基坑工程具有环境效应。基坑开挖势必引起周围地基地下水位的变化 和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对周围建( 构) 筑物和 地下管线产生影响，严重的将危及其正常使用或安全。大量土方外运 也将对交通和弃土点环境产生影响。 刘建航，侯学渊在其所著的基坑工程手册一书中提到基坑开挖的时空效 应。从国内有流变性的软土地区，特别是上海地区近十年来关于深基坑的施工实 践和实验研究，人们认识到基坑开挖支撑施工过程中，每个分步开挖的空间几何 尺寸和挡墙丌挖部分的无支撑暴露时间对基坑围护墙体和坑周地层位移有明显 的相关性【6 2 1 。这反应了基坑开挖中的时空效应的规律性。实践证明，科学地制 定考虑时空效应的丌挖和支撑的施工设计方案，能可靠而合理地利用土体自身在 开挖过程中控制位移的潜力而达到控制地层坑周位移、保护环境的目的，从而改 变目前基坑中为控制坑周地层位移而不合理地采用昂贵地基加固的做法。这是安 全经济地解决基坑丌挖过程中稳定和变形问题的一条有发展前途的新技术途径。 2 2 基坑工程现场监测 2 2 1 基坑工程现场监测的内容和监测方法 基坑的现场监测是指在基坑开挖及地下工程施工过程中，对基坑岩土性状、 支护结构变位和周围环境条件的变化，进行各种观测及分析工作，并将观测结果 及时反馈，以指导设计和施工。 现场监测的对象包括【4 5 】：( 1 ) 自然环境；( 2 ) 基坑底部及周围土体；( 3 ) 支护结构；( 4 ) 地下水位；( 5 ) 周围建( 构) 筑物；( 6 ) 周围地下各种管线；( 7 ) 与基坑相邻的城市道路路面。 9 第2 章基坑开挖j 建筑物变形的理论 在建筑物稠密地区进行基坑工程施工，宜对下述内容进行调查： ( 1 ) 周围建( 构) 筑物的分布，及其与基坑边线的距离； ( 2 ) 周围建( 构) 筑物的上部结构型式、基础结构及埋深、有无桩基和对沉降 差异的敏感程度，需要时要收集和参阅有关的设计图纸； ( 3 ) 周围建( 构) 筑物是否属于历史文物或近代优秀建筑，或对使用有特殊严 格要求； ( 4 ) 如果周围建( 构) 筑物在基坑开挖之前已经存在倾斜、裂缝、使用不正常 等情况，需要通过拍照、绘图等手段收集有关资料。必要时请有资质的单 位事先进行分析鉴定。 根据建筑基坑工程技术规范，相关的较重要的变形监测项目有： ( 1 ) 围护结构侧向变形；( 2 ) 基坑周围地表沉降；( 3 ) 周围建筑物水平位移、沉降、 倾斜； ( 4 ) 周围重要设施的变位和破损。具体实施中主要有两个问题：监测的 地域范围、测点的布置和监测报警。一般情况下，基坑每边设置1 - - 3 个点，围护 桩顶的水平位移、竖向位移测点应沿基坑周边每隔l o - - 一2 0 m 设一点，并在远离基 坑( 大于5 倍基坑开挖深度) 的地方设基准点，并对此基准点要按其稳定程度定 时测量其位移和沉降。环境监测应包括基坑丌挖深度3 倍以内的范围。由于外滩 通道基坑丌挖离周围的保护性建筑很近，因此应对基坑丌挖深度3 倍( 既4 5 m 左 右) 范围内的建筑进行变形监测。 在工程监测中，每一测试项目都应根据实际情况的客观环境和设计计算书， 事先确定相应的警戒值，以判断位移或受力状况是否会超过允许的范围，是否需 要调整施工工序或优化设计方案。因此，测试的项目的警戒值至关重要。一般情 况下，每个警戒值应由两部分控制，即总允许变化值和单位时间内允许变化量。 警戒值确定的原则有( 4 5 1 ：( 1 ) 满足设计计算的要求，不可超出设计值； ( 2 ) 满足测试对象的安全要求，达到保护目的；( 3 ) 满足现行的相关规范、规程的 要求； ( 4 ) 在保证安全的前提下，综合考虑工程质量和经济等因素，减少不必 要的资金投入。 基坑工程的监测方法在现场是以仪器观测为主，同时仪器观测和目测调查 相结合。并检查支护结构的丌裂变化情况，特别是重点检查支护桩侧、支护墙面、 主要支撑、连接点等关键部位的丌裂变化情况及支护结构漏水的情况。同时，边 坡土体顶部和支护结构顶部的水平位移和垂直位移观测点应沿基坑周边布置，一 般在每边的中部和端部均应布置观测点，且观测点间距不宜大于2 0 m 。 对于基坑工程，利用水准仪可以测量：( 1 ) 基坑围护结构的沉降；( 2 ) 基 坑周围地表、四周建筑物的沉降；( 3 ) 基坑支撑结构的差异沉降。 1 0 第2 章基坑开挖j 建筑物变形的理论 全站仪可以测量：( 1 ) 基坑的角点与边线的放样及施工中位移；( 2 ) 建筑 物轴线和支护结构轴线放样及施工中的位移； ( 3 ) 基坑围护结构顶面及各层支 撑的水平位移；( 4 ) 基坑周围地下管线、周围建筑物的水平位移。 基坑工程监测的项目很多，本文主要研究由于基坑的开挖引起的临近建筑 物的影响，监测建筑物是否沉降过大以及发生明显的倾斜。 2 2 2 基坑工程现场监测的重要性 在基坑施工前，应请有关监测单位对邻近建筑进行一次全方面观测，这样做 不但减少以后许多不必要的争端，而且在基坑施工时，可以进行比较，能更好地指 导基坑施工。基坑施工( 包括降水) 时，应根据监测的数据及时调整施工进度和方 法，必要时对个别薄弱处进行加固处理。监测的内容包括【6 2 1 ： ( 1 ) 邻近建筑物已有的裂缝、倾斜度、原始沉降数据等： ( 2 ) 基坑开挖和施工时，支护结构体系的侧向变形； ( 3 ) 基坑丌挖和施工时及工程竣工后的一定时间内，邻近建筑物的沉降和侧向变 形。 许多基坑支护设计未针对基坑周围的邻近建筑进行地表沉降量估算，是引 起日后与邻近建筑业主产生争端、赔偿的直接原因。因此，当一个基坑设计初步 完成后，应根据四周邻近建筑所处的位置，采用较适用的方法估算出基坑施工 可能对它们产生的不均匀沉降量，并分析这些建筑物是否能承受该不均匀沉降 量，同时若有必要应对支护体系进行修改。对地表沉降的预测和计算，至今尚未 找到一种理想的计算方法，目前较通用的有经验估算法，半经验半理论法和有 限单元法。 2 3 基坑开挖变形 2 3 1 基坑变形现象 基坑开挖变形包括三个部分【”i ：( 1 ) 墙体变形；( 2 ) 基坑底部隆起；( 3 ) 墙后地表沉降。其中墙后地表沉降对环境的影响最大，而本文的研究重点也是基 坑开挖对周围相邻建筑的沉降影响。 墙体变形包括墙体的水平变形和竖向变形。当基坑开挖较浅时，还未设支撑 第2 章基坑开挖j 建筑物变形的理论 时，不论是刚性墙体还是柔性墙体，均表现为墙顶位移最大，向基坑方向水平位 移，呈三角形分布。而墙体的竖向变形在实际工程中容易被忽视。事实上由于基 坑开挖土体自重应力的释放，致使墙体有所上升。墙体的上升移动会给基坑的稳 定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的危害。特别是在饱和的极为软 弱的地层中的基坑工程。 基坑底部的隆起在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆 起最高，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中 部最大转变为两边大中间小的形式。但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间 大，两边小分布。本文研究的外滩通道工程施工中，基坑的开挖宽度大致在1 4 5 m 左右，不同的地段开挖基坑的宽度略有变化。坑底产生隆起的形式还与具体的施 工流程有关。 墙后地表沉降根据工程经验，沉降的范围取决于地层的性质，基坑开挖深度 日、墙体入土深度、下卧软弱土层深度以及开挖支撑施工方法等。 基坑开挖引起周围地层移动主要原因是坑底土体隆起和围护墙的位移 1 0 l 。 基坑开挖过程其实就是基坑开挖面上卸荷的过程，卸荷使坑底土体产生向上为主 的位移，同时也使围护墙体在两侧压力差作用下产生向基坑的侧向变形，进而导 致墙后地面的沉降。土体隆起是因为基坑丌挖时，解除了土体的自重应力，导致 应力重分布，坑底土将产生回弹。 围护墙墙体的变形从水平方向改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地 层移动。基坑开挖后，围护墙便开始受力变形，在基坑内侧卸去原有的土压力时， 在墙体外侧则受到主动土压力，而在坑底的墙内侧则受到全部或部分的被动土压 力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以 前总是已发生一定的先期变形。挖到坑底设计标高时，墙体最大位移发生