（岩土工程专业论文）城市广场地下空间开发模式及数值模拟.pdf

中文摘要 城市中心广场是城市中人们进行各种公共活动的有一定规模户外步行空间，广场为 人们提供休憩、娱乐、交往的公共场所。并且展现着城市的历史文化风貌，是“城市的 客厅”。另一方面，城市的发展是一个集聚的过程，大量的人口、物质、信息等在此汇 集。为了在有限的城市土地上处理好各种矛盾，就需要提高土地的使用效率，增加空间 容量，实现更好的综合效益。但是长期以来，城市中心广场虽然有较好的环境效益和社 会效益，但是功能相对单一，也没有什么经济效益。对于土地价值高、开发强度大、各 种城市矛盾集中的城市中心地区来讲，保留乃至开辟新的广场、绿地代价巨大：这也是 城市绿地、广场越来越少的原因。 可以说，城市集约化程度的提高给广场、绿地的建设提出了更高的要求。那么，如 何才能解决广场、绿地发展中的这些问题呢? 那就是开发城市中心广场下的地下空间。 对已建好的城市中心广场下的地下空间开发，也就是在不影响地上设施使用的情况 下，如何进行地下空间开发? 在开发的过程中，可能会遇到多种开挖方式，主要有明挖 法、浅埋暗挖法等，本文主要对浅埋暗挖法进行研究。 本文所研究的内容： ( 1 ) 通过理论计算和有限元计算进行比较，得出各种计算方法得到的作用在地下 结构上的应力的实际变化情况； ( 2 ) 对地下空间的开发进行有限元模拟，得出在地下空间开发过程中由于地下结 构埋深不同、地下结构跨度不同、以及土层参数的改变的对地基围岩的影响及地表沉降 的趋势，因为目前对已建好城市广场下的地下空间的有限元模拟分析还很少，有也主要 是对岩石隧道的开挖模拟，所以本文的内容对今后城市中心广场地下空间开发有一定的 指导意义。 ( 3 ) 通过计算可以得出：城市地下空间开发的过程中，通过增加地下工程的埋深、 缩减地下结构的跨度和旌工进尺的减小可以明显的降低工作面上的地表沉降；另外，在 地质条件较好的工况也对地表沉降控制更加有利。 关键词：地下空间a n s y s 浅埋暗挖法 a b s t r a c t c i t yc e n t r ep l a z ai s ak i n do fg o o do u t d o o rp l a c ef o rw a l k i n g i ta l w a y sh a sa c o m p a r a t i v e l yl a r g es c a l ea n dg o o ds u r r o u n d i n gc o n d i t i o n s ，t h u sc a np r o v i d ep e o p l ew i t h p l a c ef o rd i f f e r e n tk i n d so fa c t i v i t i e s c i t yc e n t r ep l a z ai sa l s oas h o w p l a c ef o rt h ec i t y s h i s t o r i c a la n dc u l t u r a lf e a t u r e s a n db e c o m e s ”t h el i v i n gr o o mo fa c i t y t h ed e v e l o p m e n to f ac i t yi sac e n t r a l i z i n gp r o c e s s ，t h u sal o to fp e o p l e , m a t e r i a l sa n di n f o r m a t i o na r e c o n c e n t r a t e dh e r e t oc o p ew i t ha l lk i n d so fr e l a t i o n s ，p e o p l es h o u l db o o s tt h ee f f i c i e n c yo f t h el a n du t i l i t y , i n c r e a s et h es p a c ec o n t a i n a n c e ，e n h a n c et h ec i t ye x c h a n g ee f f i c i e n c y , e n h a n c e t h ec a r g ou n i tc o n d e n s i t y ，s oa st or e a l i z eb e t t e rb e n e f i t s i n c el o n ga g o ，c i t yc e n t r ep l a z a o n l yh a sg o o de n v i o n m e n tb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t , b u ti td o s e n th a v eo t h e rf u n t i o n s ， e s p e c i a l l yf o re c o n o m i cb e n e f i t f o rt h ec e n t r eo fac i t yw h e r el a n dv a l u e sh i g h ，l a n d e x p l o i t a t i o ni n t e n s i t ya r eh i g h ，a n dw h e r ea l lk i n d so fc i t yi n c o n s i s t a n c yc o n c e n t r a t e ，i tw o u l d c o s tt o om u c ht or e s e r v eo rb u i l dan e w p l a z aa n dan e wp a t c ho fl a w n t h a ti sw h yc i t yp l a z a a n dl a w na r ef e w e ra n df e w e r w ec a ns a yt h a tt h eh i g hi n t e n s i t yd e g r e eo fac i t yp u t sf o r w a r dh i g h e rd e m a n dt ot h e b u i l d i n go fal a w no ro fac i t yp l a z a s oh o w t os o l v et h ep r o b l e m s ? t h ea n s w e rl i e si nt h e e x p l o i t a t i o no f t h eu n d e r g r o u n ds p a c eo f t h ec i t yc e n t r ep l a z a i nd e v e l o p i n gp r o c e s s ，m a y b e e n c o u n t e rv a r i o u se x c a v a t em e t h o d s ，m a i n l yh a v et h eo p e ne x c a v a t ew a y , s h a l l o wt u n n e l c o n s t r u a i o nm e t h o da n ds oo n i nt h i st h e s i sw eo n l ys t u d yi nt h el a t e r t h ep a p e ra t t e m p t st or e s e a c ho nh o wt oe x p l o i tt h eu n d e r g r o u n ds p a c eo fap l a z a a l r e a d yb u i l tw i t h o u td i s t u r b i n gt h eu s i n go f t h eu p p e r g r o u n de s t a b l i s h m e n t ( 1 ) t h r o u g ht h e o r e t i c a lc o m p u t i n ga n df m i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ng e tt h ed e s i g np l a nb e s t f o rt h es a f e t yc o n c e r n so f t h eu n d e r g r o u n ds p a c ef r a m e w o r kd e s i g n ( 2 ) m a i n l yt h r o u g hf m be l e m e n ts i m u l a t i o no ft h ee x p l o i t a t i o no ft h eu n d e r g r o u n d s p a c eg e tt h et r e n do f t h eg r o u n ds u r f a c es e d i m e n t a t i o n ，t h ea f f e c t i o no f t h eg r o u n d w o r kw a l l r o c k sb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n td e p t h sa n ds p a no ft h eu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，d i f f e r e n te a r t h l a y e rp a r a m e t e r si nt h ee x p l o i t a t i o np r o c e s s b e c a u s en o wt h e r ea r ef e wf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h eu n d e r g r o u n ds p a c eo f t h ec i t yp l a z aa l r e a d yb u i l t , e x c e p tf o ro n l y t h ee x v a t i o ns i m u l a t i o no fr o c kt u b e s ，w h a t i r es t u d i e di nt h i sp a p e rw o u l db eu s e f u lf o rt h e e x p l o i t a t i o no f t h eu n d e r g r o u n ds p a c eo f t h ec i t yc e n t r ep l a z ai nt h ef u t u r e i i i ( 3 ) t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nw ec a no b t a i n ：i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc i t y u n d e r g r o u n ds p a c e ，t h r o u g ht h ei n c r e a s eu n d e r g r o u n dp r o j e c tb u r y i n gd e p t h ，t h ed e f l a t i o n u n d e r g r o u n ds t r u c t u r es p a na n dt h ec o n s t r u c t i o ne n t e r st h er u l e rt or e d u c em a yo b v i o u sr e d u c e i nt h ew o r k i n gs u r f a c et h es u r f a c es u b s i d e n c e ；m o r e o v e r , w h i c hi sa l s om o r e a d v a n t a g e o u si n t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o ng o o d o p e r a t i n gm o d e t ot h es u r f a c es u b s i d e n c ec o n t r o l k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n ds p a c e , a n s y s ，m u l t i - t o n n e l i n ga 1s h a l l o wd e p t h s n ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 燃一：垄垫叠瞧坦p 挈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本 人授权河南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 日期坦? ：芏：聋 导师签名：垄遣差吼丝丛颦 有关知识产权的保证 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果，本人在校期间的研究成果及发表的论文，知识产权归河南 工业大学所有。本人毕业后发表的，以本人在校期间研究成果的基础上 完成的论文、研究报告及其它科研成果，将署名河南工业大学为作者单 位。 论文作者签名 导师签名： 嗍姻 日期：2 1 孥：上绶 城市广场地下空间开发模式及数值模拟 第一章概论 1 1 城市广场地下空间开发的意义及存在的问题 1 1 1 城市城市广场地下空间开发的意义 广场是城市中人们进行各种公共活动的有一定规模户外步行空间。广场为人们提供 休憩、娱乐、交往的公共场所，并且展现着城市的历史文化风貌，是“城市的客厅”， 绿地是城市中植物生长的空间，绿地在创造宜人环境、优美景观的同时，还有利于改善 城市气候和维护城市的生态平衡，减少污染，是生态系统的重要部分。广场和绿地相互 融合，成为城市开敞空间系统中的重要组成部分，共同承担生态、景观、公共活动等功 能。 社会发展的多元化导致了人们需求的多元化，近年来，人们对广场、绿地中的活动 也有了多样化的需求，除了传统的户外活动、游园、观赏景观外，人们还希望能够在此 交往、娱乐、运动、学习、就餐、购物、停车等。同时，广场、绿地应具有良好的环境 景观以及完善的配套服务设施。这些对广场、绿地功能的完善与拓展提出了更高的要求。 另一方面，城市的发展是一个集聚的过程，大量的人口、物质、信息等在此汇集。 为了在有限的城市土地上处理好各种矛盾，就需要提高土地的使用效率，增加空间容量， 实现更好的综合效益。但是长期以来，广场、绿地虽然有较好的环境效益和社会效益， 但是功能相对单一，也没有什么经济效益。对于土地价值高、开发强度大、各种城市矛 盾集中的城市中心地区来讲，保留乃至开辟新的广场、绿地代价巨大；这也是城市绿地、 广场越来越少的原因。可以说，城市集约化程度的提高给广场、绿地的建设提出了更高 的要求。 那么，如何才能解决广场、绿地发展中的这些问题呢? 开发地下空间是城市发展的趋势之一。它能拓展城市空间容量、综合解决城市问题、 实现良好的综合效益。在一些规模大、经济实力强的特大城市和大城市中，地下空间已 经在综合解决城市矛盾方面发挥了重要的作用。它也为解决广场、绿地所面临的问题提 出了新的思路。 对于仅依赖地面空间完成基本功能的广场、绿地来说，用拓展其地下空间的方法来 解决其发展的问题，是一种可行的途径。广场、绿地的立体化开发，不仅可以完善自身 功能，提高环境质量，还能综合解决城市发展中的矛盾，拓展自身发展的空间，实现更 好的社会效益、环境效益和经济效益。因此，我们有必要进行城市广场地下空间开发利 河南工业大学硕士学位论文 用的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地下空间的发展概况1 1 i 地下空间( u n d e r g r o u n ds p a c e ) 是指在岩层或土层中天然形成的或人工开挖而成的 空间。 人类对地下空间的利用，经历了一个从自发到自觉的漫长过程。推动这一过程的， 一是人类自身的发展；二是生产力的发展和科学技术的进步。 根据考古发现和史籍记载，在远古时期人类就开始利用天然洞穴作为居住之用。例 如距今有5 0 万年的原始人类曾居住在自然条件比较好的天然岩洞；还有公元前8 0 0 0 公元前3 0 0 0 年发现的新石器时代，冰河期已过，气候变暖，当时的劳动工具已适应于 在较软的土层中挖掘洞穴，考古家发现在西安半坡村发掘出的仰韶文化遗址中，就发现 有从竖穴发展而成的袋形穴和横穴。另外在日本也发现有2 3 万年前的古人类居住洞 穴，如帝释峡洞窟群、圣岳钟乳洞等，在欧洲、美洲、西亚、中东、北非等地，都有一 些穴居的遗迹，但年代己不是很久远。 随着生产力的发展和科技的进步，城市地下空间的开发利用目前已经上升到一个新 的台阶。城市地下空间的开发利用是以1 8 6 3 年英国伦敦建成第一条地下铁道为起点， 1 8 6 5 年伦敦有修建了一条邮政专用的轻型地铁，至今仍在使用，已发展到1 0 5 k m 长。 1 8 7 5 年伦敦有开始修建下水道系统。进入2 0 世纪以后，一些大城市普遍陆续建设地下 铁道，城市地下空间开始为改善城市交通服务。交通的发展促进了商业的繁荣，日本从 1 9 3 0 年开始建设地下商业街。第二次世界大战以后到2 0 世纪末，城市地下空间利用得 到了空前的发展，在城市建设、缓解城市矛盾和城市现代化过程中，起到重要作用。 表1 - 1 各国地下空间开发的规模 国名地下空间开发总量( 1 0 6 m 3 ) 日本 美国 意大利 法国 挪威 1 9 6 0 1 9 7 0 9 0 4 0 4 0 3 2 2 2 1 9 7 0 1 9 8 0 3 7 o 2 2 5 1 1 2 8 5 4 o 瑞典 2 城市广场地下空间开发模式及数值模拟 按其来源可分为天然地下空间和人工地下空间两类。天然地下空间是指由于火山、 溶蚀、风蚀、海蚀等自然界运动而形成的天然空间资源，如熔岩洞、喀斯特溶洞等天然 洞室。天然地下空间可作为旅游资源开发利用，如山东沂蒙山区发现的“地下溶洞画廊” 便是以其神奇的景观开发成旅游项目，吸引游客参观，其次也有作为地下贮藏、战时防 空洞、地下停车场等用途。人工地下空间则是通过人工开挖的空间资源，般包括两类， 一种是因城市建设需要而开挖的地下交通空间、地下停车场、建筑地下室、地下人防工 程等；另一种是人们因开发地下矿藏、石油而形成的废弃矿井洞室，按照发达国家经验， 这部分空间资源可通过改造再开发成停车场、地下博物馆等用途，变废为宝。1 9 8 2 年联 合国自然资源委员会确定了地下空间作为重要的自然资源，各国应大力推动其开发利 用。有人指出，地下是人类继海洋、太空之后又一资源开发方向。更有人按“城市地下 空间资源量二城市建成区面积x 开发深度x 4 0 ”估算，若开发深度为1 0 0 - - 1 5 0 m ，城市 平均容积率为0 8 ，则可开发地下空间将是城市空间容量的2 6 倍左右。可见，地下空间 是埋藏在城市地下丰富的空间资源。 表1 2 我国可供有效利用的地下空间资源 1 2 2 城市地下空间施工与支护技术1 2 1 明挖法 明挖法( c u ta n do v e r 或o p e nc a t ) 是直接在地下工程建造处进行露天开挖和支护， 然后在开挖处建造地下结构，完工后再进行覆盖、恢复地貌的方法。明挖法具有施工作 业面多、速度快、工期短、易保证工程质量和工程造价低等优点，但因对城市生活干扰 大、对周围环境破坏大，使其应用受到限制。 盾构法 盾构法( s h i e l dm e t h o d ) 亦称掩护筒法，是法国人于1 8 1 8 年发明的在土层或松软岩层 河南工业大学硕士学位论文 中暗挖隧道的一种方法，一般采用盾构顶进，而后拼装预制管片形成衬砌。经过1 0 0 多 年的应用与发展，盾构经历了气压盾构泥水加压盾构土压平衡盾构的发展历 程，目前盾构法已能适用于各种条件下的施工。 盾构法施工的优点是施工速度快、精度高、振动小、噪声低，且对周围建筑物影响 较小。缺点是新型盾构机购置费昂贵，对施工区段短的工程不经济，成本高，对断面尺 寸多变的区段适应能力差。 顶管法 顶管法( p i p ej a c k i n gm e t h o d ) 是预先造好的管道按设计要求分节用液压千斤顶支承 在后座墩上，在工作基坑内将管道逐渐压入土体中，同时在管内将工作面内的泥土开挖 并运输出来的一种敷设管道的施工技术。它是一种比较方便适用的不需要地面开挖，又 不破坏地表建筑物的施工方法。 顶管法最早应用于1 8 9 6 年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中，至今已有1 0 0 多年的历史。顶管法的使用范围十分广泛，除硬质岩地层以外，其他地质情况几乎都可 使用。其优点是：占地面积少、对周围土体的扰动小、不破坏现有的管线和构筑物；缺 点是：施工精度的保证较为困难，容易出现顶管方向的偏移。 新奥法 新奥法( n c 、va u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ，缩写为n a t m ) 是新奥地利隧道施工方法的 简称。新奥法是2 0 世纪6 0 年代奥地利人总结前人的隧道工程实践经验后提出的一套隧 道设计、施工的新技术，它以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段。我国也常把新奥法 称为“喷锚构筑法”。 我国有些工程技术人员将新奥法和矿山法混为一谈，认为新奥法不过是矿山法的改 进而已，其实二者有着本质的区别。矿山法认为在地层中开挖坑道必然要引起围岩坍塌 掉落，开挖的断面越大，坍塌的范围也越大；新奥法则是应用岩体力学的理论，以维护和 利用围岩的自承能力为基点。 浅埋暗挖法 近几年，采用浅埋暗挖法修建的地下工程越来越多，特别是在城市地下空间开发与 应用，它的优越性日益明显。浅埋暗挖法是在新奥法的基础上，针对城市地下工程的特 点而发展起来的。城市浅埋地下工程的特点主要是：覆土薄、地质条件差、自稳能力差、 承载力小、变形快，特别是初期增大快，稍有不慎极易产生坍塌或出现过大的下沉，而 且隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来了严格的要求。用浅埋暗 挖法修建隧道占地面积小，主要靠人力旌工，机动灵活，对工程的适应性强，可做成各 种结构形式，对环境影响轻微，较好地实现了工程目标要求的经济、社会和环境效益的 4 城市广场地下空间开发模式及数值模拟 统一。 1 2 3 浅埋暗挖法的发展概述 修建浅埋地段隧道时有时因周围环境等要求必须采用暗挖法施工，称为浅埋暗挖 法。浅埋暗挖法是参考新奥法的基本原理，开挖中采用多种辅助施工措施加固周围土体， 充分调动周围土体的自承能力，开挖后即时支护，封闭成环，使其与周围土体共同作用 形成联合支护体系，有效地抑制周围土体过大变形的一种综合施工技术。 浅埋暗挖法的产生追根溯源必然要涉及到新奥法。新奥法最早用于奥地利阿尔卑斯 山深层硬岩隧道，采用柔性支护，旨在充分利用“拱效应”地层的自承能力。2 0 世 纪6 0 年代中期，新奥法用于波鸿、法兰克福、慕尼黑、纽伦堡等城市地铁软土隧道。 地层大都为泥灰岩、粘土、粉砂、砂砾石，隧道直径一般为8 - 1 3 m ，顶部覆盖约3 m ， 对地表沉陷有严格限制。m u l l e r 教授一开始就强调，硬岩隧道与软土隧道的新奥法应有 所区别：在软土地层中隧道在近地表的情况下，地层薄，它不可能承受应力重分布的荷 载，覆盖土的重力作用较大，如果仍用柔性支护，显然不合适。还指出隧道的变形会很 快反应到地表沉降。开挖和支护必须在短时间内完成，初期支护必须很快闭合。软土中 衬砌了的隧道是以“管”的形式工作的。根据m u l l e r 教授提出的这些原则，德国城市 地铁软土近地表隧道的施工是成功的。 2 0 世纪8 0 年代，慕尼黑工业大学艾培尔教授来华讲学，针对当时拟建的北京站至 北京西客站的地下联络线( 6 k i n ) 工程的施工方法说：“根据我所了解的北京地质特征和 慕尼黑地铁采用新奥法的经验，认为采用新奥法修建北京的地下工程，应该是没有问题 的。”此后，德国格拉兹尔教授谈到在岩石条件下和土质条件下采用新奥法修建地下工 程的差别时指出：“开挖具有相当地应力的岩石隧道，喷锚支护应采用柔性支护，以便 有控制地释放部分地应力，使围岩在新的条件下达到稳定。而在不稳定的土层条件下开 挖隧道，喷锚支护应具有足够的刚度，以防止地层产生过大的扰动，同时也防止地表过 大沉降，影响地面建筑物和地下管线的安全。”这一时期，我国在黄土地层中的几座单 线、双线铁路隧道，试验采用喷锚支护，也取得了初步经验。这些工程的试验成功，为 北京地铁“复一八”线采用锚喷支护和新奥法创造了条件。1 9 8 6 年，北京提出用浅埋暗 挖法修建长3 5 8 m 的复兴门地铁折返线。铁道部隧道工程局首次在亚粘土、砂土和砂砾 石地层中用喷锚支护和新奥法建成最大跨度达1 4 3 m 的地下折返线工程。由此总结出 包括十八字诀在内的基本经验，通过了铁道部和北京市科技成果鉴定，并正式取名为： “浅埋暗挖法”。 浅埋暗挖法强调预支护、即时支护以控制地面沉降，保证下部施工和地面及地下建 5 河南工业大学硕士学位论文 筑物的安全。十八字方针“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤测量”是其 精髓。 1 3 国内外广场地下空间开发利用实例介绍 1 3 1 国外城市广场下空间开发利用实例 发达国家的大城市在过去几十年中，开发建设了大量的地下空间，解决了城市矛盾， 实现了较好的综合效益。这其中不乏成功的广场、绿地与地下空间综合开发的实例。例 如巴黎的列阿莱【3 l ( l e h a l l e s ) f 。场，就是在一个历史文化古迹集中的地区，拆除了原有的 交通拥挤、不适应城市发展与历史风貌保护的食品交易市场，开辟出了一个以绿地为主 的步行广场，同时将交通、商业、文娱、体育等多种功能安排在广场的地下空间中，总 建筑面积超过2 0 万平方米。这一开发，解决了非常困难的保存传统与现代化改造的统 一问题，改变了原来的单一功能，充分发挥了地下空间在扩大空间容量。提高环境质量 方面的积极作用( 图1 1 、1 - 2 ) 。贝聿铭主持的卢浮富改造工程，将全部扩建功能容纳于 拿破仑广场地下，而地面设置对环境影响较小的玻璃金字塔入口，成功地保护了古典建 筑围合的广场空间，也满足了博物馆扩建的迫切需求。 图卜1 巴黎列阿莱广场平面 图1 - 2 巴黎列阿莱广场剖面 6 池纩裂r j 1 城市广场地下空间开发模式及数值模拟 1 3 2 国内城市广场地下空间开发实例 随着我国城市建设的发展和经济实力的提高，近年来也出现了不少开发利用广场。 绿地地下空间的成功实例。西安的钟鼓楼广场 4 1 是在老城区的中心开辟的市民广场，广 场的设计集中展示了古都的历史风貌。其地下容纳了两层共3 1 3 2 0 m 2 的高档商业空间， 地面也开辟了6 9 0 8 m 2 的绿地，展示了国内地下空间设计的较高水平，深受市民喜爱。 广场的综合开发由政府与商场共同投资，证明引入开发商的投资进行广场、绿地的立体 开发是可行的。济南泉城广场位于济南老城区边缘，商业繁华的地段，面积约1 7 公顷， 地下建有一层“银座”商场和停车场，共4 6 0 0 0 m 2 。设计师利用滨河高差和下沉广场等 灵活处理了地下空间的入口，创造了丰富的空间感受。整个广场处理手法丰富、到位， 环境质量好，无论地面广场还是地下商业均深受市民的欢迎。这是一个广场与绿地地上 地下空间相互促进，共同繁荣的典型实例。 北京西单文化广场是在寸土寸金的城市中心业区开辟的文化休闲广场。为了补偿土 地的价，在其地下开发了四层的商业和文娱体育空间。由于周边有良好的商业环境，再 加上与地铁站相连通，使这里具有巨大的商业潜力。西单文化广场地面环境好，地下商 业效益较高，美中不足的是绿化与休息空间的关系处理不够理想，行人多在此穿行而较 少停留。其他的实例还有上海静安公园、大连胜利广场、大连奥林匹克广场等，在广场、 绿地与地下空间利用方面都很有特色。 1 3 3 城市中心广场地下空间开发模式嘲 城市中心广场是城市环境中面积最大、功能多样的公共活动空间，能够突出体现城 市整体风貌和城市特点，结合广场四周重要的建筑物，可以成为城市整体空间环境的核 心。这类广场往往具有很强的聚集性，其地下空间最具开发的现实性。 经济发达的大城市，如北京、上海、广州、天津、重庆、西安、青岛等城市已经修 建或规划修建地铁。地铁交通以其独特的优势，正日益成为世界各国解决特大城市交通 问题的首选方案。由于轨道交通设施多在地下或高架，增加了交通空间，分散了集中于 地面的交通量，特别是轿车逐渐大量进入家庭的大城市，轨道交通能有效的缓解已存在 的交通问题。它具有快速、安全、舒适、准时的特点，能有效的扩大人们的活动空间， 扩大人们选择居住、工作地点的范围，提高单位面积上的客流量，使城市中心人口快速 分散到城市周边地区，使城市空间得到拓展。同时轨道交通多采用电力驱动，没有废气 排放，是绿色交通工具，有利于环境保护。此外，轨道交通是城市的主要发展轴，对城 市的规模和布局有重大影响，能有效的诱导城市的合理开发和扩展，有利于城市的可持 续发展。 7 河南工业大学硕士学位论文 地铁轨道出入口是人流密集区域，应在实现快速、安全、及时疏散人流的前提下， 将其建设成为人们休闲、娱乐、购物、歇息的场所。所以结合地铁的规划建设，城市中 心广场的地下空间可考虑如下模式： 地铁车站+ 商场+ 停车场 经济发达，但是暂不规划修建地铁的大城市，如石家庄、郑州、济南、福州、合肥、 长春、杭州等城市，城市中心广场可考虑如下开发模式； 商场+ 停车场+ 娱乐设施 随着国民经济的迅速发展，人们的生活水平不断提高，城市中车辆的增多，包括私 人轿车的增长已经不可避免，对城市用地的压力与日俱增。利用地下空间，建设大型地 下停车场，是解决城市停车难的主要途径之一。从现阶段来看，我国大城市城市效率并 不高，但城市用地已经十分紧张，因此不但不宜过多建设露天停车场，地面多层停车库 也不宜大量建设；同时由于工业发展水平所限，机械式停车库在近期也不能得到很大发 展。为了解决大城市的停车问题，考虑到城市的可持续发展和城市的后备用地，建设城 市地下停车场就成为必然的选择。 随着旅游产业的发展，城市中心广场将成为一个城市新的旅游景点，除了旅游观光 之外，提供购物、娱乐场所也是发展旅游产业的重要内容。以上的开发模式，正可以满 足这一发展需要。 1 4 城市地下空间开挖引起地层移动的研究现状 在城市中修建地下空间，影响地表移动和变形的因素很多，地表移动和变形的大小 不仅与隧道的埋深、断面尺寸、施工方法和支护方式有关，而且还受工程的水文地质条 件的影响。目前关于隧道工程对于岩土环境影响的研究，大多集中于地层变形和对邻近 建( 构) 筑物和管线的影响方面，在这些方面的研究已经取得了不少成果。 城市中地下隧道和地下工程开挖引起的地表移动和变形预计已有一些经验公式，目 前比较成熟的经验公式法主要计算竖向位移，尤其是地表的，最常用的计算公式最早是 由美国的p e c k ( 1 9 6 9 ) 嘲提出的。r b p e c k ( 1 9 6 9 ) 通过对大量地表沉陷数据及工程资 料分析后，首先提出地表沉降槽似正态分布的概念，认为地层移动由地层损失引起，并 认为施工引起的沉降是在不排水条件下发生的，所以沉陷槽的体积应等于地层损失的体 积。同济大学侯学渊等( 1 9 8 7 ) 【7 】结合上海地区饱和土和盾构施工的特点，提出了考虑 时效( 即土体扰动后固结) 沉降的修正p e c k 公式。北方交通大学张弥【8 】等开发出了预 计隧道和地下空间施工后的地表沉降的专家系统。波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 【9 】为研究采煤岩层与她表移动问题提出了随机介质理论，经过我国学者刘宝琛、廖国华、 8 城市广场地下空间开发模式及数值模拟 阳军生等的发展，随机介质理论已逐步完善，也可用来预估隧道和地下空间施工后的地 表沉降。但是，上述诸方法的最大欠缺就是不能很好的反应隧道和地下空间的实际施工 过程，由于隧道和地下工程结构及其周围土体介质的高度非线性，地下工程的开挖问题 具有非线性的路径相关性，采用不同的施工工法、不同的开挖步骤、不同的支护形式将 会引起程度不同的地表变形。随着施工进程的变化，结构的形状也在不断发生变化，与 此同时作用在结构上的外荷载也随之改变，从力学意义上来看，结构响应量是与加( 卸) 载途径有关的。也就是说只有考虑施工过程和路径才能准确反映地下工程施工过程中周 围土体和结构的应变、应力状态，进而才能准确的预计地表的移动与变形，因此上述方 法的使用范围和发展前景是非常有限的。实际上，隧道和地下空间开挖特别是在土层中 进行复杂隧道和地下工程结构的开挖是非常复杂的三维时空问题，随着电子计算机技术 和数值计算方法的高速发展，复杂定解条件问题的处理才成为可能，也使得隧道和地下 工程施工过程的动态仿真模拟成为可能。目前国内外学者普遍认为，对于地下隧道工程 和地下洞室群的施工，应采用分部分块开挖和支护，这种分部分块的不同组合及支护的 施作时机，对洞室最终的稳定状况有非常重大的影响。1 9 9 5 年左右，朱维申等对某水 电站地下洞群进行了施工顺序优化，得出许多有意义的结果。如采用不同的开挖分块组 合和不同的开挖顺序，得到的周围土体塑性区大小分布有很大的不同，从而会对周围土 体的稳定性产生不同的影响，其中有两种不同的施工工艺方法得到的塑性区面积甚至相 差l o 倍【l o 】。随着这方面研究的进行，越来越多的学者认识到施工途径对施工效应的巨 大影响，并且提出了岩土体动态施工力学的新方向。只有合理选择施工步骤，才可以使 施工最经济、有效。 自6 0 年代中期起，随着电子计算机的应用和岩土本构关系研究的发展，隧道与地 下工程分析方法进入了数值分析时期，岩土力学数值分析技术日益得到发展。因为隧道 施工引起的地表沉降影响因素很多，任何简单实用的计算方法都无法反映众多因素的综 合影响。而借助于计算机，可以较全面地考虑影响地表沉降的各主要因素，较为准确地 预计隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控制地表沉降的方法。常用的预计地表沉 降的数值计算方法主要有有限单元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 、边界元法( b e m ) 、 离散元法( d e m ) 和刚性有限元法( r f e m ) 等【i l 】。 在众多的数值分析方法中，有限单元法被最早用于隧道结构计算，在这方面做出重 要贡献的代表学者有：s f 瑞亚斯和d v ：迪尔( 1 9 6 6 ) 1 2 1 、o c 辛克维奇( 1 9 6 8 1 9 7 4 ) 1 3 j 4 、e l 威尔逊( 1 9 6 8 ) 【1 5 1 、f h 库尔荷威【阍、w 维特基( 1 9 7 7 ) 【1 7 1 等。由于有限单 元法能较容易地处理分析域的复杂形状及边界条件，材料的物理非线性和几何非线性性 状，具有很强的适应性，所以其应用发展非常快，目前已成为隧道和地下工程数值分析 9 河南工业大学硕士学位论文 的主要手段。采用有限单元法( f e m ) 预计隧道和地下工程施工引起的地表沉降时，将 沉降视为力学过程，不仅能够计算出地表的移动及变形，而且可以得到地层内部的应力、 变形状况。由于在隧道和地下工程施工过程中，周围的土体可能受到较大的扰动，采用 弹性介质有限元法常常使估算值偏小，因此通常需要将土体视为弹塑性介质进行非线性 分析。非线性有限元法不仅能够考虑隧道施工引起的地层损失，而且可以考虑土体的失 水固结、土体本身的压缩性等，并且能够考虑多种施工方法对地表沉降的影响，并可以 考虑各种断面形式，因而获得了广泛的应用。r k r o w e & k m l e e ( 1 9 8 3 ) i s , 1 9 编制 了一种可以对不同土性和施工技术条件下隧道和地下工程开挖引起的地表沉降进行预 测的弹塑性有限元程序，并且提出了“间隙参数( g a p p a r a m e t e r ) ”的概念。他们( 1 9 8 9 ， 1 9 9 0 ) 2 0 2 1 , 2 2 , 2 3 又发展了一种用于模拟施工工序、后继地层位移、开挖面周围和地表应 力状态及地表沉陷的三维弹塑性有限元方法。给出了非线性问题的求解步骤和适用于三 维隧道分析的弹塑性土体本构模型，研究了浅埋隧道和地下工程的三维性状，考虑了具 有简单几何形状和地层条件的隧道和地下工程。 一般的有限元法解决的问题仍局限于小变形的假设，即忽略因变形造成几何尺寸的 改变所导致应力的微小变化，且略去应变的二次幂，对于几何大变形问题，虽然原则上 可以通过将荷载分成若干级来处理，但计算繁杂，工作量大。为处理隧道和地下工程中 遇到的大应变问题，拉格朗日元法【2 4 】得到了发展。它是一种分析非线性大变形问题的数 值方法，这种方法依然遵循连续介质的假设，利用差分格式，按时步积分求解，随着构 形的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形。本文就是运用拉格朗日元法对软土浅埋 暗挖隧道性状进行分析。 隧道和地下工程周围土体( 岩体) 是自然的、历史的产物，其分布和物理力学性质 参数往往具有随机性，同时，隧道和地下工程衬砌材料性能、几何尺寸、荷载等也具有 不确定性。为了考虑这种随机性和不确定性，7 0 年代开始，随机有限元法【2 5 】开始出现， 运用它可以分析材料参数、几何形状或荷载具有某种不确定性时的位移、内力及可靠性 的分析，到8 0 年代后期，随机有限元法得到了迅速发展，大量文献开始涌现 2 6 , 2 ”。 对隧道开挖的研究通常以应力场的变化为主，但在特殊情况下会涉及到其它场，比 如地下水丰富隧道的渗流场与应力场耦合问题，寒区冻土隧道开挖的温度场、渗流场和 应力场的耦合问题。为了研究这些特殊问题，多场耦合的数值分析方法开始得到了发展， 其中以有限元数值耦合分析最为常见【2 8 】。 在进行数值分析时，其计算精度与材料本构模型的合理选取密切相关。在隧道数值 计算中，土体的本构关系最初采用线性弹性模型，它以广义虎克定律为基础。其后有弹 塑性模型，其以塑性增量理论或全增量理论为基础，最常用的弹塑性模型有 1 0 城市广场地下空间开发模式及数值模拟 p r a n d t l r e u s s 模型、d r u c k c r - p r a g c r 模型、m o h r - c o u l o m b 模型等。隧道周围土体材料 具有蠕交性，其应力应变关系与时间有关，考虑时间效应则采用粘弹塑性模型，常用 的粘弹性模型有m a x w e l l 模型，k e l v i n 模型等，常用的粘塑性模型有b i n g h 锄模型 等，常用的粘弹塑性模型有三元件粘弹塑性模型等 2 9 1 。 软土地基浅埋暗挖隧道和地下工程的目前研究也取得较大进展。n g ，l o & r o w e ( 1 9 8 5 ) 【3 0 】采用二维平面应变的有限元计算模式对英国t h u n d e rb a y 隧道的沉降进行了 数值模拟。大西有三和岸本英明【2 7 】提出一种单元重积法来考虑开挖面位置的影响，并假 定隧道始终处于平面状态，通过改变单元的弹性参数模拟被挖去的单元，开挖的外力以反 向加在周围节点上，如此反复操作，模拟开挖面的不断推进。但是采用三维有限元研究 还不多见。 1 5 本文所研究的内容 从以上的文献当中可以看出，目前在我国城市广场地下空间开发的紧紧局限在超大 城市中，究其原因：就是我们还没有对城市地下空间开发有足够的认识和了解，同时考 虑到城市的可持续发展，所以我们有必要进行城市地下空间开发的研究，以有利于城市 的发展。 本文所研究的内容： 对已建好的城市中心广场下的地下空间开发，也就是在不影响地上设施使用的情况 下，如何进行地下空间开发： ( 1 ) 通过理论计算和有限元计算进行比较，得出那种设计方法对地下空间结构安 全设计更为合理： ( 2 ) 主要是进行地下空间开发的有限元模拟，得出在地下空间开发过程中由于地 下结构埋深不同、地下结构跨度不同、以及土层参数的改变的对上部结构的影响和地面 沉降的趋势，因为目前对已建好城市广场下的地下空间的有限元模拟分析还很少，有也 主要是对岩石隧道的开挖模拟，所以本文的内容对以后城市中心广场地下空间开发有一 定的指导意义。 ( 3 ) 通过计算可以得出：城市地下空间开发的过程中，通过增加地下工程的埋深、 缩减地下结构的跨度和施工进尺的减小可以明显的降低工作面上的地表沉降；另外，在 地质条件较好的工况也对地表沉降控制更加有利。 河南工业大学硕士学位论文 第二章城市中心广场地下空间开发的方法浅埋暗挖法 目前对于城市中心广场地下空间的开发利用，主要原因有以下几个方面的因素：一 是因为城市的土地费用太高；二是由于城市的发展空间给城市市民不能提供很好的公共 空间；三是因为城市中心广场已经是建好不可能将已经建好的地面工程拆毁从建，因为 中心广场已经是城市的标志，所以为了给城市居民提供更好的空间，只有向地下要空间。 但是现在适合城市中心广场地下空间方法有以下两种较为合理的方法：盾构法和浅埋暗 挖法。 2 1 浅埋暗挖法口” 浅埋暗挖法是在新奥法的基础上，针对城市地下工程的特点而发展起来的。城市浅 埋地下工程的特点主要是：覆土薄、地质条件差，多数是未固结的土砂、粘性土和粉细 砂等，而且多少情况下地下水位都比较高，围岩自稳能力差、承载力小、变形大，特别 是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或出现过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要 的地面建筑物或地下管网，给施工带来了严格的要求等等。 有关深浅埋分界问题，一直是工程界所关注的问题。一种观点认为：在施工中，不 能保证形成承载拱的深度，就可定义为深浅埋分界深度。这是从