地下工程开挖环境影响分析方法

1、研究背景一土体自由位移场确定二建筑物变形承载能力确定三位移控制两阶段分析方法四基于建筑物承载能力的变形控制标准五结论与建议六被动桩环境影响土层移动土层移动 地下工程开挖对周边既有建（构）筑物的保护地下工程开挖对周边既有建（构）筑物的保护 设计和施工从设计和施工从稳定控制稳定控制向向变形控制变形控制的转变的转变地下工程开挖地下工程开挖土层位移场土层位移场周边结构物响应周边结构物响应u 地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过程等不同而各有差异结构形式、施工过程等不同而各有差异u 建（构）筑物自身抵抗变形的承受能力有所差异建（构）筑物

2、自身抵抗变形的承受能力有所差异u 处于土体位移场影响范围的建（构）处于土体位移场影响范围的建（构）筑物附加变形分析涉及复杂的结构物筑物附加变形分析涉及复杂的结构物与土体的相互作用与土体的相互作用现行上海基坑现行上海基坑工程技术工程技术规范：规范：基坑基坑变形设计控制指标变形设计控制指标基坑环境保护等级围护结构最大侧移坑外地表最大沉降一级0.18%H0.15%H二级0.3%H0.25%H三级0.7%H0.55%HH H为基坑开挖深度（为基坑开挖深度（m m）没有充分考虑基坑周边环境（保护对象）自身抵抗附加没有充分考虑基坑周边环境（保护对象）自身抵抗附加变形的能力变形的能力环境保护等级定义标准模糊

3、，对保护对象类型、基坑开环境保护等级定义标准模糊，对保护对象类型、基坑开挖距离等确定较为粗略。挖距离等确定较为粗略。 开挖开挖 深度深度 围护结构最大围护结构最大侧向变形侧向变形 结构物抵抗结构物抵抗附加变形的能力附加变形的能力判别依据判别依据最终控制位移标准最终控制位移标准地下工程开挖地下工程开挖自由土体位移场自由土体位移场周边结构物响应周边结构物响应 直接从变形控制标准的角度，对周边结构物的直接从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形，建立基保护转变为控制基坑围护结构的变形，建立基坑开挖深度与周边环境变形之间联系，避免了坑开挖深度与周边环境变形之间联系，避免了复

4、杂的开挖过程模拟。复杂的开挖过程模拟。 提出基于保护对象变形能力的分析方法，概念提出基于保护对象变形能力的分析方法，概念清晰，简单易行，细化了规范的分析精度，适清晰，简单易行，细化了规范的分析精度，适合于规范的推广应用。合于规范的推广应用。u 基坑自身变形性状基坑自身变形性状围护墙的侧向变形围护墙的侧向变形地表横向、纵向沉降曲线地表横向、纵向沉降曲线u 土体沉降沿深度变土体沉降沿深度变化规律化规律u 土体侧向变形沿水土体侧向变形沿水平向变化规律平向变化规律 横向：横向：x x轴方向轴方向纵向：纵向：y y轴方向轴方向自由土体位移场确定：自由土体位移场确定：现场实测、经验统计或理论分析现场实测、

5、经验统计或理论分析基于位移控制有限元方法对基于位移控制有限元方法对290290条土体侧向变形曲线进条土体侧向变形曲线进行了归一化分析，得到上海软粘土地区板式围护基坑体行了归一化分析，得到上海软粘土地区板式围护基坑体系坑外土体侧向变形沿水平向的衰减变化规律。系坑外土体侧向变形沿水平向的衰减变化规律。zxahhezzx), 0 , 0(), 0 ,(给定变形曲线的最大位移控制值即可确定曲线的形状给定变形曲线的最大位移控制值即可确定曲线的形状 砌体承重砌体承重结构结构 框架结构独立框架结构独立基础基础 框架结构桩筏框架结构桩筏基础基础 市政管线市政管线变形承受能力确定：变形承受能力确定：规范规定、经

6、验统计或设计控制指标规范规定、经验统计或设计控制指标上海地基 全国地基 规范 规范 管线控制位移与倾角管线控制位移与倾角相关参考绝对位移(cm) 每节管差异沉降(cm) 倾斜角度()城市施工专用地下管线的保护110.114上海市政部门11.511.50.1140.172广州地区建筑基坑支护规定/1.250.143北京地铁、重庆地铁施工相关技术标准/0.146地铁施工对管线的影响/10.114德国建筑标准/0.510.0570.114建议管线倾斜角控制标准：建议管线倾斜角控制标准：0.10.1 不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施加位移边界条不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施加

7、位移边界条件来模拟基坑开挖引起的应力释放，该方法的关键是施加合理的件来模拟基坑开挖引起的应力释放，该方法的关键是施加合理的基坑开挖应力自由面的位移边界条件基坑开挖应力自由面的位移边界条件。 易于实现复杂建筑物的基坑开挖环境影响分析易于实现复杂建筑物的基坑开挖环境影响分析I.位移控制有限元方法（位移控制有限元方法（DCFEM） 第一阶段：分析开挖卸荷引起的周围自由土体应力场或位移场第一阶段：分析开挖卸荷引起的周围自由土体应力场或位移场 第二阶段：将土体应力场或位移场施加于既有结构物，分析其第二阶段：将土体应力场或位移场施加于既有结构物，分析其产生的附加位移和内力产生的附加位移和内力 分析结果迅速

8、及时，适用于基坑开挖对邻近建筑物基础及市政分析结果迅速及时，适用于基坑开挖对邻近建筑物基础及市政管线的影响管线的影响II. 位移控制两阶段分析方法位移控制两阶段分析方法约束位移约束位移= =h(z)-U(z) )背景背景隧道开挖引起土体位移隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体带动管线变形土体土体简化为弹簧弹簧管线管线简化为地基梁地基梁基于Winkler模型的弹性地基梁问题v开挖对管线影响：简化示意图开挖对管线影响：简化示意图)(444444xswdxwd44IEkb)(xs柔度指标k竖向地基模量土体自由位移44( )0bd wE Ik ws xdxv开挖对桩基影响：简化示意图开挖对桩基影响

9、：简化示意图 )(444444zsydzyd地基反力法求解被动桩44IEkbk水平向地基模量地基模量地基模量k应该应该如何选取呢？如何选取呢？u 在目前的计算当中较多采用在目前的计算当中较多采用VesicVesic地基模量：地基模量：AttewellAttewell等等（19861986）在研究隧道开挖对邻近管线影在研究隧道开挖对邻近管线影响时，建议采用扩大响时，建议采用扩大2 2倍倍的的VesicVesic模量近似模拟管土模量近似模拟管土接触条件接触条件。KlarKlar等等（20052005）在研究该课题时认为：为了使基于）在研究该课题时认为：为了使基于WinklerWinkler模型的计

10、算结果与弹性理论法计算结果一致模型的计算结果与弹性理论法计算结果一致VesicVesic模量模量需要扩大需要扩大2 2倍倍甚至更多。甚至更多。41220.651bEEBkvE IVesicVesic模量的假定：模量的假定： 无限长梁无限长梁 放置于地表放置于地表 受集中荷载受集中荷载适用条件：适用条件：地表的弹性地基梁地表的弹性地基梁VesicVesic模量假定与现实问题的模量假定与现实问题的矛盾：矛盾：1 1）管线和桩的埋深不可忽略）管线和桩的埋深不可忽略 VesicVesic模量忽略埋深是导致计算结果偏小的主要原因模量忽略埋深是导致计算结果偏小的主要原因2 2）被动状态下的管线和桩受到了土

11、体位移作用）被动状态下的管线和桩受到了土体位移作用 管线、桩在土体位移和外力直接作用下的变形和受力特性是不同的管线、桩在土体位移和外力直接作用下的变形和受力特性是不同的需要一个满足上述要求的被动地基模量需要一个满足上述要求的被动地基模量s0lsxlsx标准单位位移Px集中力P0Vesic离散分布外力为离散分布外力为集中力集中力离散任意土体位移为离散任意土体位移为标准单位位移标准单位位移u 如何得到如何得到VesicVesic模量模量1 1）推导）推导弹性半空间模型弹性半空间模型地表无限长梁受地表无限长梁受集中力集中力作用位移解作用位移解2 2）推导）推导WinklerWinkler模型模型下无

12、限长梁受下无限长梁受集中力作集中力作用位移解用位移解3 3）拟合上述两组解得到）拟合上述两组解得到VesicVesic模量模量u 被动地基模量被动地基模量1 1）推导）推导弹性半空间模型弹性半空间模型地表无限长梁地表无限长梁标准位移标准位移作用的位移解作用的位移解2 2）推导）推导WinklerWinkler模型模型下无限长梁受下无限长梁受标准位移标准位移作用的位移解作用的位移解3 3）拟合上述两组解得到被动地基模量）拟合上述两组解得到被动地基模量11010010001000010000010000000.40.81.21.62.02.42.83.23.6h/b=7k(1-v2)/EEbI/E

13、b4 Vesic模量被 动模量b b为梁的半宽，为梁的半宽，h h为埋深为埋深u利用水平向利用水平向Mindlin解和解和Kevlin解获得解获得任意深度任意深度水平被动地基模量水平被动地基模量8422143)1 (5 .11IEEDvEvvkbhvbhRRbhRvvRRRvRv872122)21)(1 (4322432)87(1112132311n KlarKlar等等（20052005）利用弹性理论法计算了隧道开挖对上覆管利用弹性理论法计算了隧道开挖对上覆管线的影响线的影响（隧道开挖引起的土体沉降运用隧道开挖引起的土体沉降运用PeckPeck公式计算公式计算）110100100010000

14、10000010000000.00.20.40.60.81.0i/r0=2.5i/r0=5Mmaxi2/SmaxEbIEbI/Er40 弹性理论法Klar(2005) Vesic模量 修正模量i/r0=10最大归一化弯矩随管土刚度比变化最大归一化弯矩随管土刚度比变化 n MarshallMarshall等等(2010)(2010)利用剑桥大学离心机模拟研究基于地层利用剑桥大学离心机模拟研究基于地层损失比的隧道开挖对上覆管线的影响损失比的隧道开挖对上覆管线的影响。-25-20-15-10-5051015202530201000=2.5%0=1.0%0=0.5% 离心机 修正模量 管线沉降 (mm

15、)到隧道中心线的距离( m)flexible pipelines-25-20-15-10-505101520253025201510500=2.5%0=1.0%0=0.5% 离心机 修正模量管线沉降 (mm)到隧道中心线距离 (m)rigid pipelinesn 实例分析：上海轨道交通七号线隧道近距离穿越大口径污水管线实例分析：上海轨道交通七号线隧道近距离穿越大口径污水管线理论预测结果与现场实测结果基本符合理论预测结果与现场实测结果基本符合 算例文献：算例文献：LOGANATHAN N, POULOS H G, XU K J. Ground and pile-group response d

16、ue to tunnelingJ. Soils and Foundations, 2001, 41(1): 5767.01020304050302520151050深度(m)位移(mm)6m 群桩 测量值 修正模量群桩，到隧道距离群桩，到隧道距离6m 群桩，到隧道距离群桩，到隧道距离10m 01020304050302520151050深度(m)位移(mm)10m 群桩 测量值 修正模量群桩，到隧道距离群桩，到隧道距离10m 隧道开挖工程实例分析隧道开挖工程实例分析 算例文献：算例文献：LEE R G, et al. Deformations caused by tunneling benea

17、th a piled structureC. Proc 13th ICSMFE. New Delhi, 1994: 873878.n 分析过程分为三步：分析过程分为三步： (1) 采用两阶段方法，得到一定的基坑开挖深度和基采用两阶段方法，得到一定的基坑开挖深度和基坑与建筑物距离条件下，基坑变形最大值与邻近既坑与建筑物距离条件下，基坑变形最大值与邻近既有建筑物附加变形的关系曲线。有建筑物附加变形的关系曲线。 (2) 改变基坑开挖深度，得到不同开挖深度条件下，改变基坑开挖深度，得到不同开挖深度条件下，基坑变形最大值与建筑物附加变形的关系曲线。基坑变形最大值与建筑物附加变形的关系曲线。 (3) 基于

18、建筑物承载能力的角变量容许值，将基坑开基于建筑物承载能力的角变量容许值，将基坑开挖深度与基坑变形容许最大值相互对应，形成基坑挖深度与基坑变形容许最大值相互对应，形成基坑开挖环境保护的变形控制标准。开挖环境保护的变形控制标准。n 框架结构短桩基础框架结构短桩基础 按角变量按角变量0.002作为控制指标作为控制指标n 市政管线市政管线 按倾斜角按倾斜角0.1度作为控制指标度作为控制指标基坑水平位移最大值与邻近建筑倾斜的关系曲线基坑水平位移最大值与邻近建筑倾斜的关系曲线在基坑位移最大在基坑位移最大值和建筑物倾角关值和建筑物倾角关系曲线中提取建筑系曲线中提取建筑物倾角为物倾角为0.0020.002和和

19、0.0030.003所对应得基所对应得基坑位移最大值坑位移最大值得到基坑开挖深得到基坑开挖深度和基坑变形最大度和基坑变形最大值的关系曲线。值的关系曲线。0510152025300.00.51.01.52.0基坑围护墙最大变形与基坑深度比值(%)基坑深度（m） 建筑物倾角0.002 建筑物倾角0.0030.18%(一级)0.3%(二级)0.7%(三级)l选用管线参数：选用管线参数：N型接口承插式铸铁管、型接口承插式铸铁管、DN600mm、外径、外径635mm、壁厚壁厚9.9mm、弹性模量、弹性模量15000MPa、泊松比、泊松比0.25、每节、每节5m；中心埋；中心埋深深h=2m，中心距离基坑边

20、，中心距离基坑边b=2m；管线埋设走向平行于基坑边；管线埋设走向平行于基坑边；l土体参数：土体参数：弹性模量弹性模量2.124MPa、泊松比、泊松比0.4、重度、重度18.1kN/m3 ； l基坑参数：基坑参数：宽度宽度B=30m，开挖深度，开挖深度H取取620m，采用板式围护结构，采用板式围护结构加内支撑的支护体系。加内支撑的支护体系。管管线线倾倾斜斜控控制制标标准准0.10.1度度u 推荐的地基模量在被动位移下更符合实际情况推荐的地基模量在被动位移下更符合实际情况，直直接印证了接印证了AttewellAttewell等和等和KlarKlar等认为被动地基模量等认为被动地基模量需比需比VesicVesic地基模量大两倍甚至更多的观点。地基模量大两倍甚至更多的观点。u 通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比验通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比验证了建议的两阶段分析方法的合理性。证了建议的两阶段分析方法的合理性。u 位移控制分析方法从变形控制标准的角度，对周边位移控制分析方法从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形。结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形。采用与土体实际应变范围相适应的土性指标非常必要采用与