地下工程开挖环境影响分析方法

地下工程开挖环境影响分析方法梁发云黄茂松同济大学2021-07-20第十二届全国土力学及岩土工程学术大会上海汇报提纲研讨背景一土体自在位移场确定二建筑物变形承载才干确定三位移控制两阶段分析方法四基于建筑物承载才干的变形控制规范五结论与建议六一、研讨背景研讨背景被动桩环境影响土层挪动地下工程开挖对周边既有建〔构〕筑物的维护设计和施工从稳定控制向变形控制的转变地下工程开挖土层位移场周边构造物呼应地下工程开挖对临近建筑物变形及环境影响分析地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护构造方式、施工过程等不同而各有差别建〔构〕筑物本身抵抗变形的接受才干有所差别存在问题：难以给出一致的基坑变形控制规范研讨背景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构造物与土体的相互作用现行上海基坑工程技术规范：基坑变形设计控制目的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为基坑开挖深度〔m〕缺乏之处：没有充分思索基坑周边环境〔维护对象〕本身抵抗附加变形的才干环境维护等级定义规范模糊，对维护对象类型、基坑开挖间隔等确定较为粗略。研讨背景研讨思绪开挖深度围护构造最大侧向变形构造物抵抗附加变形的才干判别根据最终控制位移规范地下工程开挖自在土体位移场周边构造物呼应需处理的关键问题：〔1〕建立自在土体位移场的阅历预测曲线〔2〕基于位移控制的分析方法〔DCM〕位移控制分析方法〔DCM〕直接从变形控制规范的角度，对周边构造物的维护转变为控制基坑围护构造的变形，建立基坑开挖深度与周边环境变形之间联络，防止了复杂的开挖过程模拟。优点和特点提出基于维护对象变形才干的分析方法，概念明晰，简单易行，细化了规范的分析精度，适宜于规范的推行运用。位移控制分析方法〔DCM〕二、自在土体位移场确定自在土体位移场基坑本身变形性状围护墙的侧向变形地表横向、纵向沉降曲线土体沉降沿深度变化规律土体侧向变形沿程度向变化规律

横向：x轴方向纵向：y轴方向自在土体位移场确定：现场实测、阅历统计或实际分析土体侧向变形沿程度向变化规律基于位移控制有限元方法对290条土体侧向变形曲线进展了归一化分析，得到上海软粘土地域板式围护基坑体系坑外土体侧向变形沿程度向的衰减变化规律。给定变形曲线的最大位移控制值即可确定曲线的外形三、建筑物变形承载才干确定建筑物砌体承重构造框架构造独立根底框架构造桩筏根底构筑物市政管线建〔构〕筑物类型变形接受才干确定：规范规定、阅历统计或设计控制目的建筑物变描画许目的上海地基全国地基规范规范

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1~1.51~1.50.114~0.172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/0.5~10.057~0.114管线变形控制建议管线倾斜角控制规范：0.1°四、位移控制两阶段分析方法位移控制分析方法不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自在面施加位移边境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基坑开挖应力自在面的位移边境条件。易于实现复杂建筑物的基坑开挖环境影响分析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在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构造物，分析其产生的附加位移和内力分析结果迅速及时，适用于基坑开挖对临近建筑物根底及市政管线的影响位移控制两阶段分析方法约束位移△=h(z)-U(z)两阶段分析方法被动桩背景隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体简化为弹簧管线简化为地基梁基于Winkler模型的弹性地基梁问题开挖对管线影响：简化表示图柔度目的竖向地基模量土体自在位移基于Winkler模型的弹性地基梁方法开挖对桩基影响：简化表示图

地基反力法求解被动桩程度向地基模量地基模量k应该如何选取呢？基于Winkler模型的弹性地基梁方法在目前的计算当中较多采用Vesic地基模量：Attewell等〔1986〕在研讨隧道开挖对临近管线影响时，建议采用扩展2倍的Vesic模量近似模拟管土接触条件。Klar等〔2005〕在研讨该课题时以为：为了使基于Winkler模型的计算结果与弹性实际法计算结果一致Vesic模量需求扩展2倍甚至更多。地基模量k选取Vesic模量的假定：无限长梁放置于地表受集中荷载适用条件：地表的弹性地基梁地基模量k选取Vesic模量假定与现实问题的矛盾：1〕管线和桩的埋深不可忽略Vesic模量忽略埋深是导致计算结果偏小的主要缘由2〕被动形状下的管线和桩遭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需求一个满足上述要求的被动地基模量地基模量k选取被动地基模量的提出Vesic离散分布外力为集中力离散恣意土体位移为规范单位位移被动地基模量的提出如何得到Vesic模量1〕推导弹性半空间模型地表无限长梁受集中力作用位移解2〕推导Winkler模型下无限长梁受集中力作用位移解3〕拟合上述两组解得到Vesic模量被动地基模量1〕推导弹性半空间模型地表无限长梁规范位移作用的位移解2〕推导Winkler模型下无限长梁受规范位移作用的位移解3〕拟合上述两组解得到被动地基模量被动地基模量的提出b为梁的半宽，h为埋深被动地基模量的提出利用程度向Mindlin解和Kevlin解获得恣意深度程度被动地基模量管线算例验证：与弹性实际法对比Klar等〔2005〕利用弹性实际法计算了隧道开挖对上覆管线的影响〔隧道开挖引起的土体沉降运用Peck公式计算〕最大归一化弯矩随管土刚度比变化

Marshall等(2021)利用剑桥大学离心机模拟研讨基于地层损失比的隧道开挖对上覆管线的影响。管线算例验证：与离心机实验对比管线算例验证：与实践工程对比实例分析：上海轨道交通七号线隧道近间隔穿越大口径污水管线实际预测结果与现场实测结果根本符合算例文献：LOGANATHANN,POULOSHG,XUKJ.Groundandpile-groupresponseduetotunneling[J].SoilsandFoundations,2001,41(1):57–67.桩根底算例验证：与离心机实验对比群桩，到隧道间隔6m群桩，到隧道间隔10m群桩，到隧道间隔10m隧道开挖工程实例分析桩根底算例验证：与工程实例对比算例文献：LEERG,etal.Deformationscausedbytunnelingbeneathapiledstructure[C].Proc13thICSMFE.NewDelhi,1994:873–878.五、基于建筑物承载才干的变形控制规范分析过程分为三步：(1)采用两阶段方法，得到一定的基坑开挖深度和基坑与建筑物间隔条件下，基坑变形最大值与临近既有建筑物附加变形的关系曲线。(2)改动基坑开挖深度，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。(3)基于建筑物承载才干的角变量允许值，将基坑开挖深度与基坑变描画许最大值相互对应，构成基坑开挖环境维护的变形控制规范。变形控制规范框架构造短桩根底按角变量0.002作为控制目的市政管线按倾斜角0.1度作为控制目的变形控制规范基坑程度位移最大值与临近建筑倾斜的关系曲线框架构造群桩根底第一步第二步框架构造短桩根底在基坑位移最大值和建筑物倾角关系曲线中提取建筑物倾角为0.002和0.003所对应得基坑位移最大值得到基坑开挖深度和基坑变形最大值的关系曲线。第三步基于周边建筑物承载才干的变形变形控制柔性接口排水管选用管线参数：N型接口承插式铸铁管、DN600mm、外径635mm、壁厚9.9mm、弹性模量15000MPa、泊松比0.25、每节5m；中心埋深h=2m，中心间隔基坑边b=2m；管线埋设走向平行于基坑边；土体参数：弹性模量2.124MPa、泊松比0.4、重度18.1kN/m3；基坑参数：宽度B=30m，开挖深度H取6~20m，采用板式围护构造加内支撑的支护体系。位移控制规范市政管线管线倾斜控制标准0.1度六、结论与建议引荐的地基模量在被动位移下更符合实践情况，直接印证了Attewell等和Klar等以为被动地基模量需比Vesic地基模量大两倍甚至更多的观念。经过与弹性实际法、离心机实验和实践工程对比验证了建议的两阶段分析方法的合理性。位移控制分析方法从变形控制规范的角度，对周边构造物的维护转变为控制基坑围护构造的变形。结论建议：位移控制有限元方法采用与土体实践应变范围相顺应的土性目的非常必要艰苦工程地下构造周围土体通常处于小应变形状，多在0.01%~0.1%而目前的工程分析多采用常规土工实验目的，其应变处于1%的水准。将