地下工程開挖環(huán)境影響分析方法

1、研究背景一土體自由位移場確定二建筑物變形承載能力確定三位移控制兩階段分析方法四基于建筑物承載能力的變形控制標(biāo)準(zhǔn)五結(jié)論與建議六被動樁環(huán)境影響土層移動土層移動 地下工程開挖對周邊既有建（構(gòu)）筑物的保護(hù)地下工程開挖對周邊既有建（構(gòu)）筑物的保護(hù) 設(shè)計和施工從設(shè)計和施工從穩(wěn)定控制穩(wěn)定控制向向變形控制變形控制的轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變地下工程開挖地下工程開挖土層位移場土層位移場周邊結(jié)構(gòu)物響應(yīng)周邊結(jié)構(gòu)物響應(yīng)u 地下工程開挖引起的土體位移場因土層條件、圍護(hù)地下工程開挖引起的土體位移場因土層條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、施工過程等不同而各有差異結(jié)構(gòu)形式、施工過程等不同而各有差異u 建（構(gòu)）筑物自身抵抗變形的承受能力有所差異建（構(gòu)）筑物

2、自身抵抗變形的承受能力有所差異u 處于土體位移場影響范圍的建（構(gòu)）處于土體位移場影響范圍的建（構(gòu)）筑物附加變形分析涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物筑物附加變形分析涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物與土體的相互作用與土體的相互作用現(xiàn)行上?；蝇F(xiàn)行上海基坑工程技術(shù)工程技術(shù)規(guī)范：規(guī)范：基坑基坑變形設(shè)計控制指標(biāo)變形設(shè)計控制指標(biāo)基坑環(huán)境保護(hù)等級圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移坑外地表最大沉降一級0.18%H0.15%H二級0.3%H0.25%H三級0.7%H0.55%HH H為基坑開挖深度（為基坑開挖深度（m m）沒有充分考慮基坑周邊環(huán)境（保護(hù)對象）自身抵抗附加沒有充分考慮基坑周邊環(huán)境（保護(hù)對象）自身抵抗附加變形的能力變形的能力環(huán)境保護(hù)等級定義標(biāo)準(zhǔn)模糊

3、，對保護(hù)對象類型、基坑開環(huán)境保護(hù)等級定義標(biāo)準(zhǔn)模糊，對保護(hù)對象類型、基坑開挖距離等確定較為粗略。挖距離等確定較為粗略。 開挖開挖 深度深度 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形側(cè)向變形 結(jié)構(gòu)物抵抗結(jié)構(gòu)物抵抗附加變形的能力附加變形的能力判別依據(jù)判別依據(jù)最終控制位移標(biāo)準(zhǔn)最終控制位移標(biāo)準(zhǔn)地下工程開挖地下工程開挖自由土體位移場自由土體位移場周邊結(jié)構(gòu)物響應(yīng)周邊結(jié)構(gòu)物響應(yīng) 直接從變形控制標(biāo)準(zhǔn)的角度，對周邊結(jié)構(gòu)物的直接從變形控制標(biāo)準(zhǔn)的角度，對周邊結(jié)構(gòu)物的保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹訃o(hù)結(jié)構(gòu)的變形，建立基保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹訃o(hù)結(jié)構(gòu)的變形，建立基坑開挖深度與周邊環(huán)境變形之間聯(lián)系，避免了坑開挖深度與周邊環(huán)境變形之間聯(lián)系，避免了復(fù)

4、雜的開挖過程模擬。復(fù)雜的開挖過程模擬。 提出基于保護(hù)對象變形能力的分析方法，概念提出基于保護(hù)對象變形能力的分析方法，概念清晰，簡單易行，細(xì)化了規(guī)范的分析精度，適清晰，簡單易行，細(xì)化了規(guī)范的分析精度，適合于規(guī)范的推廣應(yīng)用。合于規(guī)范的推廣應(yīng)用。u 基坑自身變形性狀基坑自身變形性狀圍護(hù)墻的側(cè)向變形圍護(hù)墻的側(cè)向變形地表橫向、縱向沉降曲線地表橫向、縱向沉降曲線u 土體沉降沿深度變土體沉降沿深度變化規(guī)律化規(guī)律u 土體側(cè)向變形沿水土體側(cè)向變形沿水平向變化規(guī)律平向變化規(guī)律 橫向：橫向：x x軸方向軸方向縱向：縱向：y y軸方向軸方向自由土體位移場確定：自由土體位移場確定：現(xiàn)場實(shí)測、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計或理論分析現(xiàn)場實(shí)測、

5、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計或理論分析基于位移控制有限元方法對基于位移控制有限元方法對290290條土體側(cè)向變形曲線進(jìn)條土體側(cè)向變形曲線進(jìn)行了歸一化分析，得到上海軟粘土地區(qū)板式圍護(hù)基坑體行了歸一化分析，得到上海軟粘土地區(qū)板式圍護(hù)基坑體系坑外土體側(cè)向變形沿水平向的衰減變化規(guī)律。系坑外土體側(cè)向變形沿水平向的衰減變化規(guī)律。zxahhezzx), 0 , 0(), 0 ,(給定變形曲線的最大位移控制值即可確定曲線的形狀給定變形曲線的最大位移控制值即可確定曲線的形狀 砌體承重砌體承重結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu)獨(dú)立框架結(jié)構(gòu)獨(dú)立基礎(chǔ)基礎(chǔ) 框架結(jié)構(gòu)樁筏框架結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)基礎(chǔ) 市政管線市政管線變形承受能力確定：變形承受能力確定：規(guī)范規(guī)定、經(jīng)

6、驗(yàn)統(tǒng)計或設(shè)計控制指標(biāo)規(guī)范規(guī)定、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計或設(shè)計控制指標(biāo)上海地基 全國地基 規(guī)范 規(guī)范 管線控制位移與傾角管線控制位移與傾角相關(guān)參考絕對位移(cm) 每節(jié)管差異沉降(cm) 傾斜角度()城市施工專用地下管線的保護(hù)110.114上海市政部門11.511.50.1140.172廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)規(guī)定/1.250.143北京地鐵、重慶地鐵施工相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)/0.146地鐵施工對管線的影響/10.114德國建筑標(biāo)準(zhǔn)/0.510.0570.114建議管線傾斜角控制標(biāo)準(zhǔn)：建議管線傾斜角控制標(biāo)準(zhǔn)：0.10.1 不關(guān)注詳細(xì)的基坑開挖施工過程，在應(yīng)力自由面施加位移邊界條不關(guān)注詳細(xì)的基坑開挖施工過程，在應(yīng)力自由面施加

7、位移邊界條件來模擬基坑開挖引起的應(yīng)力釋放，該方法的關(guān)鍵是施加合理的件來模擬基坑開挖引起的應(yīng)力釋放，該方法的關(guān)鍵是施加合理的基坑開挖應(yīng)力自由面的位移邊界條件基坑開挖應(yīng)力自由面的位移邊界條件。 易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑物的基坑開挖環(huán)境影響分析易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑物的基坑開挖環(huán)境影響分析I.位移控制有限元方法（位移控制有限元方法（DCFEM） 第一階段：分析開挖卸荷引起的周圍自由土體應(yīng)力場或位移場第一階段：分析開挖卸荷引起的周圍自由土體應(yīng)力場或位移場 第二階段：將土體應(yīng)力場或位移場施加于既有結(jié)構(gòu)物，分析其第二階段：將土體應(yīng)力場或位移場施加于既有結(jié)構(gòu)物，分析其產(chǎn)生的附加位移和內(nèi)力產(chǎn)生的附加位移和內(nèi)力 分析結(jié)果迅速

8、及時，適用于基坑開挖對鄰近建筑物基礎(chǔ)及市政分析結(jié)果迅速及時，適用于基坑開挖對鄰近建筑物基礎(chǔ)及市政管線的影響管線的影響II. 位移控制兩階段分析方法位移控制兩階段分析方法約束位移約束位移= =h(z)-U(z) )背景背景隧道開挖引起土體位移隧道開挖引起土體位移土體帶動管線變形土體帶動管線變形土體土體簡化為彈簧彈簧管線管線簡化為地基梁地基梁基于Winkler模型的彈性地基梁問題v開挖對管線影響：簡化示意圖開挖對管線影響：簡化示意圖)(444444xswdxwd44IEkb)(xs柔度指標(biāo)k豎向地基模量土體自由位移44( )0bd wE Ik ws xdxv開挖對樁基影響：簡化示意圖開挖對樁基影響

9、：簡化示意圖 )(444444zsydzyd地基反力法求解被動樁44IEkbk水平向地基模量地基模量地基模量k應(yīng)該應(yīng)該如何選取呢？如何選取呢？u 在目前的計算當(dāng)中較多采用在目前的計算當(dāng)中較多采用VesicVesic地基模量：地基模量： AttewellAttewell等等（19861986）在研究隧道開挖對鄰近管線影在研究隧道開挖對鄰近管線影響時，建議采用擴(kuò)大響時，建議采用擴(kuò)大2 2倍倍的的VesicVesic模量近似模擬管土模量近似模擬管土接觸條件接觸條件。 KlarKlar等等（20052005）在研究該課題時認(rèn)為：為了使基于）在研究該課題時認(rèn)為：為了使基于WinklerWinkler模型

10、的計算結(jié)果與彈性理論法計算結(jié)果一致模型的計算結(jié)果與彈性理論法計算結(jié)果一致VesicVesic模量模量需要擴(kuò)大需要擴(kuò)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： 無限長梁無限長梁 放置于地表放置于地表 受集中荷載受集中荷載適用條件：適用條件：地表的彈性地基梁地表的彈性地基梁VesicVesic模量假定與現(xiàn)實(shí)問題的模量假定與現(xiàn)實(shí)問題的矛盾：矛盾：1 1）管線和樁的埋深不可忽略）管線和樁的埋深不可忽略 VesicVesic模量忽略埋深是導(dǎo)致計算結(jié)果偏小的主要原因模量忽略埋深是導(dǎo)致計算結(jié)果偏小的主要原因2 2）被動狀態(tài)下的管線和樁受到

11、了土體位移作用）被動狀態(tài)下的管線和樁受到了土體位移作用 管線、樁在土體位移和外力直接作用下的變形和受力特性是不同的管線、樁在土體位移和外力直接作用下的變形和受力特性是不同的需要一個滿足上述要求的被動地基模量需要一個滿足上述要求的被動地基模量s0lsxlsx標(biāo)準(zhǔn)單位位移Px集中力P0Vesic離散分布外力為離散分布外力為集中力集中力離散任意土體位移為離散任意土體位移為標(biāo)準(zhǔn)單位位移標(biāo)準(zhǔn)單位位移u 如何得到如何得到VesicVesic模量模量1 1）推導(dǎo)）推導(dǎo)彈性半空間模型彈性半空間模型地表無限長梁受地表無限長梁受集中力集中力作用位移解作用位移解2 2）推導(dǎo)）推導(dǎo)WinklerWinkler模型模型

12、下無限長梁受下無限長梁受集中力作集中力作用位移解用位移解3 3）擬合上述兩組解得到）擬合上述兩組解得到VesicVesic模量模量u 被動地基模量被動地基模量1 1）推導(dǎo)）推導(dǎo)彈性半空間模型彈性半空間模型地表無限長梁地表無限長梁標(biāo)準(zhǔn)位移標(biāo)準(zhǔn)位移作用的位移解作用的位移解2 2）推導(dǎo)）推導(dǎo)WinklerWinkler模型模型下無限長梁受下無限長梁受標(biāo)準(zhǔn)位移標(biāo)準(zhǔn)位移作用的位移解作用的位移解3 3）擬合上述兩組解得到被動地基模量）擬合上述兩組解得到被動地基模量11010010001000010000010000000.40.81.21.62.02.42.83.23.6h/b=7k(1-v2)/EEbI

13、/Eb4 Vesic模量被 動模量b b為梁的半寬，為梁的半寬，h h為埋深為埋深u利用水平向利用水平向Mindlin解和解和Kevlin解獲得解獲得任意深度任意深度水平被動地基模量水平被動地基模量8422143)1 (5 .11IEEDvEvvkbhvbhRRbhRvvRRRvRv872122)21)(1 (4322432)87(1112132311n KlarKlar等等（20052005）利用彈性理論法計算了隧道開挖對上覆管利用彈性理論法計算了隧道開挖對上覆管線的影響線的影響（隧道開挖引起的土體沉降運(yùn)用隧道開挖引起的土體沉降運(yùn)用PeckPeck公式計算公式計算）1101001000100

14、0010000010000000.00.20.40.60.81.0i/r0=2.5i/r0=5Mmaxi2/SmaxEbIEbI/Er40 彈性理論法Klar(2005) Vesic模量 修正模量i/r0=10最大歸一化彎矩隨管土剛度比變化最大歸一化彎矩隨管土剛度比變化 n MarshallMarshall等等(2010)(2010)利用劍橋大學(xué)離心機(jī)模擬研究基于地層利用劍橋大學(xué)離心機(jī)模擬研究基于地層損失比的隧道開挖對上覆管線的影響損失比的隧道開挖對上覆管線的影響。-25-20-15-10-5051015202530201000=2.5%0=1.0%0=0.5% 離心機(jī) 修正模量 管線沉降 (

15、mm)到隧道中心線的距離（m）flexible pipelines-25-20-15-10-505101520253025201510500=2.5%0=1.0%0=0.5% 離心機(jī) 修正模量管線沉降 (mm)到隧道中心線距離 (m)rigid pipelinesn 實(shí)例分析：上海軌道交通七號線隧道近距離穿越大口徑污水管線實(shí)例分析：上海軌道交通七號線隧道近距離穿越大口徑污水管線理論預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本符合理論預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本符合 算例文獻(xiàn)：算例文獻(xiàn)：LOGANATHAN N, POULOS H G, XU K J. Ground and pile-group response

16、due to tunnelingJ. Soils and Foundations, 2001, 41(1): 5767.01020304050302520151050深度(m)位移(mm)6m 群樁 測量值 修正模量群樁，到隧道距離群樁，到隧道距離6m 群樁，到隧道距離群樁，到隧道距離10m 01020304050302520151050深度(m)位移(mm)10m 群樁 測量值 修正模量群樁，到隧道距離群樁，到隧道距離10m 隧道開挖工程實(shí)例分析隧道開挖工程實(shí)例分析 算例文獻(xiàn)：算例文獻(xiàn)：LEE R G, et al. Deformations caused by tunneling bene

17、ath a piled structureC. Proc 13th ICSMFE. New Delhi, 1994: 873878.n 分析過程分為三步：分析過程分為三步： (1) 采用兩階段方法，得到一定的基坑開挖深度和基采用兩階段方法，得到一定的基坑開挖深度和基坑與建筑物距離條件下，基坑變形最大值與鄰近既坑與建筑物距離條件下，基坑變形最大值與鄰近既有建筑物附加變形的關(guān)系曲線。有建筑物附加變形的關(guān)系曲線。 (2) 改變基坑開挖深度，得到不同開挖深度條件下，改變基坑開挖深度，得到不同開挖深度條件下，基坑變形最大值與建筑物附加變形的關(guān)系曲線。基坑變形最大值與建筑物附加變形的關(guān)系曲線。 (3) 基

18、于建筑物承載能力的角變量容許值，將基坑開基于建筑物承載能力的角變量容許值，將基坑開挖深度與基坑變形容許最大值相互對應(yīng)，形成基坑挖深度與基坑變形容許最大值相互對應(yīng)，形成基坑開挖環(huán)境保護(hù)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。開挖環(huán)境保護(hù)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。n 框架結(jié)構(gòu)短樁基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)短樁基礎(chǔ) 按角變量按角變量0.002作為控制指標(biāo)作為控制指標(biāo)n 市政管線市政管線 按傾斜角按傾斜角0.1度作為控制指標(biāo)度作為控制指標(biāo)基坑水平位移最大值與鄰近建筑傾斜的關(guān)系曲線基坑水平位移最大值與鄰近建筑傾斜的關(guān)系曲線在基坑位移最大在基坑位移最大值和建筑物傾角關(guān)值和建筑物傾角關(guān)系曲線中提取建筑系曲線中提取建筑物傾角為物傾角為0.0020.002和

19、和0.0030.003所對應(yīng)得基所對應(yīng)得基坑位移最大值坑位移最大值得到基坑開挖深得到基坑開挖深度和基坑變形最大度和基坑變形最大值的關(guān)系曲線。值的關(guān)系曲線。0510152025300.00.51.01.52.0基坑圍護(hù)墻最大變形與基坑深度比值(%)基坑深度（m） 建筑物傾角0.002 建筑物傾角0.0030.18%（一級）0.3%（二級）0.7%（三級）l選用管線參數(shù)：選用管線參數(shù)：N型接口承插式鑄鐵管、型接口承插式鑄鐵管、DN600mm、外徑、外徑635mm、壁厚壁厚9.9mm、彈性模量、彈性模量15000MPa、泊松比、泊松比0.25、每節(jié)、每節(jié)5m；中心埋；中心埋深深h=2m，中心距離基坑

20、邊，中心距離基坑邊b=2m；管線埋設(shè)走向平行于基坑邊；管線埋設(shè)走向平行于基坑邊；l土體參數(shù)：土體參數(shù)：彈性模量彈性模量2.124MPa、泊松比、泊松比0.4、重度、重度18.1kN/m3 ； l基坑參數(shù)：基坑參數(shù)：寬度寬度B=30m，開挖深度，開挖深度H取取620m，采用板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)加內(nèi)支撐的支護(hù)體系。加內(nèi)支撐的支護(hù)體系。管管線線傾傾斜斜控控制制標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)0.10.1度度u 推薦的地基模量在被動位移下更符合實(shí)際情況推薦的地基模量在被動位移下更符合實(shí)際情況，直直接印證了接印證了AttewellAttewell等和等和KlarKlar等認(rèn)為被動地基模量等認(rèn)為被動地基模量需比需比VesicVesic地基模量大兩倍甚至更多的觀點(diǎn)。地基模量大兩倍甚至更多的觀點(diǎn)。u 通過與彈性理論法、離心機(jī)試驗(yàn)和實(shí)際工程對比驗(yàn)通過與彈性理論法、離心機(jī)試驗(yàn)和實(shí)際工程對比驗(yàn)證了建議的兩階段分析方法的合理性。證了建議的兩階段分析方法的合理性。u 位移控制分析方法從變形控制標(biāo)準(zhǔn)的角度，對周邊位移控制分析方法從變形控制標(biāo)準(zhǔn)的角度，對周邊結(jié)構(gòu)物的保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹訃o(hù)結(jié)構(gòu)的變形。結(jié)構(gòu)物的保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹訃o(hù)結(jié)構(gòu)的變形。采用與土體實(shí)際應(yīng)變范圍相適應(yīng)的土性指標(biāo)非常必要采用與