CN102561357B - 大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法，该方法的步骤如下：(1)采用国内外各种围护结构变形分析方法，将围护结构各方法所得的结果与实测值对比，确定超大直径超深基坑变形的合理分析方法；(2)坑外地面沉降模式比较与分析，对各因素作用下地面沉降的影响因素评估，各分析方法得到的地面沉降与实测值对比研究；(3)基坑降水与开挖各工况下，高架桥梁桩基的水平变形和竖向变形分析以及安全性分析；(4)确定管道安全性评价指标和标准，不同变形分布模式下管道内力分析，各开挖工况下管道的安全性评价。与现有技术相比，本发明具有对周边环境的安全性高，大规模超深基坑的分析方法有效合理等优点。
Description
技术领域
本发明涉及大规模超深基坑，尤其是涉及大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法。
背景技术
世博变电站基坑地处软土地区，且在如此复杂的周边环境下开挖30多米的超大基坑在上海乃至全国都属首例。因此如何预测、控制和保护紧邻基坑的建(构)筑物、管线成为一个具有难度大且迫切需要解决的一个问题。与工程需求的迫切性相对应的是，目前仍只能依靠经验(如Peck方法)预测板桩或排桩支护的变形模式。国内外各种分析方法尚无软土地区大规模超深基坑开挖环境影响计算和评估控制的方法，因此对于地下连续墙围护结构，以及耦合地下降水条件下，如何确定地面变形的大小和分布模式，并确保周边环境的安全，从而指导设计和施工具有重要的直接应用价值。
工程技术需求：
(1)合理考虑承压水、潜水降水措施和围护结构施工与开挖等综合工况下基坑围护结构变形与稳定、周边管线、建筑物和高架桥桩基的变形分析是进行环境控制与保护的前提。
(2)基坑实测结果与分析结果的对比是确定合理分析模型和计算方法的基础，从而为基坑下一道施工工序进行合理的环境控制与保护提供了依据。
课题实施的难点：
(1)综合比选国内外各种研究方法，确定适合于软土地区大规模超深基坑开挖的分析计算方法；
(2)采用统计学理论与方法，基于基坑开挖深度、支撑围护结构、降水措施等变量确定各影响因素下基坑的变形模式与变形大小；
(3)承压水与潜水等降水过程中渗流场的计算与模拟；
(4)土方开挖引起的应力场模拟及其流固耦合计算土体沉降和变形；
(5)开挖和降水对周边高架桩基的影响分析；
(6)开挖和降水对周边地埋管道的影响分析，包括三维变形、管道内力和安全评价标准。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种对周边环境的安全性高，大规模超深基坑的分析方法有效合理的大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
(1)采用国内外各种围护结构变形分析方法，将围护结构各方法所得的结果与实测值对比，确定超大直径超深基坑变形的合理分析方法；
(2)坑外地面沉降模式比较与分析，对各因素作用下地面沉降的影响因素评估，各分析方法得到的地面沉降与实测值对比研究；
(3)基坑降水与开挖各工况下，高架桥梁桩基的水平变形和竖向变形分析以及安全性分析；
(4)确定管道安全性评价指标和标准，不同变形分布模式下管道内力分析，各开挖工况下管道的安全性评价。
步骤(2)中所述的各因素为地面超载、降水、坑底隆起和围护结构侧向变形。
与现有技术相比，本发明不仅验证在降水开挖设计施工方案下基坑自身的安全性，更重要的是预期评判基坑开挖中周边地面沉降、周边管线和高架桩基的位移和沉降等环境影响程度，为提前掌控各开挖工况下，变基坑工程的安全性和周边环境安全的可控性提供直接的依据。具体包括：一是预期评价各设计施工方案对周边环境的安全性；二是得出对周边环境影响的主要影响因素，提供设计施工中需注意的事项；三是根据监测资料对比，得出更合理的大规模超深基坑的有效分析方法，为今后大规模超深基坑提供分析基础和经验。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法，该方法的步骤如下：
(1)围护结构各方法结果与实测值对比，确定超大直径超深基坑变形的合理分析方法：
通过Clough方法(1989)、同济启明星支挡结构分析软件FRWS和FLAC3D数值模拟对围护结构变形进行分析。结果表明采用适当的经验方法可以预估围护结构最大变形，但可能超估变形值。对于深基坑的侧向变形，当前分析方法给出的围护墙侧向变形分布规律和最大量值相比实测值具有较高的计算准确度。围护地连墙的竖向位移方面，计算结果表明在选用土体压缩模量计算深基坑开挖分析中时，给出的围护结构的向上竖向位移将偏大一些。
(2)各因素作用下地面沉降的影响因素评估，各分析方法得到的地面沉降与实测值对比研究：
采用多种分析方法对世博变电站基坑地面沉降进行了分析，包括同济启明星支挡结构分析软件FRWS提供的3种方法(Peck简化分析方法、同济三角形模式和同济抛物线模式)、Peck经验方法(1969)、Clough&Rourke方法(1990)、Hsieh&Ou方法(1998)和FLAC3D三维数值分析方法。结果表明同济启明星软件FRWS提供的同济抛物线模式和Hsieh&Ou方法给出的结果与实测值最为接近，而FLAC3D的计算结果偏小，这是由于未考虑回弹模量和楼板重量因素将使得地面沉降值要偏小一些。
坑外地面沉降模式方面，同济抛物线模式、Hsieh&Ou方法和FLAC3D与实际较为吻合，最大沉降位于基坑边的距离分别为18m、17m和17m，而实测最大值出现在坑边15～20m范围内。从基坑降水开挖引起地面沉降的影响范围看，三维分析结果与实测值较吻合。
上海地区基坑开挖和降水对围护结构和地面沉降影响的统计分析结果具有较强的实用性，无论是围护结构侧向变形还是坑外地面沉降，本工程实测值均处在上海市深基坑统计结果的范围之内。
(3)基坑降水与开挖各工况下，高架桥梁桩基的安全性分析：
成都北路侧高架桥桩基变形包括朝向基坑侧的水平位移和竖向位移两部分，并且水平向位移大于竖向沉降，桩基水平位移分布规律方面，桩端位移最大，桩顶次之，中间部位最小，但总体位移差异在3mm以内，且桩长为30m，故弯曲变形率很小。同一承台中各桩基，随着与基坑距离的增加，变形逐步减小。承台桩基受力方面，在桩头产生了最大的负弯矩，开挖至坑底时桩基最大正弯矩为110kN·m，最大负弯矩为28kN·m。实测的高架桥桩基沉降受到一些其他因素影响使得其分布规律不明显，但总体量值很小，幅度在5mm以内，表明基坑开挖对高架桥桩基影响很小。
(4)管道安全性评价指标和标准的确定，不同变形分布模式下管道内力分析，各开挖工况下管道的安全性评价：
管线的安全与管材和接头密切相关。可以通过对管道结构转角、结构位移和容许转角与位移，管道应力(由管道应变间接计算)和容许应力来评判管线的安全性。
管线不同的沉降位移模式将产生不同的管道内力分布，采用了正态分布模式和误差补偿函数两种变形模式进行了比较，发现管线竖向变形多遵循正态分布模式而水平向变形与误差补偿函数形式类似，比较分析表明相比水平向变形而言，管线的竖向变形对管道力学性状影响更明显。
实测的管线沉降受到管接头和管内传输物体重量等影响，并不严格遵循距离基坑越远沉降越小的规律，这表明数值分析过程中不仅需要考虑管线自身材料性状的影响，还得考虑管内传输物质的影响(如增加重量等)。分析表明：对于相对柔性管材，其最大沉降发生在基坑中轴线附近，分布形态与计算值较接近；而对于刚性管，最大沉降并不出现在基坑中心轴线上，而是距离中轴线约20～30m范围内，多呈现双峰或单峰分布现象。
本发明在国内第一次系统地研究了软土地区超大直径、超深基坑开挖和降水施工工况下基坑周边地面沉降、建筑物、管线和高架桥桩基等环境影响与控制的分析，取得了以下一系列在技术领域具有创新性的成果：
系统分析了国外代表性的围护结构、地面沉降变形分析方法，并通过三维流固耦合分析模拟施工开挖过程，通过与实测结果的对比分析，得出了软土地区超深基坑围护结构和地面沉降合理的分析方法。
系统分析了围护结构形式、承压水与潜水降水施工、坑边超载、坑底隆起等多因素作用下对基坑周边环境影响的量化分析和影响程度评估。
采用统计学方法，得出上海地区基坑开挖和降水对围护结构和地面沉降影响的统计分析结果，具有较强的实用性。
通过被动桩理论和三维仿真分析，进行了深基坑周边高架桥梁桩基的安全性评估。
确定了坑边管线安全性评价的标准和评估指标，采用2种不同管线分布模式确定管道内力的大小和随基坑开挖的变化过程，得出管线不同变形情况下对内力的影响程度，并进行了三维施工仿真分析。
先期提供的各分析结果与后续的实测结果对比表明，围护结构变形、坑边地面沉降、周边建筑物、管线和高架桥的计算值与实测值相吻合，为软土地区超大直径超深基坑的环境评估探索了一个合理的分析途径与方法，可供后续软土地区大规模超深基坑环境控制借鉴使用，填补了我国在该领域的空白。
本发明不仅验证在降水开挖设计施工方案下基坑自身的安全性，更重要的是预期评判基坑开挖中周边地面沉降、周边管线和高架桩基的位移和沉降等环境影响程度，为甲方提前掌控各开挖工况下世博变基坑工程的安全性和周边环境安全的可控性提供直接的依据。具体作用为：一是预期评价各设计施工方案对周边环境的安全性；二是得出对周边环境影响的主要影响因素，提供设计施工中需注意的事项；三是根据监测资料对比，得出更合理的大规模超深基坑的有效分析方法，为今后大规模超深基坑提供分析基础和经验。通过该项目的实施，世博变电站基坑已经安全开挖至坑底，并且周边地面沉降、管线和高架桩基等均处在预期可控的安全范围内，确保了周边环境的安全性，达到了项目实施的预期目的。
Claims (1)
1.大规模超深基坑开挖环境控制与保护方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
(1)采用各种围护结构变形分析方法，通过三维流固耦合分析模拟施工开挖过程，将各种围护结构变形分析方法所得的结果与实测值对比，确定超大直径超深基坑变形的合理分析方法；
所述围护结构变形分析方法包括Clough方法、同济启明星支挡结构分析软件FRWS和FLAC3D数值模拟法；
(2)坑外地面沉降模式比较与分析，对各因素作用下地面沉降的影响因素评估，各分析方法得到的地面沉降与实测值对比研究；
所述各因素包括地面超载、降水、坑底隆起和围护结构侧向变形；
所述各分析方法包括Peck简化分析方法、同济三角形模式、同济抛物线模式、Peck经验方法、Clough&Rourke方法、Hsieh&Ou方法和FLAC3D三维数值分析方法；
(3)基坑降水与开挖各工况下，高架桥梁桩基的水平变形和竖向变形分析以及安全性分析；
所述各工况包括软土地区超大直径、超深基坑的开挖工况和降水施工工况；
(4)确定管道安全性评价指标和标准，不同变形分布模式下管道内力分析，各工况下管道的安全性评价；
所述变形分布模式包括正态分布模式和误差补偿函数两种变形模式；
所述步骤(4)具体为：
通过管道结构转角、结构位移和容许转角与位移、管道应力和容许应力来评判管线的安全性；
采用正态分布模式和误差补偿函数两种变形模式进行比较，得出管线不同变形分布模式下对内力的影响程度，并进行三维施工仿真分析。
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