差异环境保护等级下基坑变形计算方法探讨

第27卷第5期岩石力学与工程学报Vol.27No.52008年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2008收稿日期：2007–11–01；修回日期：2008–03–04基金项目：福建省青年人才创新资助项目(2007F3008)作者简介：李志高(1977–)，男，博士，2000年毕业于福州大学水利水电建筑工程专业，现任讲师，主要从事岩土工程、地下空间开发等方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]差异环境保护等级下基坑变形计算方法探讨李志高1，吴小将2(1.福建工程学院土木工程系，福建福州350007；2.安庆市城市建设投资发展有限公司，安徽安庆246004)摘要：当后建地铁车站深基坑两侧环境保护等级不对称时，地铁车站设计若按环境保护等级较高一侧进行设计，无形中增加了建设成本。为此，引入按照两侧围护结构保护等级对深基坑进行设计的新思路，提出了实现深基坑围护结构非对称变形的设计方法，建立了该类地铁深基坑设计的整体结构荷载模型和分离结构荷载模型，并比较了2种计算模型的优缺点；同时给出了计算模型中相关参数的取值方法。针对上海地铁8#线人民广场站深基坑的工程特点，采用分离结构荷载模型，从土的工程性质以及力学角度对平行换乘枢纽中后建车站深基坑施工引起的已建运营车站的变形计算方法进行了探讨。模拟了后建车站深基坑工程施工对已建运营地铁车站的影响，并与监测结果对比验证了运营地铁车站变形计算模型的合理性。研究结果表明，所提出的环境保护等级不对称基坑设计方法是可行的，可以用来模拟和预测平行换乘节点中紧贴运营车站基坑施工对已建运营车站变形的影响。关键词：土力学；深基坑；变形；地铁车站；差异环境保护等级中图分类号：TU413.62文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)05–1074–07DISCUSSIONONCALCULATIONMETHODFORENVIRONMENTALPROTECTIONAROUNDDEEPPITUNDERDIFFERENTPROTECTIONLEVELSLIZhigao1，WUXiaojiang2(1.DepartmentofCivilEngineering，FujianUniversityofTechnology，Fuzhou，Fujian350007，China；2.AnqingCityConstructionInvestmentandDevelopmentCo.，Ltd.，Anqing，Anhui246004，China)Abstract：Whentheenvironmentalprotectionlevelsofbuildingfoundationpitinbothsidesarenotsymmetry，themetrostationdesignwillusuallycarryonahigherenvironmentalprotectionlevel.Thus，itwillincreasetheengineeringconstructioncostimperceptibly.Tosolvethesuchaproblemasfordeepfoundationpitofmetrostationonbothsideswithdifferentenvironmentalprotectionlevels，thestructuredesignideaisdiscussedtocontrolasymmetricdeformationoftheexcavationofdeepfoundationpit.Thedesignmethodisproposedtorealizethedeepexcavationwithasymmetricaldistortion；andtwocalculationmodes，i.e.theoverallloadstructuremodelandseparationloadstructuremodel，areproposedtosimulatetheasymmetricdeformationindeepexcavation.Furthermore，thecomputationalmodelisprovidedwithrelatedparameters.InviewoftheengineeringcharacteristicsofthedeepfoundationpitofPeople′sSquareStationofShanghaiMetroNo.8，thedeformationiscalculatedunderdifferentenvironmentalprotectionlevelsfordeepfoundationpitwithseparationstructureloadmodel；andthemonitoredresultsareverifiedfortherationalityofoperationmetrostation.Theresultshowsthatfordifferentenvironmentalprotectionlevels，asymmetricexcavationdesignmethodisreasonableandcanbeusedtosimulateandpredictthedeformationoffoundationpitconstructiononnear-fieldparalleloperationmetro第27卷第5期李志高，等.差异环境保护等级下基坑变形计算方法探讨•1075•station.Keywords：soilmechanics；deepfoundationpit；deformation；metrostation；differentenvironmentalprotectionlevels1引言为了保护基坑周围的环境，基坑工程设计及施工要将深基坑围护结构的变形控制在一定的范围之内。在基坑设计和施工之前，要根据对基坑周围环境条件的调查、研究，确定基坑周围建筑物、构筑物、管线的允许变位，确定基坑支护开挖引起的地层位移及其相应的基坑围护墙的水平位移、周围地表沉陷的允许值，以作为基坑设计和施工变形的控制标准[1～7]。根据有关规程[8]对周围环境保护要求，将基坑变形控制标准分为3个等级，如表1所示。表1基坑等级标准Table1Excavationlevelstandardsforfoundationpit基坑等级地面最大沉降量及围护墙水平位移控制要求环境保护要求一级(1)地面最大沉降量≤0.001H；(2)围护墙最大水平位移≤0.0014H；(3)Ks≥1.8基坑周边以外0.7H范围内有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑或设施，必须确保安全二级(1)地面最大沉降量≤0.002H；(2)围护墙最大水平位移≤0.003H；(3)Ks≥1.6离基坑周边(1～2)H范围内有重要管线或大型的在使用的建(构)筑物三级(1)地面最大沉降量≤0.005H；(2)围护墙最大水平位移≤0.007H；(3)Ks≥1.4离基坑周边2H范围内没有重要管线或大型的在使用的建(构)筑物注：H为基坑开挖深度；Ks为抗隆起安全系数，按圆弧滑动公式计算。根据上海市地铁深基坑工程设计实践来看，设计中地铁车站深基坑保护等级一般为同一个等级，在特殊情况下可以沿深基坑的纵向分为两级，但两个等级之间不能存在跳跃。这对于在一般情况下控制基坑的纵向变形以及简化基坑设计是有利的。但是在某些地铁车站深基坑工程中，由于基坑两侧环境的不同，基坑两侧围护结构允许变形也不一样，此时的深基坑工程设计按照较高一侧环境保护要求来确定基坑变形控制保护等级。按照较高一侧环境保护等级对基坑进行设计，则环境保护要求较低一侧的土体加固、施工参数设计都按照较高一侧环境保护要求进行，这无疑加大了车站的建设成本。如果能够针对基坑两侧的环境保护等级的差异分别对两侧的围护结构、地基加固及施工参数进行设计，允许基坑两侧围护结构的变形存在差异，则可以降低环境保护等级较低一侧围护结构的截面尺寸，抑或放宽该侧地基加固以及施工参数要求，从而降低工程造价，加快工程进度。在上海地铁8#线的建设过程中，人民广场车站的建设就遇到此类问题。后建8#线人民广场站(简称新车站)在此与已建运营中的1#线地铁车站(简称老车站)平行且两车站紧贴，新车站深基坑施工利用已有的老车站地下连续墙作为围护结构，而远离老车站侧的基坑旁为公路，环境保护要求相对而言没有老车站侧严格，如图1，2所示。图1基坑与已建运营车站平面布置示意图Fig.1Schematicdiagramoffoundationpitexcavationandoperationstation图2新老车站立面相对位置图Fig.2Diagramofrelativepositionfornewandexistingstations在运营地铁车站一侧进行深基坑工程施工，基坑的一侧是土、另一侧是车站结构。基坑两侧介质的不对称性，决定了采用常规的平面杆系有限元计算方法无法满足变形计算要求。对施工中运营车站•1076•岩石力学与工程学报2008年变形来说，最直接、有效的方式是通过预先埋设的监测点进行监测。但有些监测项目和监测点的设置有可能受现场条件的限制而无法实现。这种情况下，必须考虑采用理论计算的方式，对不同施工阶段、不同工况组合和不同施工参数下运营车站结构的空间变形进行计算。通过现场监测和理论计算两种手段的结合，对新老车站变形控制和施工参数的调整提供依据。在此种情况下，必须选用合理的计算模型和计算方法，使之既能较为准确地评估施工中基坑本身的变形，又能较全面反映运营车站结构的变形状况。为此，本文根据基坑两侧环境保护等级的不同，对差异环境保护等级的基坑设计作些有益的探讨；建立能够考虑支撑传递荷载以及控制两侧围护结构作用的围护机构变形计算模型，从而为今后类似工程的设计与施工提供技术服务。2非对称变形基坑计算模型研究以前的地铁深基坑变形计算方法都是以基坑两侧环境保护等级相同、要求实现基坑两侧围护结构变形对称的前提下进行的。为了实现地铁深基坑围护结构变形不对称的控制要求，在深基坑围护结构设计中就不能按照以前的设计计算方法进行。地铁车站基坑两侧环境保护等级存在差异情况下，此时按照环境保护要求控制相应的围护结构变形。但是基坑工程是一个复杂的系统工程，地铁车站两侧围护结构的变形并不是相互独立、相互之间没有关联的两个量，由于支撑体系的存在，两侧的围护结构变形存在一定的关联性。因此在地铁车站基坑两侧环境保护等级不同时，此类基坑的设计比较复杂，设计中如何处理好支撑在两侧围护结构传递力以及控制变形作用显得异常重要。2.1设计思路当前的基坑设计一般均采用荷载结构模型，即将围护结构视作弹性体，取单位宽度为计算单元，支撑和被动区土体视作弹簧，主被动区对围护结构水土压力差作为荷载作用在围护结构上，计算各工况下的围护结构变形和内力。对于上海软土地区的地铁深基坑的设计，按时空效应方法计算的围护结构变形和内力与实际比较符合[9]，其基坑设计的框架图如图3所示。按照图3中的基坑设计框图，实现地铁深基坑两侧围护结构变形不对称的设计思路如下：图3基坑设计框图Fig.3Excavationdesigndiagramoffoundationpit(1)根据调研，确定基坑两侧周围环境保护等级。(2)根据地质勘察报告以及环境保护等级，确定基坑开挖方式(逆作或者顺作)、初步设计围护结构形式、几何尺寸以及支撑体系。(3)设定基坑两侧被动区土体的加固方案以及施工参数。(4)分别计算各工况下两侧围护结构的变形。(5)比较判断两侧围护结构的变形是否满足相应侧的周围环境保护要求。若能够满足，即说明确定的围护结构、支撑体系、加固方案以及施工参数可行；若不能满足，则需调整围护结构、支撑体系、土体加固方案以及施工参数中的一项或多项，直到计算得到的两侧围护结构变形