地铁车站基坑施工对邻近建筑物影响的研究

摘要

我国是世界上已规划地铁项目最多的国家之一，目前已在35个城市中兴建地铁线路和车站。众多地铁车站的基坑施工必将对周边环境造成一定影响，主要是可能引起周边已有建筑的沉降和变形。由于地质条件、基坑方案、建筑结构等因素，基坑施工影响周边建筑的机理非常复杂，而传统的理论、经验方法难以全面地反映上述因素。因此，在基坑施工之前，很难准确地预测建筑的沉降和变形，也很难合理地评判建筑面临的风险状况。
　　本文采用数值模拟与实测分析、参数反演、模糊风险评判相结合的方法，深入研究砂土/硬黏土层中的基坑施工对周边高层建筑的影响，并在地铁车站的基坑工程中展开了研究应用。在研究过程中，针对建筑沉降预测结果的不确定特性，大致按照“发现问题、实测验证、提高准确性、风险模糊评判”的技术路线来撰写。本文的主要研究内容和成果有:
　　(1)数值模拟。总结并分析前人在基坑及建筑模拟方面的经验方法，确定了土体本构模型、建筑、模型计算区域、围护结构、地应力等对关键内容的模拟方案;对不能完全确定的内容则采用多种模拟方案的组合;采用Abaqus软件，对某地铁车站基坑建立3个有限元模型并展开模拟应用，得到了一些有意义的模拟结论。
　　成果:提出了基坑模型的计算区域试算流程;对不能完全确定的土体弹性模量、基坑渗流、内支撑采用多种方案组合;根据工程应用的结果，揭示了建筑的模拟沉降量和倾斜度存在不确定的数值范围;影响建筑沉降计算值的模拟因素从大到小依次是降水方案、土体参数方案、支撑模拟方案;建筑沉降与土体的弹性模量可能成反比关系。
　　(2)实测分析。对某车站基坑周边的地下水位、地下连续墙侧移、坑外地表沉降分布、周边建筑沉降变形的实测数据进行统计分析，并与有限元模拟结果、相关的统计经验进行对比。
　　成果:验证了本文有限元模拟的方案和结论基本上是合理的;在砂土/硬黏土的二元结构土层中，基坑周边高层建筑的实测沉降量和倾斜度都较小;高层建筑的最大沉降值、差异沉降与建筑长宽比呈反比，而最大倾斜度、挠度比与其距基坑的距离呈正比。
　　(3)参数反演及沉降预测。对比了多种试验设计方法的特点;根据原理和使用方法上的优点，采用均匀设计法来设计试验方案;根据土体弹性模量与坑外沉降模拟值之间的关系，选择了简单合理的参数回归方法;在某车站基坑的施工监测过程中，展开了数值模拟和参数反演应用，动态预测后续施工阶段的坑外沉降量。
　　成果:首次在基坑土层参数的反演和地层位移的预测中引入了均匀设计法，减少了试验次数且不失精度，体现了均匀设计法与数值法相结合的优势;在其它条件不变的情况下，一些测点的沉降模拟值与土体弹性模量存在线性关系;通过参数反演来预测坑外沉降的准确性优于传统的经验方法。
　　(4)建筑风险的模糊评判。选择了建筑的最大沉降值、最大倾斜度、损伤系数，来综合评判建筑的风险;针对评价指标的不确定性，引入三参数区间数来描述;根据建筑风险和三参数区间数的特点，提出了基坑周边建筑风险评判的流程;对距离某车站基坑最近的砖混结构进行了风险评判应用。
　　成果:提出了评判基坑周边建筑风险的简化模型;引入损伤系数来描述建筑损伤状态，并按相关规程作了合理修正;引入三参数区间数来描述指标，并给出了可能度的积分解;提出了S型可变模糊隶属函数;引入并修正了超标加权法;在实际工程中的风险评判结果明确、统一且合理，优于传统的经验方法。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 问题的提出

1．1．2 基坑施工影响周边建筑的原理

1．2 国内外研究的现状

1．2．1 实测研究

1．2．2 沉降理论研究

1．2．3 参数反演研究

1．2．4 基坑周边建筑的风险研究

1．3 本文的目的、内容和意义

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究意义

第2章 基坑对周边建筑影响的模拟研究

2．1 概述

2．2 Abaqus软件与基坑开挖模拟

2．3 模拟方法研究

2．3．1 土体的本构模型及参数

2．3．2 有限单元模型

2．3．3 建筑模拟方案

2．3．4 支护体系模拟

2．3．5 基坑施工模拟

2．4 工程背景

2．4．1 车站基坑

2．4．2 周边建筑

2．4．3 场地土层状况

2．5 模拟计算方案

2．5．1 已确定的方案

2．5．2 不确定的方案

2．5．3 组合模拟方案及分析步

2．6 模拟结果分析

2．6．1 Model-w1

2．6．2 Model-w2

2．6．3 WY车站Model-w3

2．6．4 模拟结果统计分析

2．7 小结

第3章 基坑对周边建筑影响的实测研究

3．1 概述

3．2 工程实测项目

3．2．1 实测项目的内容及方法

3．2．2 实测布点方案

3．3 实际施工进程及验算模拟方案

3．3．1 换乘站基坑的实际施工进程

3．3．2 联络线基坑的实际施工进程

3．3．3 联络线基坑的验算模拟作业

3．4 地下水位

3．4．1 WY车站换乘站基坑

3．4．2 WY车站联络线基坑

3．5 围护结构的侧移

3．5．1 WY车站换乘站基坑

3．5．2 WY车站联络线基坑

3．5．3 统计及对比分析

3．6 坑外的沉降分布

3．6．1 换乘站基坑

3．6．2 联络线基坑

3．6．3 统计及对比分析

3．7 建筑的沉降变形

3．7．1 WY车站换乘站基坑

3．7．2 WY车站联络线基坑

3．7．3 统计及对比分析

3．8 小结

第4章 参数反演及沉降预测研究

4．1 概述

4．2 试验设计与均匀设计

4．2．1 参数反演与试验设计

4．2．2 传统试验设计

4．2．3 均匀设计

4．3 参数反演和沉降预测的方法

4．3．1 参数反演和沉降预测的流程

4．3．2 参数的取值范围和试验样本

4．3．3 参数回归方程及检验方法

4．3．4 回归精度评价方法

4．3．5 求解参数反演值

4．3．6 沉降预测及检验

4．4 工程应用及检验

4．4．1 工程概况及实测结果

4．4．2 试验样本及试验结果

4．4．3 回归方程

4．4．4 反演参数

4．4．5 沉降预测

4．4．6 方法对比及结果检验

4．5 小结

第5章 基坑对周边建筑影响的风险研究

5．1 概述

5．2 风险评判模型

5．2．1 风险的评价指标

5．2．2 建筑的沉降值和倾斜度

5．2．3 建筑的损伤系数

5．3 区间数的原理及排序计算

5．3．1 区间数的原理

5．3．2 区间数的排序方法

5．4 风险评判方法

5．4．1 指标值集和评价值集

5．4．2 风险模糊隶属函数

5．4．3 评判矩阵

5．4．4 评价指标的权重

5．4．5 模糊综合评判区间

5．4．6 风险区间排序

5．4．7 风险评判流程

5．5 风险评判应用及检验

5．5．1 工程背景及模拟方案

5．5．2 模拟计算结果

5．5．3 房屋损伤鉴定

5．5．4 风险评判

5．5．5 风险评判对比及检验

5．6 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间主持和参加的科研项目