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1、华中科技大学 硕士学位论文 武汉地铁二号线江汉路和洪山广场站深基坑施工仿真分析 姓名：佘丽生 申请学位级别：硕士 专业：岩土工程 指导教师：罗晓辉 20070528 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 城市地铁车站基坑施工的特点是基坑通常处于房屋和地下管线密集区域，开挖 深度和长宽比都较大，对周围环境的影响应受到严格的控制。本文以武汉地铁二号 线的两个车站基坑为背景，利用数值模拟手段，给出基坑在初步设计方案下的一些 指标值并加以总结分析。研究得到了一些成果，可作为今后类似深基坑工程设计与 施工的参考。 运用专业软件PLAXIS对江汉路站基坑进行数值模拟，对总应力法、坑内
2、降水 和坑外降水三种情况下的结果对比发现：降水使支护结构的位移、内力加大并导致 地表沉降大幅度增加，对基坑周边环境影响加剧。而且坑外降水相对于坑内降水来 说更有利于基坑支护结构的稳定性，但对周边环境的影响要大一些；通过改变降水 井的设置深度分析表明：降水井深度对基坑的影响程度取决于降水井底端上、下土 层的透水性。 通过大型通用有限元软件 ABAQUS 对洪山广场站基坑的二维和三维有限元模 拟发现：“盖挖半逆作法”施工时，支护体系的整体刚度较大，有利于基坑稳定； 超载情况下，基坑外地表沉降主要由超载引起，沉降最大位置大致处于超载中心， 沉降的影响范围较大。三维模拟中的基坑无论是在位移状态方面还是
3、在横撑轴力 上，都有着明显的空间效应。各项位移的大小和区域都随着距基坑转角距离的减小 而减小。 最后本文根据对数值模拟结果的分析，结合相关规范要求，对车站基坑的设计 与施工给出了一些建议。 关键词：地铁车站基坑 PLAXIS ABAQUS 基坑降水 数值模拟分析 空间效应 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With large depth and length- width ratio, foundation pit of urban subway station was generally surrounded by dense buildings an
4、d underground pipers. The influence of deep excavation on surrounding environment should be controlled strictly. Based on two station foundation pits of No.2 subway in WuHan city, several indicator values and the variations of them were concluded under the initial design program. The results of the
5、research could be used by other similar deep foundation pit projects for reference on design and construction. The simulation of dewatering of foundation pit of station JiangHan road by professional software PLAXIS and the comparison of results of total stress method, dewatering inside and outside t
6、he pit leads to some conclusions. Because of dewatering, the inner forces and displacements of supporting structure, ground settlement and its effect on surrounding environment increased greatly. Dewatering outside the pit causes more stability of supporting structure, but more influence on environm
7、ent than dewatering inside. The effect of foundation pit by well depth depended on the permeability of soil above and below the end of the well. Large finite element software ABAQUS was used to analysis 2- D and 3- D simulation of foundation pit of station HongShan square. The research indicated: su
8、pporting structure got larger rigidity and stability when the cover and cut semi- inverse construction method was used. Ground settlement which was mostly caused by overloads had a large effect range and the maximum value almost happened at the centre of overloads. The displacements of foundation pi
9、t and the axial forces of braces got obvious space affect. As the distance to the corner of foundation pit decreased, the values and areas of every aspect of displacements were smaller. Finally, according to the analysis of numerical simulation results and combining with the requirements of relative
10、 code, some advices about the design and construction of foundation pit were given. Key words: Foundation pit of subway station PLAXIS ABAQUS Dewatering of foundation pit Numerical simulation Space affect 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
11、对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允 许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密
12、后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 概述 我国基坑工程的实践和研究近 20 年来取得了迅猛的发展，大量的工程实践极大 的丰富和提高了我国在基坑工程领域内的技术水平。但是，基坑工程是实用性、经 验性极强的学科，是随着工程实践不断提高的学科。近 20 年来的工程实践积累了大 量成功的经验，也有失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题。 随着我国经济建设的不断发展，对开发和利用城市空间包括地下空间的要求越 来越迫切。高层建筑的发展在数量上越来越多，越来越高。迄今为止，我国已经建 成的高层建筑面积累计超过 1.3 亿平方米，高度超过 1
13、00 的超高层建筑已经超过 200 栋，高度超过 200 米的超高层建筑已达 20 余栋1,2。伴随高层建筑的发展，多层地下 室逐渐涌现，目前国内最深的高层建筑地下室基坑为 6 层，深度达 26.2 米3。另外， 随着我国城市化程度的不断提高，城市基础设施的建设远远落后于城市化进程的矛 盾日显突出。以城市交通为例，交通问题已经成为我国各大城市的主要问题。为了 解决这一问题，北京、上海、广州等一些经济发达城市先后修建了以地铁为骨干的 大运量快速公交系统来缓解城市交通的紧张状况。勿庸置疑，我国即将迎来地铁工 程及地下空间综合开发的高潮，使深基坑工程得到空前的重视和发展。 由于基坑开挖深度过大，地下
14、水位相对高，地基土质软弱等不良地质条件，加 上深基坑开挖技术不成熟，施工队伍素质低等一系列原因，导致了我国深基坑工程 失事频繁，由此造成的损失高达数十亿元，同时产生了恶劣的社会影响。 深基坑失事主要涉及两方面的问题：一是深基坑支护体系本身失稳；二是深基 坑开挖引起周围环境条件的显著变化，使周围建筑设施产生开裂，甚至破坏。支护 结构的任何破坏都会严重影响周围建筑物的安全，过大的变形也可能引起周围建筑 设施的破坏。如 1994 年 11 月 11 日汉口煤气大泄漏就是因为威格大厦深基坑失事引 起的。威格大厦基坑与路边的煤气主管道距离仅 6 米多。在基坑开挖中，基坑降水 措施不当，导致涌砂，引起地面
15、下沉，马路、房屋开裂，并导致煤气主管道被折断 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 引起煤气大泄漏，造成严重的后果。 基坑工程主要研究岩土体的强度和变形、支护结构的强度和刚度、土体与结构 的相互作用以及地下水的渗流等问题。其中支护结构的变形及稳定性对工程的安全 影响最直接，事故发生率也最高。近年来国内出现较大事故的深基坑工程实例表明， 直接因土压力计算不当使支护结构产生较大变形的占 15.4%，锚杆及内支撑失效占 10.7%，降水不当占 10.7%，整体失稳、坑底隆起占 6.1%，环境破坏占 9.2%，其它 原因及综合因素影响占 47.9%2。其次，工程开挖过程中或底板浇筑前，基
16、底尚未设 置反虑设施或采取其它措施，加之施工质量等因素的影响，地下水的存在容易引起 基坑破坏，导致临近房屋开裂，道路、管线沉陷或断裂。基坑降水常常引起基坑内 外地下水渗流，渗流使土体在渗流方向受到动水力的作用，它除了造成土体的潜蚀 （管涌）与流砂外，对土体中的有效应力和孔隙水压力也会产生影响。在渗流力作 用下坑壁水土大量流失，造成基坑邻近的地面坍塌，进而危及周边建筑物和公共设 施的安全。 基坑工程区域性、个性很强。所谓基坑工程的区域性很强主要是指不同地区的 工程地质与水文地质条件差异很大。工程地质情况基本可分为两大类：饱和软粘土 地基和粉砂、粉土地基。不同工程地质和水文地质条件，基坑围护要解决的主要问 题是不同的，饱和软粘土地基中主要解决好土压力引起的稳定和变形问题；粉砂和 粉土地基中的基坑要解决好地下水渗流和管涌问题。处理地下水有两种思路：降水 和止水。基坑工程具有很强的个性主要是指基坑周围的建筑物、构造物、地下管线、 相邻地下铁道和地下车站等设置对基坑变形（包括基坑围护墙体，施工时产生的扰 动变形以及降水引起的
