1、271地块基坑工程对苏州轨道交通1号线工程影响技术评估报告目录1研究背景12研究依据12.12.1 管理性文件12.22.2技术评估合同12.32.3工程设计相关成果及依据文件13工程水文地质23.1工程地质概况23.2水文地质概况43.2.1地表水43.2.2潜水 43.2.3微承压水53.2.4承压水53.2.5地下水、土对建筑材料腐蚀性53.3不良地质作用63.4有关土质参数64271号地块基坑围护方案与地铁车站结构84.1围护方案104.1.1围护方案104.1.2施工工序124.2地铁车站结构135271号地块基坑对轨道交通1号线影响评估165.1计算内容和工况165.1.1计算工况2、165.1.2计算内容165.2地质断面选取165.3计算分析及主要步骤195.4计算模型及参数235.4.1计算软件的选取235.4.2本构关系及参数255.5有限元模型及边界条件275.6计算成果及分析365.7结论466基坑施工风险及对工程的施工要求476.1对影响风险因素的分析识别476.1.1基坑施工对地铁结构安全的影响476.1.2基坑施工对地铁结构安全影响的危险因素分析476.2基坑工程对施工的要求507控制目标的确定及对271地块基坑工程的建议527.1围护结构位移控制目标的确定527.1.1地铁安全保护区及保护指标527.1.2监测目标的确定537.2对271地块基坑工程的建3、议531 研究背景271地块项目北侧紧临轨道交通1号线。基坑的开挖、支护等过程会改变土体应力状态，引发建筑的位移和内力变化。地铁主体结构已经完工，它对变位十分敏感，为了确保地铁主体土建结构的安全，需要评估基坑的开挖、支护及回拆等过程对地铁主体结构造成的影响。2 研究依据2.1 2.1 管理性文件苏州市政府、建设局及轨道公司的相关文件。2.2 2.2技术评估合同271号地块基坑施工对地铁安全影响评价工作协议书2.3 2.3工程设计相关成果及依据文件（1）苏州轨道交通一号线工程华池街站星湖街站区间岩土工程详细勘察报告（勘察编号：2007-K-521）。（2）苏州市轨道交通1号线星海街站主体结构施工4、图设计（2008.11）（3）苏州工业园区九龙仓苏州超高层项目工程勘察报告(详勘阶段)(2010.03.15)（4）苏州市271地块超高层项目基坑围护设计方案（2011.1）3 工程水文地质3.1 工程地质概况根据本次详勘揭露地层资料，拟建场地187m 深度范围内的地基土均为第四系早更新世Q1 及其后期的沉积土层，属第四纪湖沼相、河泛相、河口海湾相、滨海相、河口三角洲相、湖相、河床相、冲积相松散沉积物，主要由粘性土、粉性土及砂土组成。根据本次详勘揭露地层资料，拟建场地地基土分布有以下特点：（1）第四系全新统Q4 土层：第1 层填土（Q43），松散，大部分区域以粘性土为主，含碎石及植物根茎等杂物5、；场地北侧近地铁施工区域及场地中部道路区域上部为混凝土地坪；场地南侧暗浜区域该层中局部含大量碎砖、碎石等建筑垃圾杂物，成分复杂。第2 层浜土（Q43），以粘性土为主，含大量黑色有机质及腐植物，明浜以淤泥为主，主要分布于明浜、塘底部。（2）第四系上更新统Q3 土层：第1 层灰黄灰绿色粘土（Q38-2），呈可塑状态，层面埋深约1.04.2m（相应标高约2.23-0.78m），含氧化铁条纹及铁锰质结核，局部以粉质粘土为主，明、暗浜分布区域该层缺失或厚度较薄。第2 层草黄兰灰色粉质粘土夹粘质粉土（Q38-2），呈可塑硬塑状态，层面埋深约2.55.5m（层面标高-0.73-2.61m 左右），含氧化铁条6、纹及铁锰质结核，底部以粉性土为主，土质不均。第1 层灰色砂质粉土（Q37），呈稍密中密状态，层面埋深约6.09.0m（层面标高-3.15-6.00m 左右），含云母，层顶夹粘质粉土，局部夹多量薄层粘性土，下部以粉砂为主，土质不均。第2 层灰色粉砂（Q37），呈中密状态，层面埋深约10.012.8m（层面标高-7.76-9.58m 左右），含云母，颗粒组成成分以长石、石英为主，局部夹薄层粘性土，土质不均。第层灰色粉质粘土（Q36），呈软塑可塑状态，层面埋深约13.416.7m（层面标高-10.33-13.49m 左右），含云母、有机质，局部夹多量粉性土，土质不均。第1 层暗绿色粉质粘土（Q34）7、，呈可塑硬塑状态，层面埋深约为20.123.0m（层面标高-16.83-19.67m 左右），含氧化铁条纹及铁锰质结核，土质较好。第2 层草黄灰色粉质粘土夹粘质粉土（Q34），呈可塑状态，层面埋深约24.526.9m（层面标高-22.08-23.87m 左右），含云母，粉质粘土与粘质粉土呈互层状分布，约31m 以下以粘性土为主，土质尚可。第层灰色粘质粉土夹粉质粘土（Q33），呈中密密实状态，层面埋深约为29.835.1m 左右（层面标高-26.70-31.77m 左右），含云母，夹多量薄层粘性土，土质不均。第1 层灰色粉质粘土（Q32），呈可塑状态，层面埋深约40.043.0m（层面标高-368、.66-39.97m 左右），含云母、有机质，局部夹多量薄层粉性土、粉砂，土质不均，厚度较厚，平均厚度约20m。第2 层暗绿色粉质粘土（Q32），呈可塑硬塑状态，层面埋深约61.064.3m（层面标高-57.97-61.27m 左右），含氧化铁条纹及铁锰质结核，土质较好。（3）第四系中更新统Q2 土层：第1 层灰绿灰色粉砂（Q23），呈密实状态，层面埋深约63.666.0m（层面标高-60.56-63.0m 左右），层厚11.013.6m，含云母，颗粒组成成分以长石、石英为主，层顶夹少量薄层粘性土，下部以细砂为主。第2 层灰色含砾粉细砂（Q23），呈密实状态，层面埋深约75.077.6m（层面9、标高-71.97-74.45m 左右），层厚5.78.5m，含云母，颗粒组成成分以长石、石英为主，6 号孔及C18 号孔约80.0m 左右夹少量薄层粘性土，局部区域80.0m 以下含较多砾砂和中粗砂，土质不均。基坑底部大部分区域位于(8-1、8-2)粉质粘土层。3.2 水文地质概况3.2.1 地表水苏州地处江南水网区，属长江流域太湖水系，区内地表水系极为发育。一般地表水历史最高水位2.49m，最低水位0.01m，常年平均水位0.88m，近35 年最高水位为2.49m。拟建场地南侧为河道（距离本工程基坑边线仅约20m 左右），勘察期间测得河面水位标高为1.22m（黄海高程）。3.2.2 潜水拟建10、场地浅部地下水属潜水类型，受大气降水及地表迳流补给。勘察期间所测得的潜水静止水位埋深一般在0.603.10m 之间，其相应标高为1.84-0.31m。根据苏州地区区域潜水稳定水位资料，苏州地区最高水位为1.332.63m，最低水位为-0.211.35m，变化幅度为1.02.0m，近35 年最高水位为2.50m。潜水与地表水的水力联系：由于地下水与地表水间的相互补给，地下水与地表水间一般存在一定的水力联系，当对潜水层降水时，巨大的水头差会加速地表水对潜水的补给，但对深度基坑，其基坑围护的止水效果一般较好，可基本隔断两者间的水力联系。3.2.3 微承压水拟建场地浅部第1 层砂质粉土及第2 层粉砂为11、微承压水含水层，属同一组含水层，动态变化同样受到大气降水、地形地貌、地表水体的制约影响，表现为降水入渗型特征。根据苏州区域水文调查资料，该层微承压水历史最高水位为1.74m，近35 年最高水位为1.60m，年变幅为0.80m 左右。本次详勘期间，在拟建场地布置了一个微承压水水位观测孔，勘察期间测得第层微承压水头埋深约为3.103.15m，相应标高-0.08-0.13m。微承压水水质受人类活动影响甚微，仍主要反映原生态环境所特有的变化规律。3.2.4 承压水拟建场地内承压水对本工程有直接影响的为第层中赋存的第一承压水。本次在拟建场地设置一个承压水观测孔，以观测勘察期间第层中承压水水头埋深，测得第12、层承压水水位埋深为5.005.10m，相应标高为-1.96-2.06m。3.2.5 地下水、土对建筑材料腐蚀性拟建场地周围无地下水污染源，同时本次详勘时在部分钻孔采取地下水样进行水质分析，按国标岩土工程勘察规范（GB50021-2001 及2009 年局部修订版）中有关条文判定，拟建场地地下水对类场地环境下的混凝土有微腐蚀性，在长期浸水环境下，对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。苏州地区地下水位较高，地基土呈饱和状态，根据工程经验，若地下水对混凝土有微腐蚀性，则地基土对混凝土亦有微腐蚀性。综上判定：拟建场地地下水和土对类场地环境下的混凝土有微13、腐蚀性；在长期浸水环境下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。3.3 不良地质作用根据本次详勘揭露，拟建场地在南侧分布一条东西走向的暗浜（局部地表为水塘）。浜底最大埋深约4.2m（相应标高约-1.0m），暗浜分布区域填土成分复杂、土质软弱（水塘底部为淤泥）。本次现场勘探情况反映，暗浜区域局部在地表下1.44.0m 分布有大量大块混凝土块等建筑垃圾，对本工程基坑围护设计及桩基施工均有一定的不利影响，设计及施工时应引起注意。3.4 有关土质参数根据勘察报告，各土层主要物理力学特性指标见表3-1。表 31 各土层主要物理力学特性指标 层号重度14、固结快剪(峰值)三轴不固结不排水剪(UU)三轴固结不排水剪(CU)静止土侧压力系数侧向基床反力系数渗透系数室内试验推荐值UUCUCU0khKkN/m3kPakPakPakPaMPacm/scm/scm/s4-118.7 21.5 14.0 55.3 1.0 17.2 18.7 2.2 29.9 0.50 201.0E-64-218.8 19.4 16.1 77.0 0.9 25.6 20.0 5.4 31.5 0.47 305.0E-55-118.7 0.0 29.9 0.38 405.0E-45-218.5 0.0 32.2 0.36 608.0E-4618.5 15.8 19.2 53.115、 2.3 17.9 19.5 1.5 31.2 0.50 153.0E-58-119.4 43.8 16.4 122.1 2.2 43.0 20.3 6.9 33.0 0.45 802.0E-68-218.8 21.8 19.2 97.9 0.0 24.3 20.7 0.5 31.0 0.46 604.0E-5918.9 6.3 28.4 0.41 104.0E-410-118.9 21.7 19.5 75.2 2.0 23.4 22.6 6.8 32.6 0.50 302.0E-5注：重度为平均值；基床系数、渗透系数为建议值；直剪（固快、快剪）、三轴（UU）、三轴（CU）为标准值。4 27116、号地块基坑围护方案与地铁车站结构苏州工业园区271地块超高层项目为苏州标志性建筑，位于苏州工业园区华池街东、翠园路南、星湖街西、旺敦路北侧。第一期工程由办公塔楼及酒店式公寓组成，下部为统一的5层大地下室。塔楼办公建筑地上共92层、高450米；裙房酒店公寓楼地上共24层、高80米。基坑北侧紧邻翠园路，路宽约30m，路面下为轨道交通1号线华池街-星湖街区间。该区段地铁主体采用现浇钢筋砼双层三跨箱形框架结构。271号地块超高层项目的基坑呈“L”形，总面积约1.85万平方米，东西最长处约173m，南北最宽处约150m，基坑周长约632m。基坑挖深22.45m；中间核心筒挖深26.15m。基坑的位置及范17、围见图4-1。图 41 基坑的位置及范围271号地块超高层项目北侧紧临已建地铁1号线，南侧紧邻河道，东西侧均为已建建筑。复杂的周边环境对该工程的基坑围护设计和施工提出了很高的要求。根据基坑围护的设计方案，在借鉴类似工程经验的基础上综合考虑周边环境、开挖深度、场地工程地质条件以及方便施工等因素，按照国家行业标准建筑基坑支护技术规程JGJ 120-99中规定，该基坑安全等级定为一级。基坑北侧紧邻地铁线路，而地铁轨道结构对变位十分敏感，这对基坑的围护提出了更严格的要求。4.1 围护方案4.1.1 围护方案基坑采用1.0m1.2m厚的地下连续墙进行围护。连续墙深42.7m，由四道水平支撑支撑。核心圆筒18、采用6501000支护，详见苏州市271地块超高层项目基坑围护设计方案。基坑的平面、剖面布置见图4-2和图4-3。图 42 基坑围护平面布置图图 43北侧围护结构与地铁主体构件的立剖图4.1.2 施工工序先平整场地，施工硬地坪；再施工工程桩、立柱桩、止水帷幕、降水井、围护墙；再开挖至支撑圈梁顶标高，开槽浇筑砼圈梁。基坑土体开挖按字母顺序，依次开挖土块及施工支撑。总体上先开挖A、B、C区，随后陆续开挖D区和E区，这样开挖纵剖面形成台阶状。即先开挖A区、B区和C区至第一道撑底，施工I区第一道撑；待支撑砼达到设计强度后再挖A区、B区和C区至第二道撑底，开挖D区至第一道撑底，施工各区支撑支撑均为随挖随19、撑。基坑开挖分区编号见图4-4。图 44 基坑开挖分区编号示意图4.2 地铁车站结构车站主体采用现浇钢筋砼双层三跨箱形框架结构，目前该车站已完成主体结构及覆土。结构顶板覆土埋深约3.0m，车站结构底板埋深约16m。车站主体采用深30m，厚0.8m地下连续墙围护，明挖顺作法施工；车站设计为全包防水。该区段的地铁车站剖面见图4-5。图 45基坑附近地铁站的主体结构断面5 271号地块基坑对轨道交通1号线影响评估5.1 计算内容和工况5.1.1 计算工况在基坑开挖、支护施工过程中，系统受重力场、土和地下水作用，地面可变荷载20kPa，地铁结构的中板上可变荷载8kPa。5.1.2 计算内容（1）计算基20、坑开挖、围护引起附近区段地铁主体结构的变位。（2）计算基坑开挖、围护引起附近区段地铁主体结构的内力变化。5.2 地质断面选取 综合考虑计算范围内的地质资料后，选取的地层断面见图5-1。根据勘察报告提供的土工试验成果，基坑支护设计参数取值见表5-1。图 51 地质层分布及主要物理参数 表 51 各土层物理力学特性统计表层号重度固结快剪(峰值)三轴不固结不排水剪(UU)三轴固结不排水剪(CU)静止土侧压力系数侧向基床反力系数渗透系数室内试验推荐值UUCUCU0khKkN/m3kPakPakPakPaMPacm/scm/scm/s4-118.7 21.5 14.0 55.3 1.0 17.2 18.21、7 2.2 29.9 0.50 201.0E-64-218.8 19.4 16.1 77.0 0.9 25.6 20.0 5.4 31.5 0.47 305.0E-55-118.7 0.0 29.9 0.38 405.0E-45-218.5 0.0 32.2 0.36 608.0E-4618.5 15.8 19.2 53.1 2.3 17.9 19.5 1.5 31.2 0.50 153.0E-58-119.4 43.8 16.4 122.1 2.2 43.0 20.3 6.9 33.0 0.45 802.0E-68-218.8 21.8 19.2 97.9 0.0 24.3 20.7 0.522、 31.0 0.46 604.0E-5918.9 6.3 28.4 0.41 104.0E-410-118.9 21.7 19.5 75.2 2.0 23.4 22.6 6.8 32.6 0.50 302.0E-5注：重度为平均值；基床系数、渗透系数为建议值；直剪（固快、快剪）、三轴（UU）、三轴（CU）为标准值。5.3 计算分析及主要步骤基坑分区、分层开挖、支护。下一道水平支撑在上层开挖结束后进行，在水平支撑前，桩基支护已发生变位；在上一道钢筋混凝土水平支撑强度达到设计要求后进行下一开挖工序。上、下层水平支撑结构与桩位移协同，共同承担土体侧向压力。因此，整个开挖过程是系统应力、应变连续、承接23、的过程。地下水位的变动会起起地面沉降和建筑设施的变位；基坑及周围土体变形模量较小，层厚深，容易引起变形，大大加大了变形控制难度。系统作用主要包括车站建筑的地下孔隙水压力、围护体外侧的主动侧向土压力、围护体内侧的被动土压力、围护体的弹性抗力、支撑的水平力、立柱的竖向摩擦力以及它们在变位过程中的动态分配。事实上，围护体、防渗帷幕、加固的被动土体、水平支撑和竖向支撑相互作用、相互影响，其应力、应变是一个高次超静定的、系统的空间变化过程。围护系统和基坑周围土体形成了非常复杂的空间力学系统，围护效果不仅与基坑本身的几何尺度有关，还与地下水位、地质层物理特性、支护系统的刚度和强度有关；土本构的非线性和围护24、结构变位的非线性，使得系统呈更复杂的非线性，设计和计算难度大。而对地铁站的变位变形控制和内力增力控制是本基坑围护的关键，也是难点！现利用有限元数值理论和方法，结合计算技术和图形技术，建立地铁轨道主体结构、地基、基坑、围护体、水平支撑和竖向支撑的有限元模型，计算基坑开挖、支护和回拆等对附近地铁站主体结构的内力和变位影响。基坑开挖，改变了原始土基的空间结构和应力状态，甚至地下水位置变化。这种改变，会引起地铁站主体结构的内力变化和变位。围护结构通过对基坑界面土体的约束来控制土体和地铁主体结构的变位。因此，要研究地铁结构的变位，必须研究地基土体的应力状态的变化。土体、地铁主体结构、围护结构都受到重力场25、作用。由于重力场作用，土体处于自然固结状态，具有初始应力。在地质层一定的情况下，初始应力的大小随埋深线性分布，比例常数为重力加速度。在地铁主体结构下的土体受到结构底板的压力，具体附加应力，呈超固结状态，其应力状态不再随埋深线性分布，应力由建筑结构面向地基非线性扩散。地下连续墙附近的土体由于受到主、被动土压力作用，其应力状态也十分复杂。首先应计算地铁结构及周围土体进行初始应力，围护结构施工前，应对地铁结构及周围土体进行应力初始化。这是地铁变位分析的前提，是成功计算的关健，也是计算难点。然而，因为土体本身分层，物理特性在空间上变化多样；受建筑物的影响，土体不连续；土体固结程度不一，应力状态复杂；而26、且建筑物与土体的弹性模量有巨大差异，给消除建筑物、桩与土体的相对沉降差带来了很大难度。所以，要精确求解地铁结构和周围土体的初始应力是一项艰巨而复杂的工作，却又必不可少。根据基坑围护设计方案，地铁轨道主体结构、地基、基坑、围护体、水平支撑和竖向支撑形成一个连续承接、空间联动的力学系统，因此，数值计算应能真实有效的反映这些特征。根据设计的围护方案和施工工序，拟计算的主要步骤如下：资料收集、分析模型规划及建立（3D模型）重力场初始化（t=0） 现况分析（连续墙、打桩、土体加固桩等后的平衡态）（t=1）基坑第一序开挖，计算模型内力和变位（t=2）加载第一序支撑，进行第二序开挖，计算模型内力和变位（t=27、3）加载第二序支撑，进行第三序开挖，计算模型内力和变位（t=4）加载第三序支撑，进行第四序开挖，计算模型内力和变位（t=5）加载第四序支撑，进行第五序开挖，计算模型内力和变位（t=6）进行第六序开挖，计算模型内力和变位（t=7）灌注底板，核心圆筒开挖，计算模型内力和变位（t=8）回拆第四序支撑，计算模型内力和变位（t=9）回拆第三序支撑，计算模型内力和变位（t=10）回拆第二序支撑，计算模型内力和变位（t=11）回拆第一序支撑，计算模型内力和变位（t=12）成果分析与总结5.4 计算模型及参数5.4.1 计算软件的选取计算由著名的大型通用数值仿真平台Adina等完成，前、后处理由HyperMe28、sh和自编程序辅助完成。ADINA在计算岩土变形和稳定性方面具有很强优势，主要体现在岩土材料模式丰富；提供多种地质断层、节理裂隙处理方法；具有锚杆、抗滑桩等杆单元算法；多孔介质特性耦合各种非线性岩土模型进行渗流、固结沉降、以及渗流/结构/温度场耦合分析；ADINA的材料模型可模拟岩土材料的非线性、岩土材料随时间变化的性能、考虑岩土中由于静水压力和结构变形引起的孔隙水压力的变化。ADINA提供多种岩土材料模型，包括Drucker-Prager材料模型、Cam-clay材料模型、Mohr-coulomb材料模型、曲线描述的地质材料模型、Duncan-Zhang模型以及参数随时间变化的模型。Druc29、ker-Prager材料模型是理想弹塑性材料模型，具有理想塑性DruckerPrager屈服性能和Cap硬化性能；Cam-clay材料模型主要用来模拟黏土材料在正常固结和超固结情况下的应变硬化和软化、模拟静水压力和弹性体积应变的非线性关系、模拟理想塑性材料的极限状态；Mohr-coulomb材料模型是理想弹塑性材料模型。另外ADINA提供一种曲线描述的地质材料，这种材料模型允许用户自己定义模拟地质材料（包括岩土材料），材料曲线用分段线性的方式给出了加载和卸载两种不同状态下的体积模量、剪切模量与体积应变的关系，可以模拟材料的弹塑性流动、裂纹等现象。除此之外，ADINA还提供专业的岩土徐变材料模式30、Lubby2模式；用于土体多孔介质属性模拟的多孔介质材料（Porous）。 由于地质条件的复杂性，有限元分析时岩土中节理、裂隙、断层等结构的处理在分析中极为重要。ADINA中提供如非线性间隙单元（Nonlinear Gap Element）和由用户输入单元刚度（质量、阻尼）特性的通用单元(General 2D/3D Solid Element)以及不同的接触摩擦算法（各种变摩擦模型）对地质中的节理、裂隙、断层进行模拟。对于边坡稳定性分析中的抗滑桩、锚杆、土钉、钢筋混凝土结构中的加强钢筋等结构模型，ADINA专门提供了Rebar单元。Rebar单元的优点之一是不需要用户划分单元，而是由AUI前处31、理自动生成单元，同时使用者可以方便指定不同的Rebar Line的截面特性，并定义其预应力特性以及与应力损失，这对于模拟复杂的锚固系统、钢筋混凝土预应力系统是非常重要的。在地下空间的施工过程中，岩土材料开挖过程和支护、锚固结构的施加需要使用到单元的生死功能（Element Birth/Death）。为了与工程实际相符，ADINA的单元死亡功能（Death）对单元（材料）刚度的处理与其它软件不同，其刚度的变化不是瞬间完成，而是在用户指定的一个时间段从真实刚度降低到零，这是ADINA能够非常成功地模拟极为复杂施工工序真正原因。同时ADINA提供各种方法，让用户方便处理如初始地应力等具体问题。岩土地32、质中常常采用到各种基于应力波传播的地质探测的技术。ADINA提供两种时间积分格式求解瞬态的应力波传播问题，即经典的隐式时间积分（Newmark方法和Wilson方法）和显式时间积分（Central Difference）方法。在应力波传播问题中，一般要选择ADINA提供的显式时间积分方法，由于其积分步长小，对此类问题分析具有更高的精度和效率。ADINA在岩土工程中主要有如下应用： 深大基坑开挖问题 各种隧道（洞）开挖施工问题 新奥法开发过程模拟 各种地下空间结构动力抗震分析 各种土体固结问题 边坡及锚固问题 岩土中的地应力波传播问题 冻土施工 渗流/结构/温度场耦合分析问题5.4.2 本构关系33、及参数工程涉及的建材有钢、钢筋混凝土及基础各土层。5.4.2.1 土层本构关系及参数地基各土层采用Mohr-Coulomb模型。各土层参数根据本工程的地质勘察报告中的土工试验取值，其中C、值取固结快剪试验指标。地质土层的主要物理参数见表5-2。表 52 各土层主要物理特性表序号土层层号容重（kN/m3）固结快剪E100-200（MPa）C （kPa）（o）11-118.715105.524-118.721.5145.5434-218.819.416.15.9245-118.7029.911.5155-218.5032.212.226618.515.819.24.9878-119.443.81634、.47.5388-218.821.819.26.859918.96.328.48.481010-118.921.719.56.17注：重度为平均值；固结快剪为标准值。5.4.2.2 钢和混凝土本构关系及参数钢和混凝土本构关系采用整体式的理想弹性模型，表达式：。有关钢和混凝土物理参数参照规范取值，见表5-3。表 53 混凝土和钢筋的主要物理特性材料弹性模量E（GPa）泊松比密度（kg/m3）C2025.50.1692400C2528.00.1692400C3030.00.1692400C3531.50.1692400钢2000.37830钢筋混凝土的含筋量按照实际配筋情况计算后确定。5.5 有限35、元模型及边界条件基坑平面布置和围护的水平支撑布置不对称，是非对称的三维空间力系，这种空间分布使得结构并不满足平面应变假设；立柱会约束基坑土体变位，而立柱的非对称的离散布置使得基坑底部土体应力应变状态呈空间状态。为了体现这些空间特征，确保计算精度，应采用三维计算模型。显然，这相对平面问题，难度和工作量会成倍增加。建模时，需要选取适当的计算范围，以保证计算的精度的同时，又要兼顾计算的经济性。根据车站结构及基坑围护结构的布置特点，选取相对独立的、边界明确的结构段进行分析。基坑围护结构整体呈“L”形，计算模型在基坑侧的边界基本上与基坑中心线重合，也呈“L”形。模型沿地铁轨道轴线方向长251m，宽14536、m。模型顶面为道路，相对高程为0.0m，底高程为-50m。建模范围及工程平面区位见图5-2。图 52 模型边界示意图按设计图1：1进行几何模型建模，反应结构几何特征。网格疏密基本体现结构应力变化梯度。对土体（包括加固区土体）、地下连续墙、基坑连续墙围护体采用5面体或6面体三维网格；地铁主体结构采用二维网络；支撑梁和主柱采用一维网格。混凝土结构网络边长在0.31.5m，土体结构在0.53.0m。模型有37万个节点，36万个单元，建模由Hypermesh完成。对土体、水泥加固土体、混凝土连续墙采用常应力体单元，地铁主体结构采用壳单位，支撑及立柱采用梁单元。各结构的连接和作用反应设计要求。模型边界（37、四周和底面）法向约束，水平支撑结构的截断处设切向位移和转动约束。支撑回拆时，用水平位移约束替代已建的地下建筑楼面处的换撑。建立的“地铁-基坑-围护”计算模型如下图：图 53 地铁站-基坑-围护3D几何模型视图1图 54 地铁站-基坑-围护3D几何模型视图2图 55 地铁站-基坑分区开挖-分段围护3D网格模型（开挖前，t=1）图 56 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D网格模型（开挖前，t=8）图 57 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（完成水泥土加固和立柱灌注，t=1）图 58 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（t=2）图 59 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（t=3）图 510 38、地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（t=4）图 511 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（t=5）图 512 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（t=6）图 513 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（t=7）图 514 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（回拆，t=8）图 515 地铁-基坑分区开挖-分段围护3D模型（回拆，t=12）5.6 计算成果及分析由计算成果可以看到：基坑开挖、围护等过程中，基坑周边及底部土体地应力释放，地应力重新分布，同时基坑底部土层上隆，支护受到水平挤压力，地铁主体建筑结构的位移和内力发生了变化。变位和内力变化详见下表。表 54 地铁站主体结构变位成果39、序号部位变位量（mm）极值的位置最大允许值（mm）是否满足要求1最大水平方向（Y向）5.2顶板（远离基坑）10是2-3.1底板（相向基坑）10是3最大竖向方向（Z向）2.8远基坑侧墙（向上）10是4-1.0近基坑侧墙（向下）10是表 55 基坑围护连续墙的变位成果序号部 位变位量（mm）位 置1最大水平方向（X向）13东侧连续墙底部-18西侧连续墙底部2最大水平方向（Y向）7北侧连续墙顶部-18北侧连续墙底部基坑内土体隆起发生在基坑开挖的整个过程中，开挖结束时，地面最大沉降为8.3mm，位于基坑东边界中点的外侧；基坑内土体隆起的最大高度为55mm，发生在基坑核心筒中央。由于设计的基坑底为平面，40、所隆起的这部分土体在开挖时会被挖掉。表 56基坑开挖、支护前、后地铁主体结构的弯矩（单位：kN.m）序号部 位开挖、支护前(T=0)开挖、支护后(T=8)增量1底 板607658512侧墙（远基坑）607656493侧墙（近基坑）606655494顶 板68372340表 57基坑开挖、支护前后地铁主体结构的剪力（单位：kN）序号部 位开挖、支护前(T=0)开挖、支护后(T=8)增量1底 板498537392侧墙（远基坑）121131103侧墙（近基坑）121131104顶 板40143534表 58基坑开挖、支护前后地铁主体结构的轴力（单位：kN） 序号部 位开挖、支护前(T=0)开挖、支护41、后(T=8)增量1底 板380429492侧墙（远基坑）499520213侧墙（近基坑）499532334顶 板21124433图 516 整体水平变位云图（X向，t=8）图 517 整体水平变位云图（Y向，t=8）图 518 整体水平变位云图2（Y向，t=8）图 519 整体水平变位云图3（Y向，t=8）图 520 整体坚向变位云图（Z向，t=8）图 521 基坑围护连续墙水平变位云图（X向，t=8）图 522 基坑围护连续墙水平变位云图（Y向，t=8）图 523 基坑支撑水平变位云图（X向，t=8）图 524 基坑支撑水平变位云图（Y向，t=8）图 525 核心筒支护桩水平变位云图（X向，42、t=8）图 526 核心筒支护桩水平变位云图（Y向，t=8）图 527 地铁站主体结构水平变位云图（Y向，t=8）图 528 地铁站主体结构竖向变位云图（Z向，t=8）图 529 整体水平变位云图（X向，t=12）图 530 整体水平变位云图（Y向，t=12）图 531 地铁站主体结构水平变位云图（Y向，t=12）图 532 地铁站主体结构竖向变位云图（Z向，t=12）5.7 结论本报告就基坑围护的设计方案，建立了“地铁-基坑-围护”3D模型，充分考虑了土与围护、土与地铁主体结构的空间作用，计算了基坑分区、分层开挖，分序支护引起的地面沉降及轨道的变位和内力。从报告的计算成果看，基坑施工过程中，43、引起轨道交通1号线主体结构最大竖向位移为2.8mm，最大水平位移量为5.2mm，均小于控制值10mm；地铁主体结构的内力的控制性参数均在结构强度安全承载范围之内；地面最大沉降量为8.3mm（位于基坑东边界中点的外侧），也不大于按0.20H(一级)计算的阀值为45mm。所以，本基坑设计方案可以满足设计的控制要求。上述计算分析结果表明，在正常施工条件下，按设计工况，基坑自身变形可以满足一级基坑的变形控制等级要求，同时基坑开挖导致的地铁站主体结构的变形和内力增加均在结构安全和正常使用要求的范围内。6 基坑施工风险及对工程的施工要求 6.1 对影响风险因素的分析识别6.1.1 基坑施工对地铁结构安全的44、影响基坑施工对地铁结构安全的影响主要表现在以下两个方面：1）基坑施工对地铁结构的运营功能的影响基坑施工导致地铁车站变形较大，超出运营限界要求、导致轨道与道床的脱开、地铁次生变形超过轨道扣件的调整量及接触网的可调整量等危及地铁列车运行安全。2）基坑施工对地铁结构安全的影响基坑施工导致地铁结构变形过大，造成的地铁结构变形缝、诱导缝止水带损坏，导致渗漏，影响车站使用。同时地铁车站变形引起的次生内力增量导致的车站结构裂缝产生，同样会造成车站渗漏，影响车站使用，造成地铁结构使用寿命的降低，影响车站使用的耐久性。6.1.2 基坑施工对地铁结构安全影响的危险因素分析1）围护结构的施工质量风险钢筋混凝土支护桩45、桩体强度严重不足，缩颈，甚至断桩，造成支护桩大变形，酿成基坑事故；钢筋混凝土支护桩纵向钢筋布错，导致抗弯强度不足，施工时候钢筋数量偷工减料，造成强度降低，引起支护桩体折断；钻孔灌注桩施工过程中桩位与垂直度不符合设计要求，桩与桩之间的间距过大，导致止水帷幕开裂在基坑开挖过程中涌水、涌砂。钢筋笼起吊过程中的安全风险等等。2）支撑体系施工质量风险支撑锚固体系的施工失误也会引起工程事故，如井字形支撑长度长，且其交叉点的连接强度不足，造成支撑平面失稳或扭曲；支撑体系中中间立柱由于轴心偏差过大，造成偏心受压，导致中间柱失稳最终使整体支撑体系失稳破坏；各支撑杆件位置精度差，受力后杆件弯曲，附加弯矩超过设计值46、，造成险情；采用钢支撑时，由于部分采用旧钢管、再生钢管以及薄壁钢管，使得局部变形大，造成整体失稳。钢支撑未按要求施加预应力，或预应力偏小，造成支护桩变形过大钢管支撑中细部焊缝质量差而造成连接失稳。在钢筋混凝土支撑中，因混凝土施工质量差而造成杆件被压坏，存在围檩压坏、扭曲、断裂风险；存在立柱及其支撑连接处破坏的风险等等。3）地下水处理体系施工质量风险地下水处理体系施工中施工质量差、止水帷幕失效而造成相邻建筑物开裂、倾斜，相邻道路开裂、塌陷，基坑水满为患，坑壁坍塌。4）土石方施工风险（1）基坑超挖是施工单位常见的通病，主要由于施工单位追赶进度、或麻痹大意造成的基坑超挖，开挖中支撑结构的安装未遵守先47、撑后挖的原则，而是先挖后撑，或为了施工方便，挖土至一定深度未及时加撑，导致支护结构产生大变形，甚至局部塌方或整体失稳。另外，软土地层中，基坑开挖时纵向土坡失稳是一种发生较多、且极易造成人身伤害的风险，基坑没有分区、分层开挖，开挖高差太大改变原有土体的平衡状态，土的抗剪强度降低，产生较大的水平位移，造成基坑滑坡。另外，在支撑体系的拆除过程中应注意采取换撑措施，如设挡木，临时支撑等，若支撑拆除后土压力没有换撑分组，会导致支护桩发生较大变形，甚至失稳破坏。（2）深基坑施工中必须考虑时空效应。在施工中要做到在软土基坑的开挖中，适当减少每步开挖土方的空问尺寸，并减少每步开挖后无支撑的基坑挡墙暴露时间。基48、坑开挖完后，坑底暴露时间过长也会导致事故。因为，基坑开挖后，地基卸载，土体自重应力减小，土体的弹性效应将使坑底产生一定的回弹变形(隆起)。如果坑底暴露时间过长，加之基坑积水，使得粘性土吸水膨胀，回弹变形更大，可能会引起支撑体系的失稳。如基坑暴露时间过长，未进行垫层的施工，将导致设计中以混凝土垫层为一道支撑的设计方案未及时实施，支撑结构产生过大的变形，发生基坑事故。5）施工管理以及安全意识风险（1）施工中随意更改设计方案，盲目施工。如施工中随意更改支护桩的长度、减小支护桩的嵌入深度，对事故桩不做处理，导致工程事故。支撑施工中，随意更改支撑间距、支撑材料、减小断面尺寸，导致支撑失稳变形和支撑体系整49、体失稳。还有工程施工中随意更改止水帷幕的设计，造成支护结构的渗漏，水土流失，建筑物倾斜和地面沉陷开裂。（2）施工管理混乱，安全意识淡薄。如施工期间在基坑边缘附近搭设办公室、仓库、材料库、维修间甚至民工宿舍等工棚，对基坑支护结构产生很大的附加压力，使其发生较大变形，容易出现滑坡或倒塌。施工单位一面从基坑排水，一面又将生活用水及大量的施工废水无意识地倾倒在基坑边缘，造成支护结构主动土压力大幅度增加，引起支护结构大变形。施工单位为了方便出土，随意修改设计或破坏支护结构，在基坑边开口或接斜坡的车道，使已封闭的支护结构遭到破坏当遇暴雨时，大量地表水和地下水夹带泥砂通过豁口流入基坑，促使基坑壁出现位移和下50、滑的险情。相邻基坑施工，一方基坑开挖、另一方基坑打桩，打桩产生的超孔隙水压力，造成严重的挤土作用，使相邻基坑的支护桩和工程桩严重位移同一个基坑工程，但基坑开挖、支护桩施工、支撑施工各为一施工队，相互配合不好，导致严重超挖、锚撑跟不上，使支护结构大变形，甚至破坏，基坑滑移。（3）深基坑工程施工中各工种、工序之间协调和保护不周。基坑开挖施工时，挖土机往往停在支护结构附近，反铲运土、堆土或在基坑浇注混凝土时，混凝土搅拌车与泵车离支护结构太近，或在边坡顶堆放材料过多，均会使支护结构承受较大的动静荷载，当超出设计安全储备时便发生过大变形。土方开挖过程中，挖土机械随意碰撞支撑系统、锚固系统及支护结构，造成51、支锚体系和支护结构之间的连接处破坏，产生事故隐患。基坑开挖到设计标高后，清底措施不力，发生事故施工期间，对附近水管保护不力，使得水管渗漏，冲走桩间土，并使基坑周围土体大量进水，支护结构荷载大增，造成支护结构变形，发生深基坑事故。6）周围环境风险周边同期基坑施工失稳而导致的本基坑连锁反应风险。由于地下管线损坏、变形、开裂、导致的基坑风险。如由于乱挖乱填；乱堆乱弃；导致管线破损，造成异常涌水，易引起侧壁塌陷。周边作业环境改变造成排水不畅，灌淹基坑，基坑水满为患，坑壁坍塌。7）施工环境保护管理风险施工过程中应妥善处理开挖出的弃土，禁止在基坑顶部堆放弃土及其他附加荷载，以免造成边坡失稳或其他事故；大楼52、深基坑施工过程中临时交通道路的各项安全防护不当时，存在安全隐患。施工期间临时交通标志、标线的设置不当。运输车辆的运行及场地各区不设安全标志或设置不当，都存在着不安全因素；施工作业带边界不清，无栅栏挡板，保安灯、闪光等易造成车辆乱行，非施工人员进入现场影响施工现场混乱，遭受破坏。6.2 基坑工程对施工的要求1、施工单位应对271地块基坑施工期间的对地铁结构工程存在的危险有害因素有充分的认识，其风险包含但不限于上述分析。并应制定详尽的应急预案，严格施工管理。2、施工时，需要确定合理的施工方案，严格控制施工工艺，提高施工质量，有效利用时空效应的规律，尽可能缩短围护结构无支撑暴露时间、宽度和深度等，严53、格控制挖土出土的时限要求，把由于近接基坑开挖带来的影响降到最低。3、271地块基坑深度与地铁星海街站的埋深相当，基坑围护结构与地铁设施的净距离为9.2m，处于基坑的影响范围内，对既有地铁设施造成影响是必然的。但这种影响的大小与基坑深度、开挖空间大小、开挖施工组织（特别是开挖布序、开挖时间及开挖方量，及时浇筑支撑等）、基坑周边堆载、基坑降水、止水效果及措施众多因素密切相关。因此，271地块基坑需要确定合理的施工方案和应急措施。4、应加强基坑工程的质量检测，严格控制施工参数，完善施工工艺，以确保钻孔灌注桩、三轴搅拌桩止水帷幕、旋喷桩成孔质量，如可在钻孔灌注桩中掺入一定量膨闰土等。由于地层土的粉性比54、较重，支护结构如果发生渗漏将对基坑和周边环境造成不利影响，因此在基坑开挖阶段一旦发生管涌冒砂等现象应及时采取应急措施控制水土流失。5、应在现场预备抢险物质、设备、人员，确保每天24小时能快速及时处理各类基坑施工险情，抢险物质、设备等须经过现场监理验收确认，满足抢险施工要求后方能开展正常施工作业。6、施工前须进一步探明周边管线（含改移后的管线）和构筑物基础的坐标、埋深及材质，并与权属单位落实保护方案。围护结构施工前应首先取得管线改迁单位的设计图，确保所有管线已迁改出基坑范围。在地下管线深度影响范围内开挖土体时小心谨慎和加强防护，如发现问题应及时提出，以便妥善处理。对于基坑内、外的废弃管线需采取挖55、除、封堵等处理措施，以免影响基坑施工。对于基坑附近的重要管线，如煤气管、供水管等，需采取直接法进行布点，以监测其位移和沉降。7、对基坑与地铁之间的地面重型车辆进行限制。8、降压降水必须设双电源，降水中途不得中断电源，中止降水。开挖前进行电源切换试验，确保电源供应的可靠性，保证在紧急停电情况下10分钟内电源到位。9、考虑到苏州本地雨水较多，基坑周边多为硬化路面，基坑周围上部应做好排水工作，防止雨水流入基坑，基坑顶部设置截水沟，地表裂缝处应予封堵，并注意排走地势低凹处的集水，防止地表水流入基坑内和冲刷基坑内土体边坡，基坑内设置排水沟，及时排除渗水。10、混凝土支撑及栈桥的拆除应采用人工拆除。11、56、下一步施工组织设计中应严格落实设计工况，并考虑时空效应的影响，减少基坑施工引起的地铁结构位移和地面变形。12、基坑施工过程中应做好施工监测，坚持信息化施工，及时准确的对监测数据进行处理并根据监测结果及时调整开挖施工参数，把施工风险降至最低。7 控制目标的确定及对271地块基坑工程的建议7.1 围护结构位移控制目标的确定7.1.1 地铁安全保护区及保护指标地铁周围设置安全保护区，安全保护区的范围为地下车站外边线外侧50米内；在此范围内进行建（构）筑物或地下工程施工作业，其方案应送报相关部门进行技术审查，并采取相应的安全防护措施。地铁工程(外边线)两侧的邻近5m范围内不能进行任何工程活动。在临近地57、铁施工作业影响下，需对地铁结构设施进行安全评估与监控，重点控制地铁变形。邻近施工引起的地铁结构沉降量及水平位移量20mm，包括各种加载和卸载的最终位移量；在271地块基坑施工期间，引起的地铁结构沉降量及水平位移量10mm。由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载20kPa。由于打桩振动、爆炸产生的震动隧道引起的峰值速度2.5cm/s。7.1.2 监测目标的确定施工监测是保证基坑安全、控制地面沉降，确保沿线建(构)筑物和地下设施正常使用的必要条件。凭借监测数据可对施工中将要出现的问题通过改进各项施工参数来解决。（1）基坑围护结构变形监测：在基坑钻孔灌58、注桩钢筋笼中绑扎测斜管。（2）地表沉降监测布点地表沉降监测网，既在现场布置平行于车站的轴线的沉降监测点和垂直于车站轴线的沉降监测点。平行于车站轴线的监测点一般情况每30m布设一点，垂直于隧道轴线的沉降根据地表情况布置，建议本区段设计4段监测断面。（3）基坑隆起监测（4）地下水位观测（5）地铁车站变形监测地铁车站变形监测应包括以下内容：车站最终绝对沉降量（或隆起量）及水平位移量，车站日沉降量（或隆起量）和水平位移量，纵向变形曲线，车站结构缝的张开量。当监测值超过变形控制指标允许值的1/2时立即报相关单位，采取必要措施进行保护。（6）加强各基坑及地铁车站变形监测的联动，实现各方信息及时共享，使各方59、能够及时采取措施，平时加强基坑巡视，保证基坑及地铁车站的安全。7.2 对271地块基坑工程的建议1、基坑工程风险性较高，以上综合基坑施工期间的风险影响，对地铁结构工程存在的危险有害因素，希望通过建设单位坚强对施工队伍或监理单位管理进行有效控制和防止，工程建设期间的安全风险评估及施工安全管理工作需要建设单位按有关程序组织施工技术方案评审解决。同时上述对施工单位的要求，应包含不限于上述要求，建议由有经验、较强实力、管理完善和良好口碑的施工单位来施工。2、将原临近地铁站一侧的A8501200搅拌桩止水帷幕改为双排A8501200三轴搅拌桩止水帷幕，以确保地铁侧止水帷幕的效果，减少漏水漏砂的可能。3、60、围护桩与三轴搅拌桩加固体之间间隙采用旋喷桩加固，并补充明确止水帷幕、钻孔灌注桩、地基加固及围护桩与加固体之间旋喷桩加固的施工顺序。4、由于基地多位于层粉质粘土，根据本地工程实践经验，降水后，土体性能提高比较多，建议适当降低坑底降水深度，以加固土体。5、围护设计单位应明确降压井运行时间，按需降水。6、考虑到降承压水影响范围较大，建议比选坑中坑隔断承压水的方案；以减少降承压水对影响范围内更为薄弱的地铁隧道结构的影响。7、建议地铁结构与围护结构之间应增设不少于4口水位观测井，并在开挖前进行预降水试验，验证止水帷幕的有效性。进一步细化基坑降水设计方案。坑内疏干降水必须待形成封闭的止水帷幕后方可进行，承61、压水降水施工应按“时按需降”降水，通过坑外设置的水位监测孔监测墙体内降水对墙外水位的影响，防止因坑内降水导致坑外地基土以及地铁结构的沉降。8、围护设计单位应明确要求降水施工在加固施工之后实施。9、降水、加固等都属于施工扰动，由于施工本身造成了土体的变形和强度降低，严重的造成水土流失等。对于粉性土体，成孔的难度比较大，侧壁容易坍塌，成槽稳定性差，容易导致土体较大变形，不仅影响桩的施工质量，而且导致周边土体的侧向变形加大。因此应严格控制围护桩施工造成的施工扰动。10、应明确栈桥的布置，方便基坑施工，减少土方开挖作业时间，制定详尽的挖土方案，分层开挖土体的应细化。11、考虑到电梯井处结构工程量，建议62、电梯井处坑中坑待周边底板结构形成强度后再行开挖、施工，以减少大基坑挖到坑底时的暴露时间，降低基坑风险。计算分析表明，坑中坑开挖后对基坑本身及地铁设施并无明显新增的影响。但仍应严格按照坑中坑的设计方案，精心组织施工方案，加强地下水位和围护结构的监测。出现紧急情况应及时采取应急保护措施。12、应明确材料运输及出土方向，重车行走应避开车站与基坑围护结构之间地面。严格按设计要求控制苏华路侧基坑外侧地面超载，特别是基坑的开挖施工期间，避免因重车行走而带来较大地面超载加大围护体的变形，应采取有效的控制措施，并应明确具体措施，并建议设置路面沉降观测点。13、围护结构和地下室之间间隙应填充密实，避免由于不密实63、导致车站结构的偏载而产生的变形。并建议换撑平面布置图，换撑板带的设置应能方便灌注桩和地下室外墙间隙的填实。14、周边同期施工基坑较多，建议方案中增加周边基坑施工风险对本基坑的安全影响的风险源相关内容。施工过程中，应协调临近基坑施工对本工程的影响，并协调尽量减少交叉施工对基坑施工的影响。15、建议靠地铁侧围护结构的最大水平位移、地面沉降报警值按计算值0.8选用，并加强信息化管理，根据检测数据及时调整设计和施工措施。地铁结构的监测与基坑工程自身的监测单位应相互通报监测数据，并及时提交给业主、设计、监理和施工单位。一旦地铁结构变形报警，应立即采取保护措施。16、本基坑围护设计方案应报轨道公司审批。本基坑工程的施工方案、监测方案等还须报轨道公司批准。