地铁车站深基坑研究方法的综述

地铁车站深基坑研究方法的综述

作者：马林 等

来源：《价值工程》2013年第12期

摘要： 伴随着我国社会经济的发展和城市化进程的发展，城市交通已经称为各大城市面临的重大问题之一。为了解决交通问题，我国的很多大城市都开始修建地铁，例如上海，北京，西安等城市，太原市也已经开始规划修建地铁。地铁车站在开挖过程中所面临的基坑开挖是一个极其复杂的力学过程，这一问题已成为广大学者研究的热点论题。车站深基坑的开挖过程是一个极其复杂的力学状态，其研究的手段也不尽相同。从理论分析的角度，对现有的车站深基坑研究方法作以归纳，分析了其各自的力学模型和计算过程，为设计和计算提供了一定的指导。

Abstract： With the development of China's social and economic development and the process of city， city traffic is known as one of the major problems facing each big city. In order to solve the traffic problems， a lot of big city of our country have started construction of the subway， such as Shanghai， Beijing， Xi'an City， Taiyuan also have begun planning the construction of subway.The excavation process of station deep foundation pit is an extremely complex mechanical state. Its

research means are not the same. The paper incorporated the research means of existing station deep foundation by theoretical analysis. Then analyzed the respective mechanical model and calculation. This provides some guidance for the design and calculation. 关键词： 深基坑；研究方法；力学模型

Key words： deep foundation pit；research means；mechanical model

中图分类号：U231+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0104-03 0 引言

伴随着我国社会经济的不断发展，近几年我国的城市化进程也在迅速的加快，城市规模的扩大给交通施加了巨大的压力，交通问题已经成为目前各大城市面临的重大问题之一，为了解决此问题，很多大城市开始修建地铁来缓解地面交通的压力，例如我国的北京上海等城市都已经有多条地铁线路，太原也在进行着修建地铁的规划工作。地铁车站在开挖过程中所面临的基坑开挖是一个极其复杂的力学过程，这一问题已成为广大学者研究的热点论题。刘红伟等[1]对上海地铁某车站深基坑土压力进行了分析，考虑了土体与支护之间的相互协调作用进行数值模拟，得到的结果与实测数据拟合度较高。艾鸿涛[2]研究了临近地铁隧道对深基坑开挖的影响，对相邻基坑开挖引起地铁隧道变形的叠加效应进行了初步讨论分析。张丙强[3]研究了内撑式支护软土基坑的力学变形特性，得出采用多层支撑能更好的控制基坑壁的水平位移和地表位移。刘峰等[4]将等值梁法应用于基坑支护设计中，得出在设计中锚杆拉力的计算可采用整体等值梁法或分段等值梁法的结论。徐伟等[5]研究了某特殊平面形状深基坑围护结构对土层

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

参数的敏感程度，通过计算结果与实测数据进行对比，为合理进行参数选取提供依据。巩玉霞等[6]研究了隧道初期支护变形特性空间效应，并对支护结构尺寸进行了优化。

综上不难看出以往的研究都是从具体的工程角度出发，分析了实际问题对地铁车站开挖的影响，理论方面的研究很少有涉及。因此本文从理论分析的角度对现有的地铁车站深基坑研究方法作以综述。 1 等值梁法

在当桩的入土深度较大时，桩体的上端收到支撑（拉锚）的支撑作用，下端收到土体的嵌固作用，如图1（单锚情形）所示：

ac梁在b点为铰支点，c点为固定端，d点为弯矩图中的零点即扰曲线的反弯点。若将ac梁自d点断开，并在d点设自由支撑而形成ad梁，则ad梁的弯矩在同样分布的荷载作用下保持不变。即ad梁为ac梁上ad段的等值梁。这样可以吧桩体分为两段假想梁，上部为简支梁，下部为超静定梁，即可通过计算得到桩身内力。

应用等值梁法进行计算，首先应确定反弯点（正负弯矩等于零）的位置，由于地面下土压力等于零的位置与弯矩为零的位置很接近，计算时通常用土压力为零的点代替反弯点的位置。 等值梁法的计算步骤为：

①计算作用于桩身上的土压力强度，并绘出土压力分布图，如图2所示。

②计算反弯点位置，并计算其离挖土面的距离y。在y处桩身主动土压力等于被动土压力，即： cv=■（1） y=■（2）

式中：γ为重度（kN/m3）；c为凝聚力（kPa）；Ka为朗肯主动土压力系数；Kp为朗肯被动土压力系数。

③按简支梁计算等值梁的最大弯矩Mmax和两个支点的反力TA和P0。 ④计算桩体的最小入土深度t0： t0=y+x（3）

x可以根据P0和桩前被动土压力对桩底端的力矩相等的原理求得，即：

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

P0x=■γ（Kp-Ka）x3（4） x=■（5） 即：t0=y+■

桩体下端的实际埋深应位于x以下，所以桩体的入土深度为： t=Kt0（6）

式中：K为经验系数，一般取1.1～1.2。

对于多支点桩（多锚情形），在应用等值梁法进行设计计算时，其基本原理及计算步骤与单支点的等值梁法相似，不同点在于多支点的等值梁法及反弯点以上的上段梁为多跨连续梁，在求解桩身弯矩和支座反力时应按连续梁进行分析，可以应用结构力学的方法进行求解，至于求解桩身入土深度同样可利用单支点的等值梁法计算步骤进行。 2 山肩邦男法

山肩邦男法主要是在进行施工的时候考虑了逐层开挖和逐层设置，并且这种方法假设了定土压力是已知的，并根据其他的一些实际的测量数据，和一些其他的假定。通常假定：①下道横撑支点以上的地下连续墙的弯矩不改变；②在地下横撑设置后，上道横撑的轴力是不变的；③地下连续墙背侧主动土压力在开挖面以上为三角形，在开挖面以下取为矩形；④开挖面以下土体横向抵抗反力作用范围可分为高度为l的被动土压力塑性区及被动抗力与墙体变位值成正比的弹性区；⑤假设在粘土层的地下的连续墙是无线长弹性体；⑥山肩邦男法的计算简图如图3所示。

山肩邦男法近似解法只需应用两个静力平衡方程式，即作用于地下连续墙的墙前墙后所有水平作用合力为零和所有水平作用力对地下连续墙底自由端合力矩为零。由ΣY=0得： Nk=■ηh■■+ηh■χ■-■Ni-ζχm-■ζχ■■（7） 由ΣMA=0和（7）式的关系可得：

■ζχ■■-■（ηh■-ζ-ζhkk）χ■■-（ηh■-ζ）hkkχm-[■Nihik-hkk■Ni+■ηh■■（hkk-■h■）]=0（8） 式中：Ni——第i道支撑的轴力；hk——第i道支撑到基坑底面的距离；η——主动土压力系数；ξχ+ζ——基坑底面下χ处被动土压力减静止土压力后的净土压力值。 3 弹塑性法

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

在图5（a）中H是开挖深度，L是嵌固深度，直径d（或者挡土墙计算宽度）的围护结构，受分布荷载q（F/L）作用。在图5（b）中用一桩顶弯矩和弹簧描述，在顶端圈梁对围护结构有一定的平移以及转动的约束。理想的弹塑性弹簧是由坑面上的内支撑或者锚固结构简化成的，其中，弹性（线性弹簧）是由支撑刚度Kb（FL-2）来描述的，塑性（物理滑块）是由极限荷载Pbu（FL-1）来描述的。在整个支撑体系中，Kb应当按照基坑的维护规范或者有限元法的规定来确定：在不考虑结构失稳条件下，假定Pbu无穷大。对于锚固结构，Kb和Pbu可由拉拔试验或理论模型确定。

图5（b）所示的荷载传递模型对坑面下的围护结构和土体之间的相互作用进行了描述：在每一个深度，线性弹簧和塑性滑块组成了荷载传递的模型。弹簧刚度为地基反力模量k（FL-2），而滑块提供单位长度土体极限抗力Pu（FL-1）。相应的荷载传递曲线（或p-y曲线，其中p为土体抗力，y为变形）如图5（c）中A线所示，称为理想弹塑性p-y曲线模型。在地面下某深度处，当围护结构变形小于土体屈服位移yu=Pu/k时，土体处于弹性状态；当围护结构的变形大于yu时，土体达到塑性状态，土体抗力等于极限抗力Pu。土体塑性区一般从地面处开始，在某级荷载水平下，可能发展到一定的深度，称为塑性滑移深度xp。因此，在xp深度内，土体抗力全部达到了极限抗力。在xp深度下，土体仍处于弹性状态。 4 结语

随着城市交通大发展，地铁车站应运而生。由于其力学性质极为复杂，因此众多学者对此也开展了大量的研究工作。本文从理论分析的角度，总结了现有的对于地铁车站的常用力学方法，分析了其各自的力学模型，对设计和计算起到一定的指导作用。 参考文献：

[1]刘红伟，聂宗泉，胡成，任如祥.上海地铁某车站深基坑土压力实例分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2007，30（3）：301-304.

[2]艾鸿涛.临近地铁隧道的深基坑开挖分析[D].同济大学，2008，3.

[3]张丙强.内撑式支护软土基坑有限元分析[J].地基基础工程，2006，9（3）：49-51. [4]刘峰，江巍.基坑支护设计中等值梁法的应用[J].施工技术，2006，35（2）：47-48. [5]徐伟，李靖祺，段朝静.某特殊平面形状深基坑围护结构对土层参数敏感性分析[J].岩土工程学报，2010，32（Supp1）：173-176.

[6]巩玉霞，孙志杰.隧道初期支护变形特性空间效应分析及结构尺寸优化[J].山西交通科技，2012，3：41-44.