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1、研究生学位论文复杂环境下大型多梯度深基坑安全施工技术研究研究生姓名 指导教师姓名 申请学位级别 专业名称 论文答辩日期 学位授予日期中国海洋大学谨以此论文献给所有关心我的人-学生姓名复杂环境下大型多梯度深基坑安全施工技术研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独 创 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 （注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡
2、献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 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，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 导师签字：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日复杂环境下大型多梯
3、度深基坑安全施工技术研究摘 要近年来，由于城市建设和经济发展需要，地下空间开发、利用显得格外突出，城市地铁建设及大型交通枢纽工程如雨后春笋般的大批涌现，大规模、超深基坑工程屡屡出现，但同时也面临诸多工程问题，比如青岛北站工程，牵涉到青岛高铁车站、城市轨道交通1、3、8号线，规模大、地层复杂（场地为城市垃圾填埋场、并有临海沉积土层）、超深等难点。本文将以此为研究背景，针对青岛北站深基坑的难点重点，大型、复杂、普遍覆盖的生活及建筑垃圾土层、多梯度、抗隆起稳定控制，以及开挖施工过程中的安全控制等诸多问题，开展深入研究，得到的研究成果可以指导青岛地铁深基坑及大型交通枢纽基坑工程的建设，主要研究内容及成
4、果如下：1、青岛北客站垃圾土特性分析研究，对于北站垃圾土的主要组成、天然 密度重度，天然含水量、孔隙比，有机物含量、渗透性、压缩性、强度特性等进行了深入研究，为设计提供计算参数，为工程施工正常、安全进行提供了技术支持。并且对于垃圾土的本构关系和动力特性进行了总结分析，以指导北客站的勘察设计等工作。2、多梯度深基坑施工过程的数值分析，采用岩土工程专用数值计算程序，对北客站深基坑的施工过程进行了三维数值模拟计算，对多梯度深基坑的变形特性、围护结构体系受力情况进行了深入研究，计算结果应用于设计计算中，并指导施工。3、针对北客站深基坑平面形状复杂、多梯度等特点，基坑抗隆起稳定安全计算和控制存在问题，研
5、究了针对平面形状复杂和多梯度的深基坑抗隆起稳定的计算和控制研究。并应用在设计计算中。4、为确保北客站深基坑工程施工过程安全进行，特进行了施工安全风险控制技术研究，利用地下工程动态风险管理先进理念，提出了两种基于实测数据的深基坑动态风险评估技术，为动态分析施工过程中的安全状态提供了定量的方法，方便动态控制施工的安全。关键词：垃圾土；多梯度；数值模拟；抗隆起；动态风险控制 目 录1 绪论11.1 研究背景与意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究的意义61.2 复杂环境下大型多梯度深基坑安全施工研究综述111.2.1 垃圾土的特性分析111.2.2 基坑施工安全风险的识别与分析121.2.3
6、施工安全风险控制技术手段141.3 本文研究内容及创新点151.3.1 主要研究内容151.3.2 本文的创新点162 青岛北站垃圾土特性分析172.1 概述172.1.1 城市垃圾增长的严竣形势172.1.2 城市垃圾的利用与现状172.2 国内垃圾土工程性质研究状况182.2.1 国内研究简况182.2.2 垃圾土工程性质研究的试验方法192.3 垃圾土的各项特性研究192.3.1 垃圾土的主要组成192.3.2 垃圾土的天然密度、重度202.3.3 垃圾土的天然含水量202.3.4 垃圾土的天然孔隙比212.3.5 垃圾土的比重212.3.6 有机物含量212.3.7 垃圾土的渗透性21
7、2.3.8 垃圾土的压缩性232.3.9 垃圾土的强度特性342.3.10 垃圾土的本构关系372.3.11 垃圾土的动力特性372.4 小结383 基坑安全施工技术数值模拟分析393.1 引言393.2 FLAC3D简介393.2.1 FLAC3D的计算特征403.2.2 FLAC3D的求解流程413.3数值模拟需考虑的基坑工程风险内容413.4 模型的建立433.4.1 模型的区域划分433.4.2 围护结构和支护结构的模拟463.5 计算模型及参数的选取533.5.1 本构模型的选取533.5.2 土体与支护结构的接触563.5.3 计算模型的边界条件573.5.4 计算模型参数的选取5
8、83.6 计算分析成果583.6.1 施工过程中塑性区分布583.6.2 围护墙体变形593.6.3 锚索（cable）的变形613.6.4 钢支撑（beam）的变形613.6.5 桩（pile）的变形643.6.6 围护墙体的变形643.6.7 周边土体的变形653.7 小结674 大型多梯度深基坑抗隆起稳定计算方法研究694.1 引言694.2 深基坑抗隆起稳定计算方法概况694.2.1 黏土基坑抗隆起稳定性分析694.2.2 同时考虑c-的基坑抗隆起稳定分析714.2.3 基坑抗隆起稳定安全系数计算方法汇总714.3 多梯度深基坑抗隆起稳定计算方法研究764.3.1 计算思路764.3.
9、2 计算实例774.4 大型复杂形状深基坑抗隆起稳定三维计算方法研究794.4.1 大型复杂形状深基坑抗隆起稳定三维计算方法794.4.2 超深基坑抗隆起稳定三维分析计算模式804.5 小结1035 大型复杂深基坑动态风险控制研究1045.1 引言1045.2 地下工程动态风险管理研究1045.2.1 项目动态风险管理模式的提出1045.2.2 建设期间的安全及动态风险管理目标1045.2.3 工程建设期安全及动态风险管理程序1055.2.4 地下工程动态风险管理的内容1065.3 基于实测数据的深基坑动态风险评估技术研究1095.3.1 风险指标法1095.3.2 基坑安全指数法1155.4
10、 青岛北客站动态风险控制实例1245.4.1 北客站A区深基坑监测方案1245.4.2 基于实测数据的动态风险评估1295.5 小结1346 研究结论与展望1356.1 主要研究结论1356.2 研究展望137参考文献138致 谢142个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果14339绪论1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景1.1.1.1 全国大型综合交通枢纽建设现状目前国内各大城市的地铁建设形势如火如荼，城市建设的长远规划和经济迅猛发展的需求，使得火车站、汽车站与地铁换乘车站的组合日益成为各地铁建设城市的青睐，多条地铁线路汇入火车站，并配套其它衔接交通设施如周边地下停车场、汽
11、车站通道等组成一座大型综合交通枢纽，多功能化的建设模式必然导致地面以下部分的基坑工程大型化、复杂化、风险加大化。北京新铁路客运站南站是集高铁、地铁市郊铁路、公交及出租车等多种交通方式于一体的综合交通枢纽。新南站采用立体交通模型，为多层面、多方向及多种交通方式的立体交通换乘体系。进出车站车流分别可以4个层面、6个方向上与市区骨干路网衔接，地上二层为高架候车室，中央椭圆形候车大厅净高达3lm。地上一层为站台层和列车到发层地下一层为换乘大厅，地下二层为地铁4号线，地下三层为地铁14号线。同时它也是客运专线京津城际铁路的始发站。 图1-1 北京南站鸟瞰图图1-2 上海虹桥综合交通枢纽鸟瞰图上海虹桥综合
12、交通枢纽是包括航空、城际铁路、高速铁路、轨道交通、长途客运、市内公交等多种换乘方式于一体的综合枢纽，由东至西分布为西航站楼、东交通广场（含南北车库）、磁悬浮、高铁、地铁西站、西交通广场（南北车库）、西延伸、西西延伸等单体，地铁2、10、20#以及5、17线分别从地下2层、地下3层贯通整个枢纽。施工在平面、时间和空间上相互重叠、纵横交错，基坑开挖总面积高达52万平方米，基坑东西长2000m，南北最宽600m，开挖深度7.8m29m，施工难度大，地下工程量巨大，施工周期长，基坑暴露时间长。即将建成的南京铁路南站综合交通枢纽集五大交通体系于一身，将成为亚洲最大的铁路枢纽站，它是京沪高铁5大始发站之一
13、，包含铁路、地铁、公路客运、公交、轻轨5大交通体系。广州铁路新客站既是我国第一条客运专线武广客运专线的终点也是广深港客运专线和广珠城际铁路的起点。车站采用高架候车与地面站厅相结合的布局，城际铁路在地面出站层站厅，下进下出形式形成最便捷的进出站道路。地铁站厅设在地下负一层并与地下空间结合设计、建设与开发利用。 图1-3 南京南站鸟瞰图 图1-4 广州铁路新客站1.1.1.2青岛地铁建设现状在建的青岛市地铁为轨道交通一期工程3号线，二期2号线2012动工，远景规划中，轨道交通线网由8条线路（M1M8线）组成，线网总长227公里。青岛市轨道交通一期工程为在建的3号线，位于青岛城区中部的一条南北向骨干
14、路线，将青岛火车站、沿线观光带、南京路、李村、青岛北站等连接在一起。一期工程全长约25.1km，全部为地下线，设车站21座。平均站间距1159.81m。全线线共设站22座，其中明挖车站15个，暗挖车站7个，全部为地下站。3号线换乘站共6座，平均站间距1.165km。其中车站的工法如下：（1）明挖法车站采用明挖法施工的地下车站，结构型式为地下双层双跨、双层三跨、三层三跨钢筋混凝土箱形框架结构。主体结构受力体系由侧墙、立柱、梁和顶板、楼板、底板等构件组成。车站结构采用纵梁体系，为增加板刚度并改善板的受力条件，在板与墙、梁相交的节点处设置受力斜托。根据青岛市的地层特点及相关基坑工程经验，深基坑常用的
15、围护结构型式有：复合土钉墙（锚喷支护）、桩+锚杆、排桩+止水帷幕，其特点分述如下。复合土钉墙（锚喷支护）该方法是边开挖基坑，边对两侧基坑土（岩）体壁面设钢筋网，喷混凝土，通过打入式或钻孔注浆式设置土钉（或锚杆），土钉（或锚杆）通过滑裂面将坑周土（岩）体加固，约束土（岩）体变形，保持基坑稳定。该方法的优点是施工简单，不用横撑，施工空间大，开挖速度快，费用较低。喷射混凝土面板可加设纵横向的肋梁以增大刚度。在基坑不太深、岩体较稳定的情况下，可垂直开挖护壁。该方法适用于表覆土层薄、地下水量少、基岩埋深浅的基坑。桩+锚杆该法适用于表覆一定厚度土层、下伏基岩埋深较浅、地下水量少、周围无放坡条件且有变形要求
16、的基坑，一般采用150钢管桩+预应力锚杆支护体系，桩下部嵌入基岩。对变形要求严者也可采用钻孔灌注桩。排桩+止水帷幕该法是应用比较广泛的一种基坑支护型式，支护结构是钢筋混凝土桩体，一般采用钻孔灌注桩或长螺旋灌注桩，止水帷幕一般采用高压旋喷桩。其优点是：桩体刚度较大，控制基坑变形好、施工工艺较简单、桩体可以作为永久结构的一部分。该方法适用于表覆土层厚、地下水量大且不宜降水、基岩埋深深的基坑。钢支撑体系钢结构支撑除了自重轻、安装和拆除方便、施工速度快以及可以重复使用等优点外，安装后能立即发挥支撑作用，对减少由于时间效应而增加的基坑位移，是十分有效的，因此有条件的情况下优先采用钢结构支撑。但钢支撑的节
17、点构造和安装相对比较复杂，若处理不当，会由于节点的变形或节点传力的不直接而引起基坑过大的位移。由于青岛的地铁车站基坑深度普遍较深，且基坑平面均为长条形，适合采用钢支撑体系，比锚杆体系的优势体现在以下几个方面：1）可避免锚杆对止水帷幕的破坏；2）可避免基坑宽度因锚杆而扩大并回填的肥槽部分；3）可提供更大的支撑刚度，对控制桩顶位移和地面沉降有利。青岛地铁明挖车站的围护和支护系统综合以上几种结构型式的优缺点，根据实际工程情况和需要综合应用。（2）暗挖车站暗挖车站采用矿山法施工，为单拱大跨车站，结构型式为双层单拱直墙、平底板复合衬砌结构，中楼板及其梁柱体系为二次结构，与侧墙为铰接接头，在侧墙二衬设牛腿
18、承托。先期开挖的3座试验性矿山法暗挖车站，结构型式为双层单拱曲墙带仰拱复合衬砌结构。1.1.1.3 青岛北站工程背景（1）工程总体简介青岛北站综合交通枢纽设铁路青岛北站、地铁青岛北站、长途汽车站、公交车站、出租车地下停车场、社会车地下停车场等场站设施。其中，地铁3号线及8号线为东西向平行换乘的地下二层三柱四跨13m双岛四线同台换乘车站，车站规模479.7541.3m；地铁1号线为南北向地下三层双柱三跨13m岛式站台车站，并与3，8号线车站形成十字换乘，上述3条地铁线与国铁青岛北客站在地下一层换乘大厅进行换乘，形成大型交通枢纽。作为配套工程，在青岛北客站东侧设有2层市政地下车库。图1-5 青岛北
19、站与地铁北站大型交通枢纽平面分布图如图1.5所示，青岛地铁北站车站与拟建国铁青岛北站衔接组合，正是多功能化的大型交通枢纽工程的典型。图1-6 基坑各区平面示意图（2）工程地质和水文地质概况青岛北站基坑工程范围内上覆第四系全新统冲积（Q4al）、海积（Q4m）、坡残积（Q4dl+el）粉质黏土、砂层、粉土、松软土及淤泥质土，沿既有铁路、公路及房屋建筑分布有人工填筑土（Q4ml）之粉质黏土。整个场地水文地质条件较复杂，局部地带地表水及地下水对混凝土具有弱中等硫酸盐侵蚀及中等结晶性侵蚀；分布有人工杂填土、软土及松软土等特殊岩土。其中人工杂填土广泛分布于地铁施工场区内；主要由塑料碎片、混凝土块、碎砖瓦
20、等建筑垃圾及生活垃圾组成。图1-7 青岛北站垃圾土开挖（3）工程施工特点和难点a. 施工特点本文主要研究有两座交汇车站的B区，B区分为以下几个部分进行开挖：B1区：地下车库，该部分最大开挖深度约10m，开挖宽度约150m，开挖长度约260m；B2区：地铁3、8号线车站东段，该部分基坑最大开挖深度约8m（从B1区坑底起算），开挖宽度约43m，开挖长度约170m；B3区：地铁1号线车站，该部分基坑最大开挖深度约16m（从B1区坑底起算），开挖宽度约24m，开挖长度约270m；地铁3、8号线车站西段部分，其上为站房出站通道基坑及基本站房站台区域，由于站台梁柱体系施工需要较大的操作空间，因此此部分基坑
21、在具备采取表层土层放坡开挖的条件下，采用了局部土层放坡开挖+钻孔灌注桩+桩后高压旋喷桩止水帷幕+内支撑方案，采用三道支撑，其中第一道支撑采用钢筋砼支撑，其余2道采用钢管支撑。地铁1号线车站部分由于其开挖深度较大，达26m左右，因此采用了钻孔灌注桩+桩后高压旋喷桩止水帷幕+内支撑方案，采用六道支撑，其中第一道采用钢筋砼支撑，其余各道采用钢管支撑。地下车库及地铁3、8号线车站东段基坑由于平面形状较大，在对表层土进行放坡开挖后，采用无需内支撑的双排悬臂钻孔灌注桩+桩后高压旋喷桩止水帷幕方案，双排桩桩排距2.5m；由于其底板位于软塑-流塑状淤泥质土层，为提高被动区土层抗力，坑底采用了搅拌桩加固，加固深
22、度3m。3号线出入段线明挖区间（部分），8号线折返线明挖区间（部分），参照上述原则亦采用了钻孔灌注桩+桩后高压旋喷桩止水帷幕+内支撑方案。b.施工难点工程规模大：地铁车站是地铁3、8号线与1号线共同换乘的地铁车站，造价是普通地铁车站的几倍。地铁车站埋深大：大部分在20m以上，最深达31m，施工困难。地下水埋深浅：一般水位埋深0.55.3m，同时地下水量丰富，施工降水困难，同时高压旋喷止水帷幕在垃圾层止水效果难以保证。工期紧：整个工程的工期只有24个月，而地铁3、8号线西段（国铁站房下）受站房工期影响，施工时间只有8个月，工期相当紧。1.1.2 研究的意义1.1.2.1 垃圾土的特性分析由于环境
23、保护的需要、城市垃圾去向的困境研究，另外城市用地需求的日益紧张等原因，使得垃圾土的研究意义加深。一般来说，城市垃圾的出路一是掩埋，二是焚烧或是回收加工后循环利用，目前，我国多数城市的垃圾处理是采用掩埋的方式，但经过多年填埋而日益缩小的垃圾掩埋场因城市的扩张最终消失，或是迁往远郊。原有的垃圾填埋场地成为建设用地，使得垃圾土的工程特性分析显得非常迫切。目前国内在垃圾土的工程性质方面的研究尚不充分，有关垃圾土的物理指标和抗剪强度指标的资料很少，给工程设计带来很大的盲目性，造成了不少工程问题。鉴于此，有必要从岩土工程的角度对垃圾土进行深入的研究和总结。本文采用资料统计和实验分析的手段，分析研究垃圾土的
24、特性和工程性质，一方面可作为防止垃圾土对周边环境污染研究的必要参考资料，另一方面研究青岛北站的城市垃圾土工程性质，从岩土工程建设角度积累垃圾土的物理指标和抗剪强度指标，以确定稳定分析采用的物理指标和强度指标，在积累相关垃圾土工程特性资料的基础上，为垃圾土内基坑开挖工程丰富工程经验。1.1.2.2 复杂环境下多梯度基坑的变形分析大型基坑工程，为保证工期和质量，加上技术力量和管理的考虑，一般将大型基坑纵横交错地分割为多区块，由多家施工单位参与同步施作，多条基坑交叉段的变形是重大施工安全风险源之一，因此交叉段的基坑的变形分析是本文分析的重点。北站基坑B区中有B2和B3区基坑交汇，如图示，B区整体位于
25、原北站的垃圾场地中，土层中有包括多年填埋垃圾土在内的杂填土、淤泥质土及软粘性土，地层条件较为复杂。施工中，B区先行开挖，之后B2和B3区基坑同步施工，围护方式和支撑结构均不相同，且B2和B3区基坑交汇段不采用支撑支护，分台阶开挖，该部分的安全施工要求最高，因此预先进行数值模拟分析显得更为重要。图1-8 北站复杂地层条件下大型基坑多梯度示意图本文采用数值模拟手段对基坑的围护结构、支护体系和周边土体、交汇段坑边的水平变形特性进行模拟分析。其中对旋喷桩的模拟采用等效加固的方式，将其加固强度等效施加在围护墙体上，即加大围护墙体的强度；钻孔灌注桩采用结构单元模拟；因FLAC3D后处理的局限，本文分别采用
26、了结构单元和实体单元模拟支撑体系，分别计算后调出支撑的位移和受力云图；对于锚索采用结构单元；本构模型采用摩尔库仑模型，支撑和围护墙的实体单元均使用弹性模型。1.1.2.3 基坑抗隆起稳定性分析1943年Terzaghi（1943）1提出了滑裂面破坏的极限平衡法，认为滑动破坏面一直延伸至地表面，主要适合于宽浅基坑的抗隆起稳定计算。随后许多学者采用各种方法对基坑隆起稳定性进行了研究。表1.2给出了1943年以来的21篇（不完全统计）研究基坑抗隆起稳定分析研究文献，按照时间顺序编排。从表中可以看出目前已出现的基坑抗隆起稳定分析方法可归纳为三大类：极限平衡法、极限分析法以及有限元法。表 1-1 基坑抗
27、隆起稳定国内外研究综述作者结论或发现使用方法Bjerrum&Edie（1956）2提出了抗隆起稳定的地基承载力方法，认为当基坑比较深或者坑底以上有较硬土层时，Terzaghi（1943）所提出的侧滑裂面不太可能会延伸到基坑表面，从而可能会高估坑底的抗隆起稳定安全性，并且指出基坑开挖卸载引起基坑隆起破坏和地基承载力问题实质上是类似的，认为地基承载力公式可以直接作为稳定安全系数使用，将抗隆起稳定安全系数定义为抵抗力与推动力的比值，只是适合窄深基坑的抗隆起稳定计算。极限平衡法玉野治光等（1977）3对地下连续墙工法的施工、构造、设计计算方法进行了详尽描述，并给出了大量算例，首次提出对于围护体系为地下
28、连续墙的基坑，其隆起失稳时滑裂面为圆弧形状。极限平衡法Mana&Clough（1981）4根据软弱至中等坚硬的粘土层中11个基坑开挖的监测资料，结合 Terzaghi建议的坑底抗隆起稳定系数，给出了围护结构最大位移量与坑底抗隆起稳定系数之间的关系，从而可以用来预测围护结构的最大位移。当坑底抗隆起稳定系数小于1.41.5左右时，墙体最大位移与开挖深度的比值将迅速增加7。稳定安全系数与基坑变形关系。汪炳鉴（1983）5木文对地下墙的入土深度问题，提出了适用于不同土质条件及考虑了墙体抵抗弯矩或同时考虑土休粘聚力及内摩擦角功的两个理论计算公式及圆弧滑动法和地基承载力模式计算法。极限平衡法，力矩平衡。陈
29、煌铭（1987）6认为当基坑开挖深度不大时，坑底隆起量较小；当继续开挖到某一深度时，墙体左右部分的塑性区在底部接通，造成了墙体底部完全处于塑性区中，隆起量显著增加，再继续下去就有失稳的趋势，此时基坑开挖深度与坑底隆起量的关系近似于双曲线形式。实测数据Tsui（1989）7通过有限元分析，认为坑底最大隆起量与开挖深度成指数关系，且开挖初期隆起发展迅速，但发展速率随开挖深度而减小，墙体周边处由于墙体与土体之间的摩擦作用，隆起量要小于围檩中部的值。数值计算Wong（1989）8采用EXCAV有限元程序研究了不排水抗剪强度、开挖宽度和深度、墙体刚度和插入深度、坑底至硬土层厚度对基坑变形的影响，提出了一
30、种预测侧向变形的简单方法，研究分析表明墙体测移、地表沉降和坑底隆起主要受坑底抗隆起稳定系数控制；墙体刚度和支撑间距是影响变形的重要因素。有限元分析夏明耀（1990）9通过相似材料的模型试验，分别对开挖深度、地表超载和土的性质指标，等进行单因素的试验研究，探讨这些因素对隆起量的影响，在此基础上统计出计算基底隆起的经验公式。模型试验侯学渊10 （1991）曾把由于设计上的过错或施工上的不慎造成的基坑失稳分为五种形式：支撑刚度不足造成的结构失稳、整体滑动失稳、隆起过大造成的基坑失稳、管涌失稳和坑底承压造成的失稳。理论分析，经验总结Goh（1994）11应用有限元法，同时考虑挡墙插入深度、坚硬土层距坑
31、底的距离、挡墙刚度等多种因素对基坑隆起稳定性的影响，提出了一个预估多种支撑开挖基坑隆起稳定性的方法。有限元分析Hashash（1996）12采用耦合有限元方法分析了墙体入土深度、支撑条件和应力历史对变形的影响，总结了参数研究结果并形成预测变形的图表，由于没有考虑土体的各向异性及随深度、强度增加的影响，采用极限平衡理论估计坑底抗隆起稳定系数高估了开挖的稳定深度。耦合有限元方法曾庆义等（1996）13根据土体的强度理论推出了基坑开挖后二次应力场，根据Mohr-Coulomb准则，得出土层中塑性流动区的最大深度，从而推导出了基坑抗隆起稳定的应力强度计算方法。理论分析，塑性分析刘雅君（2003）14针
32、对目前深基坑工程抗隆起稳定安全评判不足的现状，根据深层土体滑缝破坏模式，采用能量原理推导出了适用于基坑开挖深度大、强度低的深基坑抗隆起稳定安全系数的计算方法。极限分析法邹广电（2004）15从地基极限承载力的Prandtl&Reissner解答的滑裂面出发建立基本的破坏模式，引入Mohr&Coulomb准则得到其流动法则后，求得塑性区的协调速度场，从而通过虚功原理求出深基坑基底的极限承载力，最终提出了一个以塑性力学上限分析理论为基础的深基坑抗隆起稳定分析方法。极限分析法董月英等（2004）16考虑上下坑土体之间相互作用对基坑抗隆起稳定性的影响，对特殊断面基坑的抗隆起稳定进行了分析，给出了抗隆起
33、稳定的计算公式，从安全的角度认为上下坑的水平间距应不小于基坑中围护结构的最大入土深度。极限平衡法黄茂松等（2005）17在分析了土体应力各向异性对基坑抗隆起稳定性影响的现状的基础上，认为对于大型深基坑工程不能忽略土体应力各向异性对基坑抗隆起稳定性的影响。极限平衡法，参数选取问题。彭海铭等（2005） 18针对岩土参数具有不确定性的基础上，提出了深基坑抗隆起稳定性可靠度分析方法，基于Rosenblueth方法研究了土性参数对可靠指标的影响。可靠度分析方法胡志平等（2005）19采用有限单元法确定出了深基坑支护结构和土体开挖前后的应力状态以及土体任意点处的极限状态函数值；通过人工参与的优化方法选择
34、坑底最大可能隆起破坏点与终点以及潜在破坏面的形状和位置，并计算出相应的深基坑的抗隆起安全系数。有限单元法张耀东等（2006）20通过分析影响基坑抗隆起稳定安全性的各种因素，针对传统的计算基坑抗隆起稳定安全系数没有考虑的各种有利因素的情况，在结合Terzaghi（1943）和Bjerrum&Eide（1956）提出的基坑抗隆起稳定安全系数计算公式的基础上，对此进行了一定的修正，提出了修正的基坑抗隆起稳定安全评判的方法。极限平衡法马新弟等（2006）21根据极限平衡原理，考虑基坑坑底土体自重产生不平衡力矩，分别以最下道支撑和坑底开挖面与围护结构的交点为滑动圆心，提出了一种新的基坑抗隆起稳定计算方法
35、。极限平衡法王成华等（2006）22根据Terzaghi（1943）地基承载力理论，对于基坑隆起破坏均为单面失稳的实际情况，推导了计算抗隆起稳定的临界宽度法，给出了均质地基临界宽度的理论解答。极限分析法满聪（2006）23通过有限单元法对深基坑工程抗隆起稳定性问题进行了模糊可靠度分析，通过工程实例论证了深基坑抗隆起稳定性有限元模糊可靠度分析对深基坑抗隆起稳定性分析实用性。有限单元法模糊可靠度分析Goh（2008）24根据抗隆起稳定计算具有许多不确定性，包括荷载的变化、土体性质、围护结构与几何特性等，通过运用基本结构可靠度概念，提出了用可靠度指数来评价粘土中有撑开挖时坑底抗隆起稳定安全性，研究表
36、明：线性极限破坏面假设能提供合理评估可靠度指数及破坏度，主要用于评估宽深基坑的坑底隆起破坏。可靠度指数法黄茂松，秦会来（2008）25运用多块体上限方法推导出了基坑抗隆起稳定分析公式，同时与Terzaghi（1943）提出的可以反映基坑宽度等因素的粘土基坑在不排水条件下抗隆起稳定性公式进行了分析与对比，研究发现：Terzaghi计算模式所反映的抗隆起破坏范围偏小，而给出的抗隆起稳定安全系数值偏大。极限分析法-上限定理从上表文献可以看出，无论是极限分析法还是有限元法，主要针对的都是黏土基坑抗隆起稳定性的分析。对于同时考虑c-土体抗隆起稳定分析问题，目前只有地基承载力模式以及圆弧滑动的基坑抗隆起稳
37、定分析模式。下节中将按照黏土基坑和同时考虑c-两类计算分析方法进行总结分析。1.1.2.4 施工安全风险控制技术研究基坑工程的施工存在许多复杂性和不确定性因素，加上施工管理不善，深基坑工程施工中发生了不少事故，造成了巨大的经济损失和人员损失，延误了工期，也引起不良的社会影响。如杭州地铁车站基坑坍塌，是中国地铁建设史上伤亡最严重的一次事故。基坑工程施工安全风险控制的意义体现在以下几个方面。（1）有利于帮助决策者进行科学化的风险管理风险控制研究的最终目的是为各类决策者的决策提供依据，从决策者的角度来说，其价值可以体现在决策者决策时信心的增强、对工程进展情况的掌控以及对资金流向的有效控制上。因此，对
38、决策者来说，风险控制研究能够把决策变得简单化、准确化以及专业化。而这里的决策者不仅仅是指业主，还包括设计人员、施工方的负责人等等。对设计人员来说，风险控制研究可以为设计方案的优化提供帮助，从某种意义上说，这也是一种决策；对施工方的负责人来说，如何对工程风险进行控制，怎样在尽可能安全的情况下获取最大利益，这也需要对风险控制措施的风险效益进行研究和评估。因此，可以说，风险控制研究对工程项目所有相关单位都具有重要的促进意义。（2）有利于减少工程事故的发生轨道交通地下工程项目的技术构成复杂，具有较多的高、新、尖端技术，设计、施工中的不确定性因素很多，主要特点有：施工环境差。一方面轨道交通地下工程的大规
39、模施工需要暂时开挖部分路面，占用部分道路，施工场地很狭小；另一方面又要尽量保证地面商业经营和景观不受到太大的影响，保证安全，这些使得施工施展不开。地质状况复杂且地下管线较多。复杂地质条件导致地下施工可能遇上各种险情；而迁移众多地下管线使施工难度增加，进度减缓，管线资料不全又使勘测、施工的危险性和不确定性增加，很可能因有关部门无法提供准确资料而导致施工中地下管线的变形、沉降、断裂，情况一旦发生将有可能引发断水、断气、停漏电、塌方、乃至出现人员伤亡事故等。环境风险大。轨道交通地下工程在施工期间会对沿线建筑物、地面交通、商业设施、绿化设施等造成不同程度的影响，因而在考虑风险分析时，第三者风险很大。建
40、设工期较长，轨道交通地下工程建设少则几年，多则十几年甚至几十年，因而建设环境的不确定性很大。对原材料供应、施工机具的组织、调度、管理等提出了更高的要求。正是由于以上的原因，随着近几年城市轨道交通地下工程不断增多，工程事故也是频频发生，而且事故造成的危害性也越来越大。下面就轨道交通地下工程中比较典型的事故进行简单的介绍。（3）为基坑工程围护和施工方案的选择提供依据大型复杂基坑工程的风险控制研究结果，一方面可为其提供造价和风险损失之和最小的最优方案选择，并为基坑开挖的合理工序提供理论依据；另一方面，施工安全风险控制技术可以使项目决策从领导的主观意志走向客观和科学，从这个意义上说，对大型工程项目的整
41、体施工过程中进行风险控制研究有非常大的必要性。1.2 复杂环境下大型多梯度深基坑安全施工研究综述1.2.1 垃圾土的特性分析由于环境保护的需要、城市垃圾去向的困境研究，另外城市用地需求的日益紧张等原因，使得垃圾土的研究意义加深。一般来说，城市垃圾的出路一是掩埋，二是焚烧或是回收加工后循环利用，目前，我国多数城市的垃圾处理是采用掩埋的方式，但经过多年填埋而日益缩小的垃圾掩埋场因城市的扩张最终消失，或是迁往远郊。原有的垃圾填埋场地成为建设用地，使得垃圾土的工程特性分析显得非常迫切。Sowers26通过15个月的现场测试之后，得出经验数据，认为主压缩指数Cc=（0.150.55）e0（e0为初始孔隙
42、比）；修正主压缩指数cC=（0.030.09）e0；Landva和Clark27对加拿大5个填埋场（Kingston，Edmonton，Hansport，Ottawa，Edmundston）取样进行固结试验，得出Cc值的变化范围为0.170.36；Gabr和Valero28通过对1015年的久埋垃圾的研究测得了修正次压缩指数为0.030.09；Coumoulous和Koryalos（1999年）也对1015年久埋垃圾的研究，测得了修正次压缩指数变化范围为0.020.07；Hossain29采用室内生物反应堆和控制反应堆，系统研究了垃圾填土中有机物降解与压缩指数之间的关系。国内学者近几年也陆续开
43、展了对垃圾填土压缩性的研究与分析。张振营等30最早开展了垃圾填土工程特性的试验研究，分析了垃圾填土有机物含量和孔隙比随填埋深度的变化规律；胡敏云、陈云敏31在前人试验的基础上对垃圾填土的压缩性进行了研究，确定垃圾填土的压缩性是压力和时间的函数，并给出了国内垃圾填土主、次压缩指数的建议值；胡敏云、陈云敏等提出了填埋体中有机质随时间变化的公式，考虑了荷载和有机质降解作用的填埋场容量计算方法，并且定量分析了有机质分解速度对填埋场容量的影响。第2章的垃圾土的各项特性分析主要包括垃圾土的组成、含水率、密度和孔隙比、强度特性及本构关系、动力特性、比重、有机物含量、渗透性和压缩性等。 图1-3基坑的垃圾土开
44、挖及现场堆土图1.2.2 基坑施工安全风险的识别与分析基坑施工安全风险的识别与分析主要包括以下四个方面：（1）地质、环境安全风险识别与分析：在认真分析岩土工程勘察与环境调查资料、地质踏勘、环境核查及空洞普查的基础上，对地质、环境安全风险因素和地下水难以控制等地质条件复杂、紧邻地下管线等环境条件复杂的部位进行识别，分析可能带来的安全风险；地质安全风险因素识别与分析：主要识别不良地层、地下水、地下空洞等地质安全风险因素，分析地质因素对施工的影响及可能带来的安全风险；环境安全风险因素识别与分析：主要识别地面环境、地下环境等环境安全风险因素，分析工程施工、环境的相互影响及可能带来的安全风险；地质条件复杂和环境条件复杂部位的识别：地质条件复杂的部位：包括地下水难以控制处、土质软弱处等；环境条件复杂的部位：包括周边荷载差异较大处、紧邻地下重要管线处、紧邻地下污水管线处、紧邻水源处、邻近施工等。（2）设计方案实施安全风险识别与分析：在认真学习设计文件的基础上，结合自身的经验及认识，对基坑支