第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
随着我国综合国力的飞速发展，城市发展对空间的需求呈现出迅速增长。城市人口数量日益加大，路面交通拥堵，交通发展呈向地下的趋势。轨道交通是一个国家解决上诉问题的有效途径，也是城市未来发展方向重要的组成部分。轨道交通具有充分利用土地资源，节约地面土地资源，且具有较大的运输能力和较高的运输效率，降低地面交通拥堵的作用。还具有安全、舒适、节能环保的特点，被称为“绿色交通”，符合当今发展的生活理念——低碳生活。其中地铁是轨道交通之中最为普及的项目。
在最新的武汉市轨道交通线网规划中，武汉制定了“牢固树立轨道交通在城市综合交通体系中的骨干地位，建‘环+放射’、衔接高效的轨道交通网络体系”的目标。这次的规划中，武汉市计划将轨道交通线网数量增加到21 条，总计划长度 1045 公里[1]，如图 1-1 所示。
为此，地铁车站基坑设计需要设计人员对该地区的工程地质条件、水文地质条件、路面交通需求、周边环境保护、经济效益等多方因素综合考虑，确定地铁基坑工程主体围护结构、内支撑体系以及具体施工工法等，并对设计方案进行围护结构的理论计算和数值模拟，通过计算和模拟结果进行支护结构的详细分析，包括支护结构截面、配筋、支撑位置和形式或锚杆尺寸、入土深度，自由端和固定端的长度等的设计验算。地铁基坑设计直接影响到整个地铁工程建设的成败，设计人员在设计阶段应以更加严谨的态度，对周边环境及时跟进了解，对支护形式的设计满足在安全情况下不浪费资源，达到安全与经济的最优状态。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 基坑工程变形理论发展现状
基坑工程是涉及多门学科的综合学科。基坑开挖施工过程中，所导致的基坑变形主要指坑内土体变形、周边土体变相以及围护结构变形这三个方面。坑内土体变形的原因在于，在开挖施工的过程中，基坑的内部土体会被去除，从而造成了工程范围内的土体被扰动，使得基坑周边土体向坑内移动，导致围护结构与周边土体发生变形，从而影响与基坑周边的建筑物、城市管线、交通道路和其它市政设施。对于这些变形的控制与估算，随着土力学理论、计算机技术的发展，目前的主要研究方法有理论计算法、经验估算法和数值分析法。
1.2.1.1 理论计算法
20 世纪 40 年代，Terzaghi、Peck 等人最早提出了总应力法，该方法是分析基坑开挖过程中基坑稳定以及支撑内力大小的变化，此方法至今让在被使用[4]。
Hsieh 在前人对基坑变形计算理论基础上做了进一步的深入研究，针对基坑周边地表沉降的变形问题，提供了凹槽型与三角型两种预测方法并提出主要影响区域和次要影响区域的概念[5]。
Schuster et al.提出采用可靠度理论预测土体深层水平位移[6]； 李玉岐在前人对地表沉降计算方法基础上，对软土地表沉降变形采用指数曲线拟合的方法，得到基坑开挖中围护结构变形引起的地表沉降的计算方法，并将其应用于实际工程中取得较好的成效[7]。
刘建航等基于时空效应理论，对基坑变形分析划分为正常开挖变形与非正常开挖变形，并结合实际工程对这两部分变形进行说明，为基坑变形控制提供新途径[8,9]。
陈春舒、夏元友对长江一级阶地武汉地区针对 peck 公式的适用性进行研究，得出建议 k 的取值范围在 0.31~0.36 之间[10]。
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第 2 章 武汉地区常用支护形式和基坑变形特性分析
2.1 武汉地区地铁车站基坑常见支护形式
地铁基坑工程基本都是处于人流量大、交通繁华的地区，基坑深度大、呈狭长型基坑，复杂的周边环境，并且施工时间长、施工难度大、施工技术要求高、不可控因素较多和社会影响大等特点[39,40]。笔者针对武汉地区地铁基坑工程中所用到在支护形式，从支护形式、应用区域、支护形式特点等方面做出如下总结，见表 2-1 所示。
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2.2 基坑稳定性分析
2.2.1 土压力计算
经典土压力理论包括朗肯土压力理论和库伦土压力理论，是早期针对重力式挡土墙的土压力建立的。朗肯土压力假设结构物后的土体表面水平，墙背竖直、光滑。库伦土压力假设墙后土体表面倾斜，或墙背倾斜，或考虑墙体与土体的摩擦时，计算土体的极限平衡状态下的土压力。在基坑工程设计中，一般采用朗肯土压力理论计算。
....................... 第 3 章 地铁车站基坑设计方案稳定性及监测分析............................. 22
3.1 工程简介................................... 22
3.1.1 工程概况........................... 22
3.1.2 工程地质条件........................... 23
第 4 章 地铁车站深基坑三维数值模拟......................................... 46
4.1 数值分析软件 Midas GTS NX 概述 ................................... 46
4.1.1 Midas GTS NX 软件介绍 ...................................... 46
4.1.2 Midas GTS NX 的基本原理 ............................ 46
第 5 章 后湖大道站基坑支护结构的设计参数优化.............................. 71
5.1 支护结构参数优化原则.................................... 71
5.2 支护结构优化参数选取............................ 71
第 5 章 后湖大道站基坑支护结构的设计参数优化
5.1 支护结构参数优化原则
深基坑工程是一项多种复杂因素相互联系相互制约的系统性工程，支护结构的合理性直接影响到基坑稳定性和经济性。工程设计时要依据周边环境、开挖深度和范围、工程地质、水文地质、施工条件、工期和造价等多因素考虑后作出选择。地铁基坑工程由于其特殊的周边环境和工程性质，潜在支护方案存在很多，每个方案都有各自的优缺点和适宜性。支护结构的优化应按如下原则进行：首先保证施工工艺安全可靠，然后再逐步优化支护方案，使设计方案更加经济合理。
支护结构优化中，选取合适参数进行优化是一门需要深入研究的学问。通常学者们会对支护结构的墙体厚度、桩直径、桩间距以及嵌固长度；内支撑体系会针对支撑位置、支撑类型、支撑尺寸、支撑水平竖向间距及预加力的大小等方面；锚杆体系会针对锚杆材料属性、锚拉位置、水平竖向间距及预应力的大小等方面，还有通过实际数据的反分析对勘察报告所提供的土体参数进行调整。
本章以武汉市后湖大道地铁车站为背景对其支护结构标准段内支撑体系进行优化。原设计为三道混凝土支撑和三道钢支撑，混凝土支撑在第 1 道、第 4道和第 5 道，钢支撑在第 2 道、第 3 道和第 6 道。本章通过对本工程标准段内支撑体系的支撑竖道数、水平间距等两个变量进行模拟分析，以基坑变形为考量指标，分析变形规律及趋势，优选最优支护方案。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文以武汉市地铁 21 号线某车站基坑支护工程为工程背景，采用理论分析、实际监测以及数值分析相结合的方法，对该车站基坑支护结构的变形进行研究，并针对实际所出现的问题，采用数值模拟和工具箱验算针对内支撑体系进行优化分析，通过研究得出如下主要结论：
（1）周边地表沉降沿基坑边缘向外逐渐增大，达到最大值后逐渐减小，随着每一步开挖的进行，最大沉降位置逐渐向坑外移动，发生在距离基坑边缘8~15m 处，沉降影响范围在基坑开挖深度 1 至 1.2 倍，整体呈现下凹抛物线型。
（2）随着基坑开挖的进行围护结构水平位移逐渐增大，位移值呈现两端小、中间大的弓字形分布，最大位移位置也随基坑开挖下移。
（3）采用数值分析对武汉地铁该车站基坑工程变形分析与实际监测结果相符度较高，模拟基坑变形规律与实际监测和理论计算呈现相同规律，说明硬化土小应变模型能很好的模拟地铁车站基坑开挖过程，具有工程实际应用价值。
（4）通过该车站基坑工程内支撑体系水平、竖向间距变化对基坑变形影响分析，选出内支撑优化方案，并采用数值分析与启明星软件验算，保证优化方案的安全性与可行性。
参考文献（略）