第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，随着我国经济的快速发展，城市规模不断扩大，建筑物越来越密集，为了节约城市用地，地铁也逐渐成为许多城市解决交通拥堵的有效手段。中国从修建第一条地铁开始，到如今地铁已经在越来越多的城市投入使用，地铁不仅节约能源和不污染环境，而且由于其拥有快捷、安全、准时以及节约城市用地等优点，得到越来越多人的青睐[1-2]。为了缓解城市交通压力，太原地铁也开始建设，并即将投入使用。由于太原地铁工程建于城市繁华区域，周边地质条件复杂、建筑密集，且地铁车站基坑开挖面积大、深度大、周围环境保护等级高，在此情况下，在地铁基坑施工过程中，确保基坑工程的变形要求对施工安全有着重要的意义[3]。
基坑工程是集地质工程、岩土工程、结构工程和岩土测试技术于一身的系统工程[4]。我国的深基坑工程具有以下特点[5]：（1）我国疆域广阔，工程和水文地质条件较为复杂，不同地区存在各种不同的土层，地下水在不同地区也存在各种差异，这使得基坑工程在开挖支护中的差异较大；（2）基坑周围环境较为复杂，随着我国的经济不断发展，城市规模不断扩大，建筑物也变得越来越高和越来越密集，而基坑周围的各种管道和线路也较为复杂，在城市基坑施工中，基坑周围存在密集的建筑物，或者有相邻的其他工程正在施工，所以在基坑施工时不仅要保证基坑自身的安全稳定，还要确保在基坑施工过程中不会对其周边建筑物造成不利的影响；（3）基坑施工中使用的是临时支护的形式，该支护方法相较于其他工程的安全标准较低，存在较大的风险，容易发生各种安全事故，所以在其他环节需要更为严格的质量要求，以确保基坑施工的安全；（4）深基坑工程具有较强的时空效应，随着基坑不断的施工，受环境和气候等各种不断变化因素的影响，在基坑工程施工中的不同阶段基坑的稳定性会产生不同的变化。
深基坑工程涉及领域较多、问题较为复杂，大量实践经验表明，许多工程事故往往发生在基坑开挖过程中，在基坑开挖过程中，不但要对基坑支护结构进行精心的设计，还要在施工过程中关注各种安全问题，以确保基坑支护结构不仅能控制基坑变形、保护周围环境，还应节约造价、方便施工，使其更加符合实际情况[6-8]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 基坑支护结构受力和变形研究现状
随着城市的不断发展，地铁工程不断建设，产生了大量的深基坑工程，由于受各种复杂的工程和水文地质条件的影响，许多基坑工程施工难度高、风险大，越来越受到工程领域的重视。在基坑开挖过程中，研究基坑开挖过程支护结构土压力和水平位移之间的相互协调关系，对实际基坑工程的施工安全和变形控制有着重要意义[9-10]。
国外众多学者对基坑支护结构的受力和变形进行了大量的研究。C.A.Coulomb 在1773 年提出了土的抗剪强度计算公式和土压力理论；英国学者 Rankine 建立了新的土压力理论，该土压力理论一直沿用至今[11]；Terzaghi 和 Peck[12-13]总结前人的研究成果，系统的总结和归纳了土力学的各种理论，并利用总应力法计算分析基坑开挖情况，为土力学和基础工程的发展作出了重要的贡献；Chang 和 Duncan[14]对基坑周围土壤进行试验分析，确定土体的强度和其他特性，并利用有限元分析研究基坑开挖后支护结构的变形特性，发现与监测结果较为一致，确定了有限元分析在基坑支护分析的可行性；Sharma等人[15]为了研究基坑开挖对临近隧道的影响，对基坑开挖过程进行有限元分析，并对该基坑和临近隧道进行变形监测，将其结果进行比较，确保基坑开挖过程对周围环境的影响在规定许可的范围内；Youssef M.A.Hashash 等人[16]采用非线性有限元分析方法，对基坑开挖过程中支护结构水平位移的不同影响因素进行研究，为以后的设计人员研究基坑开挖提供了参考依据；Richard J.Finno 等人[17]对深基坑支护进行数值模拟，发现模拟的结果基坑开挖和支护阶段的观测结果比较吻合；Chungsik Yoo 等人[18]通过分析数值模拟的研究结果，探讨了深基坑开挖引起的位移特征，提出了一种预测基坑位移的方法；Wengang Zhang 等人[19]对基坑支护结构进行有限元分析，通过改变开挖几何形状和土壤强度等因素，建立了适合基坑开挖变形计算的模型。
我国疆域广阔，工程地质条件复杂，在基坑开挖过程中由于面临多种不良的地质条件，使得施工存在更多的困难和风险。因此，我国众多学者通过理论分析、数值模拟、试验分析和现场监测等方法对作用在基坑施工过程中支护结构的土压力、支护结构变形情况以及基坑支护结构水平位移及土压力的协调发展过程进行了大量的研究，为基坑支护结构的设计以及基坑施工提供了理论依据和实践基础[20-22]。
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第 2 章 工程背景
2.1 工程概况
北大街站为太原市轨道交通 2 号线一期中间车站，与规划 5 号线进行节点换乘，位于解放路和北大街交叉路口，车站沿解放路南北方向布置，车站左线和右线起点里程分别为 ZDK26+471.000 和 YDK26+791.000，全长 320 米。车站设置 4 个出入口及 2 个风道，1 个无障碍电梯，北大街站平面位置如图 2-1 所示，出入口及风道位置图如图 2-2所示。
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2.2 工程地质和水文地质条件
2.2.1 岩土特征
钻探揭露深度范围的地层为第四系全新统填土、黄土状土、粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉细砂、圆砾土和第四系上更新统粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉细砂、中砂、圆砾土。
2.2.2 水文地质
本站地下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层为第四系全新统人工填土、冲积粉土及砂层，详细勘察期间 2013 年 9 月 6 日~2013 年 9 月 25 日流排泄为主。水位埋深 1.6~5.7 m，高程 785.76~789.55 m，地下水位变幅 0.8~1.4 m。
本工程基坑安全等级为一级，支护结构采用钻孔灌注桩+止水帷幕的支护形式，支护采用钢筋混凝土支撑+钢管内支撑支护形式。4 个出入口的三轴搅拌桩止水帷幕直径为 0.85 m，桩间距为 0.6 m。1 号出入口基坑深度约为 15.62 m~18.77 m，基坑支护结构钻孔灌注桩直径为 1.0 m，桩间距为 1.4 m。2 号出入口基坑深度约为 12.30 m~15.45 m；3 号出入口基坑深度约为 12.9 m~16.0 m；4 号出入口基坑最深约 13.95 m~17.05 m，2 号、3 号和 4 号出入口基坑支护结构钻孔灌注桩直径为 0.8 m，桩间距为 1.2 m。其中 1 号和4 号出入口基坑竖向共设置三道支撑，2 号和 3 号出入口基坑竖向共设置两道支撑（局部三道支撑），在所有基坑中，第一道支撑采用 800 mm*800 mm 钢筋混凝土支撑，第二道、第三道支撑采用直径为 800 mm，厚度为 16 mm 的钢支撑。
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第 3 章 考虑初始应力状态和开挖过程的分析方法 ..................................... 13
3.1 模拟分析原理 ......................................... 13
3.2 ANSYS 有限元软件介绍 ........................................ 14
3.3 北大街站 1 号出入口基坑开挖过程模拟分析 ........................... 14
第 4 章 在朗肯主动土压力作用下的基坑设计分析 ....................... 27
4.1 理正深基坑软件介绍 ......................................... 27
4.2 北大街站 1 号出入口基坑支护结构设计 .................................. 27
第 5 章 监测数据对比分析 ............................. 41
5.1 基坑水平位移监测 ............................................... 41
5.2 北大街站 1 号出入口监测数据对比分析 ............................ 41
第 7 章 m 法的应用与对比分析
7.1 对比分析过程
为了简化计算，在本文第 3 章使用的始于初始的静止土压力和考虑开挖过程的数值模拟方法将基坑土的水平抗力系数（土弹簧刚度）看作一个常数（K 法），但在实际工程中，m 法（土的水平抗力系数随深度呈线性变化）是较为常用且公认的一种方法。本章通过使用第6章计算得到的太原市典型地质条件下多层土体的等效m值（1.2 MN/m4），选取第 3 章中的太原地铁北大街站 1 号出入口基坑支护结构，重新编写 ANSYS 命令流程序，利用 m 法对该支护结构进行数值模拟，得到该支护结构的水平位移变化情况，并将其与第 3 章得到的水平位移变化情况和现场监测值进行对比分析。
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第 8 章 结论与展望
8.1 结论
基坑支护是为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用临时性支挡、加固、保护的措施。基坑支护的设计对控制基坑施工过程的变形，保护地下结构的施工和基坑周边环境的安全具有重要的意义。本文选择太原地铁 2 号线北大街站出入口基坑工程为研究对象，提出了始于初始静止土压力和考虑开挖过程的基坑支护设计方法，探讨了基坑开挖过程中支护结构侧向位移与所受土压力的相互影响机制，并采用反分析法获得了太原典型地质条件下的深基坑多层土体的等效 m 值。主要得到以下结论：
（1）在基坑开挖过程中，开挖前基坑初始土压力为静止土压力，随着基坑不断开挖，支护结构位移逐渐增大，其上作用的土压力由初始的静止土压力向主动土压力发展，介于两者之间。如果当水平位移继续增大达到某一数值时，该处土压力达到主动土压力，此后，如果该处位移继续加大，土压力会一直维持在该极限状态对应的主动土压力水平不再变化。
（2）通过实际现场施工监测结果与模拟分析结果对比分析可知，对于支撑刚度较大且周围环境复杂的地铁基坑工程，使用朗肯主动土压力进行分析计算存在着一定的不合理性，而考虑初始静止土压力和开挖过程的数值模拟方法得到的支护结构水平位移与实际情况更加吻合，表明该计算方法的合理、准确。
（3）位移反分析方法是较为实用的一种反分析方法，利用位移反分析方法确定基坑工程竖向弹性地基梁中土的水平抗力系数的比例常数 m 值较为简单方便，且比采用经验公式计算的 m 值更加准确，更加符合实际情况。
（4）当土的水平抗力比例系数 m 值约为 1.2 MN/m4时，所得到的基坑支护结构水平位移值与施工现场实际监测值较为接近，该 m 值可做为太原市在该典型地质条件下多层土体的等效 m 值，可用于类似地质条件下基坑支护结构的位移计算，其结果合理可靠。
（5）对比使用 K 法得到的基坑支护结构水平位移，使用 m 法计算得到的基坑支护结构水平位移与实际现场监测值更加接近，表明优化参数 m 后可进一步提高计算的精确度。
参考文献（略）