地铁明挖段设计(本科毕业设计).doc

北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）

本科生毕业设计(论文)

题 目:
西四地铁明挖段

(30M挖深)围护设计

英文题目:
Foundation Support Design of XISI Subway station

(30M Deepening)

系 :
土木工程

专 业:
土木工程

班 级:
土木066班

学 生:
翟云飞

学 号:
06011638

指导教师:

职称:

指导教师:

职称:

-2-

摘　　要
地铁明挖是一个具有时代特点的岩土工程课题。建筑基坑为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。基坑支护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的支挡、加固与保护。在20世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对地铁明挖工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员须从新的角度去审视地铁明挖工程这一课题，导致许多新的经验、理论或研究方法得以出现与成熟。
本文在搜集大量工程资料的基础上，分析了北京地区浅层土物理力学性质，对弹性抗力法在深基坑支护计算中的适用性进行了分析，并紧密联系实际工程，根据典型现场试验资料着重分析研究了北京地区深基坑水泥土重力挡墙、悬臂钻孔灌注桩、支锚排桩(地连墙)支护计算方法，通过分析研究可以得出：弹性抗力法能够考虑不同的边界条件及施工过程更多复杂因素，在一定程度上体现了土与结构的相互作用，适宜支护结构内力及位移的计算；并应用该理论对上述支护结构，在分别采用直剪固结快剪水土合算、直剪固结快剪水土分算、直剪快剪水土合算指标时，进行支护计算分析，并与实际工程的实测资料进行分析对比，采用直剪固结快剪水土合算时,其结果与工程实测资料基本吻合，较好地反映了工程实际。针对具体的设计方案，按照规范规定的方法，分别对放坡、土钉墙及桩锚进行了验算，包括整体稳定性分析、土压力计算、土钉强度验算、地基承载力及围护桩强度的验算等，结果表明设计方案是合理可行的。

关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来、用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用《汉语主题词表》等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。
关键词：深基坑，支护结构，计算方法，应用分析

Foundation Support Design of XISI Subway station
Abstract
Metro is a cut and geotechnical characteristics of the times subjects. Building Foundation for the purpose of building (including structure) construction of the foundation and basement excavation for underground space. Excavation for the construction of underground structures and foundation to ensure the surrounding environment, safety, foundation wall and the surrounding environment with the support block, strengthening and protection. In the 20th century, with a large number of high-rise, high-rise buildings and underground projects are constantly emerging, cut and cover construction on the subway have become increasingly demanding, with the attendant problems of more and more, forcing engineers to be from a new perspective to examine this topic at Open Cut Project, led to many new experiences, theory or research methods to appear and mature.
In this paper, a large number of engineering data collection based on the analysis of shallow soil in Beijing physical and mechanical properties of elastic resistance method in calculation of deep excavation analysis of the applicability of, and works closely with practice, according to a typical field test Data analysis focused on Deep Foundation in Beijing cement gravity retaining wall, cantilever pile, anchor pile support (even the wall) supporting method of calculation can be obtained through the analysis: flexibility to consider different resistance method boundary conditions and construction process more complex factors, to a certain extent, reflects the interaction between soil and structure suitable for supporting the calculation of internal force and displacement; and application of the theory of the supporting structure, were used in the direct shear consolidation cost-effective, fast shear soil, water and soil direct shear consolidation fast split shear, direct shear and water cost-effective indicators of fast shear, to support calculation and the measured data and the actual works were compared, using direct shear soil consolidation cost-effective fast shear , the results coincident with the engineering data, to better reflect the actual project. The design of specific programs, in accordance with the specification of the method, respectively sloping, soil nail wall and anchor piles were checking, including the overall stability analysis, soil pressure, soil nail strength checking, foundation bearing capacity and strength of supporting pile Checking and so on, the results show that the design is reasonable.
Key Words：Deep Foundation，Supporting structure，Calculation，Application Analysis

目　　录
摘　　要 1
Abstract 2
引 言 1
1文献综述 2
1.1本课题国外研究进展 2
1.2本课题国内研究进展 3
1.2.1常见基坑支护的类型 3
1.2.2地铁明挖支护计算分析的理论方法及其发展 7
2工程概况及方案拟定 15
2.1课题背景 15
2.1.1地质条件 15
3设计内容 17
3.1支护的具体选型 17
3.2设计方法 17
3.2.1局部稳定性计算 17
3.2.2整体稳定性计算 18
4放坡设计 19
4.1整体开挖稳定性计算 19
4.1.1土层计算参数 19
4.1.2圆弧条分法计算 19
4.2分步开挖稳定性 22
5土钉支护 24
5.1基坑土钉墙支护设计结构方案 24
5.2设计计算 24
5.2.1土层计算参数 25
5.2.2土钉支护的局部稳定性验算 25
5.2.3土钉支护的内部整体稳定性验算 27
5.3分层开挖内部稳定性 29
6桩锚支护设计 31
6.1课题背景 31
6.2土压力计算 35
6.2.1主动土压力 35
6.2.2被动土压力 36
6.3围护桩设计 37
6.3.1弹性支点法计算节点力及位移 37
6.3.2设计及验算 42
6.4锚杆设计 44
6.5围护桩安全验算 48
结　　论 52
参 考 文 献 53
在 学 取 得 成 果 55
致　　谢 56

引 言
随着城市建设的发展及人口密度的增加，各种用途的地下空间已在世界各大中城市中得到了开发利用，如：高层建筑多层地下室、地下铁道及地下车站、地下街道、地下仓库及多种地下民用和工业设施等，此外如工业、采矿、军事航天等领域也都会出现一些大型的基坑工程。在我国，70年代以前的基坑都比较浅，上海的高、多层建筑的地下室均为4m深的单层地下室，北京70年代初建成了深20m的地下铁道区间和车站深基坑。80年代后，北京、广州、上海、天津以及其它城市修造的深基坑陆续增加，且规模和深度不断加大，基坑面积最大达几万平方米，深度也达到三十几米。在对基坑周围环境影响要求越来越严格的情况下，为了达到经济、合理的目的，岩土工作者们进行了不懈的努力，提出了许多设计理论，并创造了很多基坑支护的形式，取得了很大的成就。
但是，由于基坑支护设计的复杂性，基坑支护失效的事件也时有发生，基坑槽壁大规模坍塌、邻近建筑物下沉开裂、地下管道及设施发生断裂、基桩产生大量位移等各类事故已经不少，并常伴随一定的工伤事故，造成生命财产的重大损失。因此完善基坑支护设计理论，总结基坑支护成功的经验，解决涉及到的技术难题成为当代岩土工作者的一项重任。
尽管如此，几十年的实践表明，基坑工程是一实践性很强的岩土工程问题，它与自然条件如气象条件、工程地质及水文地质条件、周围环境等密切相关，并且与主体结构及其施工也有着密切关系，要在保证支护结构安全、可靠的前提下，达到工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面的经济合理，并最大限度地满足施工便利，在目前设计理论还不完善、对设计参数的选取还需改进、还不能事先完全考虑诸多复杂因素的情况下，要做到这一点的确有很大的的难度。在实际工程中，采用理论导向、量测定量和经验判断三者相结合，并不断总结经验，不断完善，基坑工程的难题还是会得到有效的解决的。本课题正是基于这一目的,针对北京这一地区的特定情况来进行深基坑支护计算方法及参数的研究的。

1文献综述
地铁明挖是一个具有时代特点的岩土工程课题。建筑基坑为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。基坑支护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的支挡、加固与保护 。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。事实上，人类土木工程的频繁活动促进了基坑工程的发展，特别是在20世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对地铁明挖工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员须从新的角度去审视地铁明挖工程这一课题，导致许多新的经验、理论或研究方法得以出现与成熟。
1.1本课题国外研究进展
最早提出分析方法的是Terzaghi和Peck等人，他们早在上世纪40年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这一理论原理一直沿用至今，只不过有了许多改进与修定。50年代，Bjerrm和Eide给出了分析深基坑底板隆起的方法。60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确性，并从70年代起，产生了相应的指导开挖的法规。
从20 世纪70 年代到现在的30 年间，基坑支护技术的发展进入了一个新阶段。此期间，随着基坑工程的发展，与各种挡土结构相适应的设计理论不断完善，产生了指导基坑开挖的法则：基坑支护的概念也发生了变化，在原来的外部支护设计的基础上，又提出了以加固土体、提高土体自承载舱力为目的的内部支护的方法：施工机械的发展、施工工艺的不断改进，新型挡土结构材料的应用，为复合型挡土结构在复杂的深大基坑中的应用提供了良好的条件：计算方法上，应用有限元理论对土压力、基坑稳定性和基坑变形等进行联合分析的方法得到了较大发展。目前，发展新型材料用于加固和支挡土体，提高坑壁土体在基坑支护中的利用效果，改进施工工艺和加强施工管理，应用计算机进行计算和分析等、已经成为基坑支护技术新的发展方向。

1.2本课题国内研究进展
二十年来，我国各地深基坑结构类型有很大发展，如挖、钻孔桩，预制桩深基坑支护技术在北京地铁建设中的应用深层搅拌桩、钢板桩，地下连续墙，内支撑，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支撑，此外还有锚钉墙。但对不同条件下的基坑，如何从安全可靠和经济合理的角度出发，选取一种或几种(联合)比较成熟的围护结构类型，一直以来，而且在今后还是科研人员和设计人员努力的方向。近几年，一些新颖的围护结构脱颖而出。例如:“闭和(或非闭合)挡土拱圈”、“拱形水泥土槽壁结构”、“连拱式支护结构”、“桩一拱围护结构系”等。这些拱形围护结构受力合理，而且相对一般的桩墙结构也非常经济，如位于温州小南路双莲桥边的银港大厦深基坑采用的连拱式支护结构，充分利用了水泥土受压强度较高的特性，节省了钢材和工程造价；价闭位于杭州市区延安南路的涌金广场深基坑采用了钻孔灌注桩与内撑直径为120m和100m的同心圆环钢筋混凝土杆件组成的桩一拱围护结构系，取得了显著的经济效益和社会效益。这些支护方法己在北京、珠海、深圳、浙江等地得到使用，显示出强大生命力，是我国基坑支护的一个发展方向。因此，研究推出新的支护结构类型势必促进我国基坑支护技术的发展。
1.2.1常见基坑支护的类型
基坑支护包括两个主要的功能:一是挡土，二是止水。目前工程所采用的支护结构型式多样，通常可分为桩(墙)式支护体系和重力式支护体系两大类。支护类型有以下几种:
(l)钢板桩支护
钢板桩由带锁口或钳口的热轧型钢制成，把这种钢板桩互相连接就形成钢板桩墙，被广泛应用于挡土和挡水。目前钢板桩常用的截面形式有U形、Z形和直腹板型。钢板桩由于施工简单而应用较广。但是钢板桩的施工可能会引起相邻地基的变形和产生噪声振动，对周围环境影响很大，因此在人口密集、建筑密度很大的地区，其使用常常会受到限制。而且钢板桩本身柔性较大，如支撑或锚拉系统设置不当其变形会很大，所以当基坑支护深度大于7m时，不宜采用.同时由于钢板桩在地下室施工结束后需要拔出，因此应考虑拔出时对周围地基土和地表土的影响。
(2)深层搅拌桩支护
深层搅拌桩(水泥土墙)是利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体(块体或墙体)。这种支护结构多采用格栅形式，即重力坝式挡墙。当基坑属于二、三级基坑，基坑深h≤7m，当坑边至红线间有足够的距离时，往往优先采用。由于水泥属不透水结构因此既能挡土又能挡水，具有良好的防渗效果。深层搅拌桩属重力式结构，靠本身重量即可抵抗侧向力保持稳定，一般内部无支撑，便于基坑内机械挖土和地下结构施工，施工简便、费用较低，而且使用的材料仅是水泥，所以具有较好的社会经济效益。在特殊情况下受条件限制无法增大墙厚，而又需较严格控制变形时，在增设围擦(腰梁、冠梁)和抗剪插筋后亦可增设支撑。基坑内土体加固和加大嵌固深度亦属限制变形的有效措施。
(3)排桩支护
排桩支护是指柱列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻(冲)孔灌注桩或PHC管桩作为主要挡土结构的一种支护形式。柱列式间隔布置包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但各桩之间的联系差必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠联接。为了防止地下水并夹带土体颗粒从桩间孔隙流入(渗入)坑内，应同时在桩间或桩背采用高压注浆，设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工简便，可用机械钻(冲)孔或人工挖孔，施工中不需要大型机械，且无打入桩的噪声、振动和挤压周围土体带来的危害，成本较地下连续墙低;PHC管桩与灌注桩比较施工简便，工期短，不产生泥浆污染，但会产生较大的噪音，会产生挤土效应，一般应用于场地开阔、周边环境对挤土效应不敏感的工程。同时，排桩桩围护结构在建筑主体结构外墙设计时也可视为外墙中的一部分参与受力(承受侧压)，这时在桩与主体之间通常不设拉结筋，并用防水层隔开。排桩支护可分为悬臂式和支锚式，而支锚式又分单点支锚和多点支锚。大多数情况下，悬臂式柱列桩适用于三级基坑，支锚式柱列桩适合于一、二级基坑工程一般来说，当基坑深h=8m-14m，周围环境要求不十分严格时，多考虑采用排桩支护。
柱列式排桩的工作比较可靠，但要重视帽梁的整体拉结作用，在基坑边角处，帽梁应连续交圈当要求灌注桩围护结构起到抗水防渗作用时，必须做好桩间和桩背的深层防水搅拌桩或旋喷桩。当周围环境保护要求严格时，为减少排桩的变形，在软土地区有时对基坑底沿灌注桩周边或部分区域，用水泥搅拌桩或注浆进行被动区加固，以提高被动区的抗力，减少支护结构的变形。
(4)土钉墙
土钉墙的使用要求土体具有临时自稳能力，以便给出一定时间施工土钉墙，因此对土钉墙适用的地质条件应加以限制。《建筑基坑支护技术规程(JGJ120一1999)》规定了土钉墙适用于二、三级基坑、非软土场地、基坑深度不宜大于12m。土钉墙支护施工速度快、用料省、造价低，与其他桩墙支护相比，工期可缩短50%以上，节约造价60%左右;而且土钉支护可以紧贴已有建筑物施工，从而省出桩体或墙体所占用的地面。但从许多工程经验看，土钉墙的破坏几乎均是由于水的作用，水使土钉墙产生软化，引起整体或局部破坏，因此规定采用土钉墙工程必须做好降水，且其不宜作为挡水结构。
(5)锚杆支护
锚杆支护是一种岩土主动加固的稳定技术，作为其技术主体的锚杆，一端锚入稳定的土(岩)体中另一端与各种形式的支护结构连接，并施加预应力，通过杆体的受拉作用，调动深部地层的潜能，达到维护基坑稳定的目的。锚杆支护适用性强，基本不受基坑深度的限制，而且可与多种支护结构形式联合使用，如排桩、地下连续墙、土钉墙等。但不宜用于有机质土，液限大于50%的粘土层及相对密度小于0.3的砂土。由于锚杆技术具有显著的技术经济效益，目前在我国基坑工程中应用较多，积累了丰富的工程实践经验。
(6)地下连续墙
地下连续墙具有整体刚度大的特点和良好的止水防渗效果，适用于地下水位以下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况，因此在国内外的地下工程中得到广泛的应用。并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡土围护结构，又是拟建主体结构的侧墙，如支撑得当，且配合正确的施工方法和措施，可较好地控制软土地层的变形。在基坑深(一般h>10m)、周围环境保护要求高的工程中，经技术经济比较后多采用此技术。但是地下连续墙在坚硬土体中开挖成槽会有较大困难，尤其是遇到岩层需要特殊的成槽机具，施工费用较高。在施工中泥浆污染施工现场，造成场地泥泞不堪。目前采用的逆作法施工使得两墙合一，即施工时用作围护结构，同时又是地下结构的外墙。逆作法施工一般用在城市建筑高层时，周围施工环境比较恶劣，场地四周邻近建筑物、道路和地下管线不能因任何施工原因而遭到破坏，为此在基坑施工时通过发挥地下结构本身对坑壁产生支护作用的能力(即利用地下结构自身的桩、柱、梁、板作为支撑，同时可省去内部支撑体系)，减少支护结构变形，降低造价并缩短工期，是推广应用的新技术之一。除现场浇筑的地下连续墙外，我国还进行了预制装配式地下连续墙和预应力地下连续墙的研究和试用。预制装配式地下连续墙墙面光滑，由于配筋合理可使墙厚减薄并加快施工速度。而预应力地下连续墙则可提高围护墙的刚度达30%以上，可减薄墙厚，减少内支撑数量，由于曲线布筋张拉后产生反拱作用，可减少围护结构变形，消除裂缝，从而提高抗渗性。这两种方法己经在工程中试用，并取得较好的社会效益和经济效益。
(7)加筋水泥土墙
加筋水泥土墙是在水泥土桩中插入H形钢(拉森板桩、钢管等)组成的。由H形钢承受侧向荷载，而水泥土则具有良好的抗渗性能，因此加筋水泥上墙具有良好的挡土和止水抗渗效应。水泥土桩和H形钢的组成形式一般有2种，而且水泥土桩中插入H形钢，设置支撑也十分方便。施工时为使H形钢可凭借自重顺利下沉至指定标高，水泥土桩施工一般采用三轴型全深搅拌的深层搅拌机，且需提高水泥掺入比。
加筋水泥土墙的一种典型代表是SMW。SMW法是SoilMixingWall的简称， 1976年由日本开发并应用于工程，是日本基坑围护的重要工法。在20世纪90年代末引进我国并开发应用于基坑工程围护。我国1994年在上海首次采用，1997年通过上海市科委技术鉴定， 199年被上海市建委、国家建设部列为科技成果重点推广项目。国内规范称为“型钢水泥土搅拌墙”，即在连续套接的水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土止水结构。其中搅拌桩可作为防渗帷幕，H型钢则作为基坑围护的主要受力构件。目前常用的三轴搅拌桩直径有650mm、850mm 、1000mm种，与之相配的H型钢为H500*300、H700*300、H850*300 。型钢的型号布置和长度，应根据基坑开挖形状深度与规模，以及周边环境条件，场地土层条件，支撑体系的设置等情况，通过设计计算确定，并配以相应直径和长度的搅拌桩。型钢有密插、插二跳一和插一跳一等布置形式。
1.2.2地铁明挖支护计算分析的理论方法及其发展
随着工程建设规模和复杂程度的与日俱增，岩土工程面临的荷载历史、土体性质和边界条件也愈加复杂，要考虑的影响因素也越来越多，仅仅靠古典力学理论己做不到合理、安全、经济地解决所遇到的工程问题。一般的结构分析方法有严格数学闭合形式的解析法，有基于实验的经验解法，还有运用于具有复杂性质的材料(如线形的应力--应变关系，非匀质和各向异性等、各种边界条件任意荷载情况以及任意结构几何形状等)的数值解法。近代电子计算机的发展和对土体本构关系认识的不断深入，使得运用数值方法来解决复杂的土质条件、加荷历史和边界条件下的岩土工程问题成为可能。数值解法又可分为微分方程的数值解和矩阵有限单元法两大类。因有限元解析方法可以通过类似于对杆系结构一维问题的分析思路(例如力法、位移法及混含法)来求解连续介质力学中较复杂的二维和三维结构问题，从而被辛凯维兹(O.C.zienkiewiez)、阿古律兹问(W.H.Agfyris)等人由航空结构力学中推广到非结构领域和非线性岩土工程，近数十年来在工程实际应用和科研工作中得到了越来越广泛的运用。
1) 古典理论计算方法：
这是计算板桩墙的常用方法，主要有自由端支撑法(静力平衡法)、弹性线法、等值梁法，后来又提出1/2分割法，矩形荷载经验法，太沙基法，均适用于基坑围护结构计算。下面介绍静力平衡法和等值梁法。
a) 静力平衡法
它假定支护结构是刚性的，随着板(桩)入土深度的不同，作用在不同深度上各点的净土压力的分布不同。当单位宽度板(桩)墙则处于稳定，相应的板(桩)入土深度即为板桩保证其稳定性所需要的最小入土深度，可根据静力平衡条件即水平力平衡方程 和对桩底截面的力矩平衡方程 联解求得。图1.1为单撑(锚)支护结构的内力计算简图。整个支护结构是稳定的，故作用在挡土结构上的Ra、Ea、Ep三力必须平衡。图中Ra为支撑(锚)力;Ea为主动土压力;Ep为被动土压力;qo为地面均布荷载。

图1.1 底部自由支承支护结构计算
根据力的平衡条件可以得到：
+=+
根据对支撑(锚)位置的力矩平衡条件可以得到:
=+
由以上两个方程可以得到关于入土深度t的三次方程，当主、被动土压力都确定后，入土深度只随撑(锚)位置h。而改变，调整h。可以调整入土深度，关系是:h。增大，t减小;反之增大。从而可以达到调整桩长的目的。同时桩中的最大弯矩也是h0的函数，当h0从小到大增大时，桩中的最大弯矩是先小后增大，它有一个最小值，取此值进行桩径设计可以使桩径最小。
b) 等值梁法
桩入坑底土内有弹性嵌固(铰结)与固定两种，当作一端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被动土压力，如图1.2所示。在计算过程中所要求得出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。
单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩如图1.2所示，若在得出此弯矩图前己知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将梁(即桩)断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整体梁计算时一样，此段梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算就称为等值梁法，其计算步骤如下：
i. 根据基坑深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动压力，求出土压力零点B的位置，计算B点至坑底的距离u值。
ii. 由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力。

图1.2 等值梁法计算简图
iii. 由等值梁BG求算板桩的入土深度，取艺Mc=0，则：

由上式求得：

由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得：

如土质差时，应乘系数1.1~1.2，即：

由等值梁求算最大弯矩值。
c) 连续梁法
当多支撑时其计算原理相同，一般可当作刚性支撑的连续梁计算(即支座无位移)，并应对每一施工阶段建立静力计算体系。如图1.3所示，应按以下各施工阶段的情况分别进行计算。
i. 在设置支撑A以前的开挖阶段(图1.3a)，可将挡墙作为一端嵌固在土中的悬臂桩。
ii. 在设置支撑B以前的开挖阶段(图1.3b)，挡墙是两个支点的静定梁，两个支点分别是A及土中净土压力为零的一点。
iii. 在设置支撑C以前的开挖阶段(图1.3C)，挡墙是具有三个支点的连续梁，

图1.3 各施工阶段的计算简图
三个支点分别为A、B及土中的土压力零点。
iv. 在浇筑底板以前的开挖阶段(图1.3d)，挡墙是具有四个支点的三跨连续梁。以上各施工阶段，挡墙在土内的下端支点，已如上述取土压力零点，即地面以下的主动土压力与被动压力平衡之点。但是对第2阶段以后的情况，也有其它一些假定，常见的有：最下一层支撑以下主动压力弯矩和被动压力弯矩平衡之点，亦即零弯矩点；开挖工作面以下，其深度相当于开挖高度20%左右的一点；上端固定的半无限长弹性支承梁的第一个不动点；对于最终开挖阶段，其连续梁在土内的理论支点取在基坑底面以下0.6t处(t为基坑底面以下墙的入土深度)。
2) 杆系有限元计算方法
随着基坑开挖在深度上的增加和难度上的加大，为更好地反映基坑开挖的真实情况，许多人在对计算方法和计算模型进行了修改和完善。杨光华等用增量法来模拟更为复杂的施工过程，考虑了土、墙、锚杆或支撑的共同作用，而后他们在增量法的基础上提出了预应力支护结构的计算方法。陈光敬等按土层分层、支撑位置及抗弯刚度变化，用转移矩阵法计算围护墙体的受力和变形及支撑反力。罗河炎认为采用考虑支撑滞后的“m”法计算模式较为符合实际情况，计算结果更为合理。金亚兵利用有限(线)单元法分析了悬臂挡土桩的锚杆支护实例，结果表明理论值与实测值相吻合。赵永伦等将施工因素考虑进去，对弹性杆系有限元进行了修正。潘溉等把支撑和竖向支柱作为一个框架结构，从而对内支撑支护结构进行计算。杨敏等以弹性地基梁法为基础，考虑开挖过程及回填过程对深基坑挡土结构作用影响，建立了围护结构的内力和变形的变化过程的完整模拟。
a) 杆系有限元分析过程
如图1.4是杆系有限元分析挡土结构的通用计算图图示

图1.4 杆系有限元法计算简图 图1.5 梁单元计算简图
对于梁单元(见图1.5 )，取梁轴线为x轴，则可写出该梁单元的刚度矩阵表达式为：
式中 Xi、 Xi一节点i，j轴向力；
Yi、Yi一节点i，j剪切力；
Mi、Mi一节点i，j弯矩；
Ui 、Ui一节点i，j轴向位移；

Vi， Vj一节点i, j横向角位移；
，一节点i, j转角；
E一挡土结构材料弹性模量；
I一挡土结构截面惯性矩；
A一挡土结构截面面积；
L一单元长度。
对于支撑或锚杆，单元刚度矩阵为：

式中E一支撑或锚杆材料弹性模量;
A一支撑或锚杆截面面积;
L一支撑或拉杆长度。
对于弹性地基梁单元，其刚度矩阵Winkler采用弹性地基梁单元，如图1. 6,梁的轴线为x轴，其弹性曲线的微分方程为：

式中q-梁上荷载强度。

图1.6 弹性地基梁计算简图
利用初参数法，可求解式

式中 ，——节点i, j处绕x轴弯矩；
，——节点i, j处剪力；
，——节点i, j处绕z轴弯矩；
，——节点i, j处绕x轴转角；
，——节点i, j处横向位移；
E一挡土结构材料弹性模量；
I-一挡土结构截面惯性矩；
1一梁单元长度；
，，，，，为系数，表达式分别为

其中为梁的弹性特征，K为土的水平向基床系数。

2工程概况及方案拟定
2.1课题背景
西四站主体结构位于西四东大街西侧，在阜成门内大街、新华书店和元大都下水道的下部，而新华书店和元大都下水道为市级文物保护建筑，位于车站西北侧的广济寺为国家级文物保护建筑；现状地面交通繁忙，车流密度比较大，道路交通不能中断；阜成门内大街地下两侧管线较多，有上水、污水、通信、电力、天然气等各种管线。
2.1.1地质条件
（1）地质特征
本场区的地层可分为人工堆积层和第四纪沉积层，第四纪沉积以晚更新世冲洪积层为主，如图2.2，对暗挖段工程影响较大的地层依次有：
粉土填土①：黄褐色，松散－稍密，稍湿，含有砖渣、石子、混凝土块，连续分布。
粉质粘土③1：褐黄色，软塑，中压缩性，含少量云母、氧化铁、植物根及螺壳，连续分布。
粉质粘土④：褐黄色，软塑，局部硬塑，中压缩性，含有云母、氧化铁，连续分布。
粉土④2：褐黄色，密实，湿，中压缩性，含云母、氧化铁，连续分布。
粉细砂④3：褐黄色，密实，湿，低压缩性，含云母、氧化铁，连续分布。
卵石圆砾⑤：杂色，密实，湿～饱和，低压缩性，最大粒径为120mm ,一般粒径为20-35mm，大于20mm的颗粒含量约占全重的70%，中粗砂填充，卵石主要成分为辉绿岩、砂岩等，亚圆形，微风化，中粗砂充填，连续分布，且局部夹有圆砾薄层或透镜体。
粉质粘土⑥：褐黄-棕黄色，硬塑，中压缩性，含少量云母、氧化铁,薄层连续分布。
中粗砂⑦1：褐黄色，密实，湿－饱和，低压缩性，含云母、氧化铁及个别砾石，连续分布。
卵石圆砾⑦：杂色，密实，湿-饱和，低压缩性，一般粒径20-40mm，最大粒径160mm，亚圆形，微风化，>20mm颗粒约占全重的78%，卵石主要成分为辉绿岩、砂岩等，中粗砂充填，连续分布，局部夹圆砾薄层。
粉土⑧2：褐黄色，密实，很湿，中压缩性，含云母、氧化铁及粉砂薄层,连续分布。
粉质粘土⑩：褐黄色，硬塑，含云母、氧化铁及少量有机质，非连续分布。
粉土⑩2：褐黄色，很湿，密实，含云母及氧化铁，夹重粉质粘土薄层。
（2）在围岩稳定性方面。
结构底板：结构底板穿过的土层主要以中粗砂⑦1层为主，属Ⅵ级围岩。
结构顶板：结构顶板部位土层主要有粉质粘土④层、粉土④2层、粉细砂④3层；围岩稳定性差，无法形成自然应力拱，易发生坍落现象，围岩分级以Ⅵ级为主
拱墙：拱墙穿过的岩土层主要为粉土④2层、粉细砂④3层、卵石圆砾⑤层、粉质粘土⑥层；围岩分类均属Ⅵ级围岩；边墙下部以砂土和碎石土为主，围岩土体的自稳能力差，易发生坍塌现象。
地层分布情况见cad资料图。地面荷载取为20KPa。

3设计内容
3.1支护的具体选型
西四地铁站与新华书店间距15米，为了保证在进行地下工程施工的时候对原建筑物不构成影响，因此该边进行地基处理的时候先进行卸土和放坡处理，对于临近新华书店的情况，放坡1：1，然后采用插筋抹面进行支护。又由于新华书店和元大都下水道为市级文物保护建筑，所以对这两边支护也相对严格，采用土钉墙－桩锚的复合支护形式，而阜成门内大街地下两侧管线较多，基于安全支护考虑最终也采用土钉墙－桩锚的复合支护形式，支护方案见图3.1。

图3.1 基坑支护方案

3.2设计方法
西四站主体结构支护方案中，不仅有放坡设计计算、还有土钉墙和桩锚的组合形式，该设计用数值分析方法计算比较复杂，相反，由于选型的复杂性用原始的平衡力计算方法与工程经验法检验相结合更加简单，而这两种复合结构的稳定性计算除了考虑复合土钉墙整体稳定性外还需要对土钉、预应力锚杆、桩进行局部稳定性分析计算。
3.2.1局部稳定性计算
土钉支护计算包括内部整体稳定性的计算、土钉抗拉承载力的计算、外部整体稳定性计算(一般忽略)。内部整体稳定性的计算将采用圆弧滑动简单条分法，其中整体滑动系数可按工程经验，也可取1.3。土钉抗拉承载力的计算，可按规范中的计算公式计算
锚杆的计算内容为锚杆的承载力计算，锚杆的尺寸计算，锚杆的轴向受拉承载力计算，预应力的设计值。其中前四项可按照规范进行计算，预应力的设计值可取轴向受拉承载力的0.5-0.65倍。
而对于支护形式中的桩锚支护，将采用弹性支点法来计算，简单、迅速，无须求解微分方程，并且能求解支护桩桩身每一点的内力。
3.2.2整体稳定性计算
目前普遍采用的复合土钉墙整体稳定性的计算方法是圆弧滑动简单条分法。圆弧滑动简单条分法的计算理论中整体稳定系数一般可取1.3，但复合土钉墙考虑了桩和土钉力的相互影响，与素土边