上海地铁8号线黄兴路站基坑围护结构与施工组织设计毕业设计

本科生毕业设计

设计题目：

上海地铁8号线黄兴路站基坑围护结构与施工组织设计

专题：条形颗粒材料光弹实验的初步研究姓名：学号：

班级：

中国矿业大学毕业设计任务书

学院力学与建筑工程专业年级土木工程专业地下2010学生姓名**

任务下达日期：2014年 1 月10 日

毕业设计日期：2014 年1月10日至2014年6月5日

毕业设计题目：上海地铁8号线黄兴路站基坑围护结构与施工组织设计

毕业设计专题题目：条形颗粒材料光弹实验的初步研究

毕业设计主要内容和要求：

设计要求：

根据上海地铁黄兴路站基坑工程的实际资料，进行该车站基坑的围护结构设计和施工组织设计。结构设计内容应包括基坑地下连续墙施工方案、结开挖方案、围护构设计，并编制设计计算书。施工组织设计内容应包括施工准备、施工方法及辅助施工技术、施工总平面布置、施工进度计划和施工管理等内容。

绘制图纸：①黄兴路站基坑总平面图，②黄兴路站基坑平面图，③黄兴路站基坑纵剖面图。

专题要求：

利用光弹实验对条形颗粒进行初步研究，对条形颗粒材料和加载装置进行选择和设计，掌握试验方法和步骤，得到等差条纹图，对整个过程进行总结。

绘制图纸：1张。

其它要求：

绘制的图纸中，要求手工绘制1张。

翻译一篇与设计或专题内容相关的外文参考文献，其中文字数不少于3千字，并且附原文。

院长签字：指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

摘要

本毕业设计主要包括三个部分，第一部分是上海地铁8号线黄兴路站基坑围护结构设计；第二部分是上海地铁8号线黄兴路站基坑施工组织设计；第三部分是专题部分，条形颗粒材料光弹实验的初步研究。

在第一部分基坑围护结构设计中，根据基坑穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况，通过施工方案的比选，确定围护结构采用地下连续墙，支撑体系采用钢结构，并对其进行相应的强度和稳定验算

第二部分是基坑施工组织设计，根据基坑施工方法和基坑周边的环境情况，对施工前准备工作，施工场地布置，地下连续墙结构施工与基坑开挖等进行设计，并编制了工程进度计划，编写了相应的质量、安全、环境保护等措施。

第三部分是专题部分，内容是条形颗粒材料光弹实验的初步研究。利用光弹实验对条形颗粒进行研究，对条形颗粒材料和加载装置进行选择和设计，通过实验得到等差条纹图，对整个过程进行总结。

关键词：基坑；地下连续墙；施工组织设计；围护结构；条形颗粒

ABSTRACT

This graduation design mainly includes three part, the first part is the structure design of the Shanghai Metro Line No.8 Huangxing Road Station Pit; The second part is the design of the Shanghai Metro Line No.8 Huangxing Road Station Pit construction organization，The third part is special subject part which is a preliminary study of strip particulate material photoelastic experiment.

The second part is Foundation pit construction organization design, according to the excavation pattern and the environment circumstance of the foundation pit around, designing the construction preparative, the construction place arrange, underground continuous wall construction and the foundation pit excavation. Estimating the work project, weaving to write the homologous quantity、safety、civilization management measure.

The third part is the special subject part. Its contents are a preliminary study of strip particulate material photoelastic experiment. Research on the strip particles using photoelastic experiment. The selection and design of bar particle material and loading device. Obtained isochromatic fringe pattern by experiment. Summarized the whole process.

Keyword: foundation pit; diaphragm wall; the construction organization design; retaining structure; strip particles

目录

第一部分上海地铁8号线黄兴路站基坑围护结构设计

1 工程概况 (1)

1.1 工程地质 (1)

1.2 水文地质 (1)

1.3 基坑周围临近建筑物 (2)

1.4 周围管线及地下构筑物 (2)

1.5 周围交通状况 (3)

1.6 施工条件和气候 (3)

2 设计依据和设计标准 (3)

2.1 编制依据 (3)

2.2 基坑工程等级 (5)

3 基坑围护方案设计 (5)

3.1 钻孔灌注桩 (5)

3.2 深层搅拌水泥土围护墙 (5)

3.3 地下连续墙支护 (6)

3.4 SMW法 (6)

3.5 方案比选 (6)

4 基坑支撑方案设计 (7)

4.1 支撑结构类型 (7)

4.2 支撑体系的布置形式 (8)

4.3 方案比较和选定 (8)

4.4 基坑施工应变措施 (9)

5 计算书 (9)

5.1 荷载计算 (9)

5.2 围护结构地基承载力验算 (12)

5.3 基坑底部土体的抗隆起稳定性验算 (12)

5.4 抗渗验算 (13)

5.5 抗倾覆验算 (14)

5.6 整体圆弧滑动稳定性验算 (15)

5.7 围护结构内力变形计算 (15)

5.8 钢支撑强度验算 (20)

5.9 地下连续墙配筋验算 (22)

6 基坑主要技术指标 (24)

6.1 开挖土方量 (24)

6.2 浇筑混凝土量 (25)

6.3 钢筋用量 (25)

6.4 人工费用 (25)

第二部分上海地铁8号线黄兴路站基坑施工组织设计

1 基坑施工准备 (26)

1.1 基坑施工的技术准备 (26)

1.2 基坑施工的现场准备 (26)

1.3 其他施工准备 (27)

2 施工方案 (29)

2.1 概况 (29)

2.2 施工工法 (29)

2.3 地下连续墙施工 (31)

2.4 基坑开挖 (35)

2.5 施工主要技术措施和关键部位技术措施 (36)

3 施工总平面布置 (37)

3.1 施工现场布置原则 (37)

3.2 场地布置 (37)

4 施工进度计划及管理措施 (37)

4.1 工程安排的原则 (37)

4.2 施工进度计划 (38)

4.3 施工质量过程控制 (39)

5质量、安全、文明管理措施 (40)

5.1质量管理 (40)

5.2土方运输环境管理 (41)

5.3安全生产管理措施 (42)

5.4文明施工措施 (42)

第三部分条形颗粒材料光弹实验的初步研究

1 绪论 (43)

1.1 研究背景和意义 (43)

1.2 国内外研究进展 (43)

1.3 本实验研究的内容和目的 (44)

2 光弹性原理 (45)

2.1 光弹实验中的光学基本概念介绍 (45)

2.2 平面应力-光学定律 (46)

2.3 圆偏光场通过受力模型后的光效应 (47)

2.4 颗粒材料应力计算方法的简单介绍 (49)

3 条形颗粒材料的制作 (51)

3.1 光弹材料概述 (51)

3.2 条形颗粒的加工 (52)

3.3 条形颗粒的测试 (53)

4 加载装置的设计 (55)

4.1 概述 (55)

4.2 整体框架 (56)

4.3 加载系统 (57)

4.4 容器 (58)

5 光弹仪介绍和实验步骤 (59)

5.1 数字光弹仪的组成 (59)

5.2 数字光弹仪的操作 (60)

5.3 实验方法 (61)

5.4 实验步骤 (61)

5.5 实验结果 (62)

6 结论与建议 (63)

6.1 主要结论 (63)

6.2 对工作的几点建议 (63)

参考文献 (64)

翻译原文 (66)

中文翻译 (73)

1 引言 (73)

2相步算法 (75)

3正则化算法 (76)

3.1正则化过程 (76)

3.2等倾角的测定 (77)

4 结论 (78)

致谢 (80)

第一部分

上海地铁8号线黄兴路站基坑围护结构设计

1 工程概况

黄兴路站位于控江路与黄兴路交汇处东北方200m左右，修建于控江路路面之下，车站设计里程桩号SK5+700～SK5+860，中心里程SK5+780，为地下两层岛式丙级站。

黄兴路车站外包长161.6m，标准段外包宽度18.6m，南、北端头井外包宽度22.6m。车站主要土建结构包括车站主体结构、3个出入口、南北风井，基坑开挖采用明挖顺作法施工，端头井长13.8m，采用两层双柱多跨梁式框架，标准段长134m，采用单柱双跨钢筋混凝土结构。

1.1工程地质

根据勘察地质报告，本工程建址上部土体均为饱和粘土，成层分布，分布稳定，属第四系河口~滨海相沉积，不存在微承压水层，建址周围无地下水污染源。相对于上海地区其他类似工程而言，本工程的地质条件和水文条件较为理想，车站场地地势平坦，地面标高为3.5m，本工程设计施工范围内共有8层土，其土性特征描述如下：

表1.1 黄兴路站土层物理参数表

土层编号土层名称土层描述厚度（m）

层底标高

（m）

重度

（kN/m3）

①填土水泥、碎石等杂物，下

部由粘性土组成

1.9 1.6 18

②1褐黄色粉质粘土含有氧化铁斑点及铁

锰质结核

1.2 0.4 18.4

③灰色淤泥质粉质粘

土

含云母、有机质，夹粘

质粉土、薄层粉砂，土

质不均匀

5 -4.

6 17.3

④灰色淤泥质粘土

土质均匀，土面较光

滑，含云母。贝壳碎屑

夹少量薄层粉砂

8 -12.6 16.7

⑤11灰色粘土含云母、有机质，夹少

量泥钙质结核

3 -15.6 17.6

⑤12灰色粉质粘土夹粉砂较多，中等压缩

性

5.4 -21 17.7

⑤2灰色粉砂土质不均匀，夹少量粘

土

6 -2

7 17.9

⑤3灰色粉质粘土土质不均匀18 -45 18.2

1.2水文地质

根据上海地区的区域水文地质资料，结合黄兴路站地层状况，可将地下水类型分为两类：潜水与承压水。

（1）潜水含水层

自地面标高向下至地下36m处范围内的土属于饱和的粘性土，饱和粘性土所在地层透水性都很弱。地下水水位的高低变化主要受降雨、日照蒸发的影响，潜水的地下水位深度为2.0m左右，其绝对标高为+1.5m左右。地下水不会对混凝土产生破坏作用，但会和钢结构产生弱腐蚀作用。

（2）承压含水层

承压水埋置深度距地面约为29.0m。由实际水文地质的数据可知，一直到地面下方45.0m仍属于承压含水层范围，则该层至少有16.0m厚。根据区域地质资料，本场地的承压含水层属于上海地区第一承压水含水层，绝对标高-0.5m，即承压水头高度在地表下4.0m处。

1.3基坑周围临近建筑物

黄兴路站西侧是黄兴路、靖宇南路和内环线高架，东侧为源泉路。车站所在控江路段道路较窄，路面宽约12m，车站周边环境相对简单，建筑物距车站基坑均距离适中，但保护要求高。处于基坑外挖深度2倍范围（34m）内的主要建筑物及其基础类型、结构形式、距基坑距离如下表所示：

表1.2 临近建筑物

编号名称建筑结构/层数基础类型到基坑距离

1.必胜客控江餐厅砖混/3层条形基础15m

2.杨浦大剧院砖混/2层条形基础30m

3.鑫鸿商务楼砖混/4层条形基础29m

4.报刊亭砖混/1层条形基础28m

5.湘水人家砖混/4层条形基础33m

6.天龙宫砖混/4层条形基础20m

7.控江路1200弄9幢框剪/7层桩基33m

8.控江路1197弄2幢框剪/7层桩基16m

从上表可以看出，黄兴路站周围只有控江路1200弄9幢、控江路1197弄2幢为高层、且为民用建筑，其余多是商业建筑，离主体基坑最近的的分别是相距15m的必胜客控江餐厅和相距16m的控江路1197弄。

整体来看，车站周围无复杂建筑物，且大部分距离较远，因此施工时及时支撑、加强监测，采取有效措施，即可保证周围建筑物安全。

1.4周围管线及地下构筑物

黄兴路站地下基本没有地下构筑物，但有较多管线，具体情况如下表：

表1.3 场地内地下管线分布

管线类型管径（mm）

/规格

埋深（m）材质所处位置

处理

方法

电力1根0.7 缆控江路道路下搬迁电力1根0.6 缆控江路道路下搬迁

煤气φ150 1.2 铁控江路道路下搬迁

雨水φ900 1.9 砼控江路道路下搬迁

污水φ300 2.0 砼控江路道路下搬迁

污水φ300 1.2 砼控江路道路下搬迁

上水φ150 1.2 铁控江路道路下搬迁

上水φ4000.9 铁控江路道路下搬迁

电话1根0.6 缆控江路道路下搬迁1.5周围交通状况

黄兴路站沿控江路布置，周围有黄兴路、靖宇南路和源泉路，位于靖宇南路与控江路相交的T形路口和源泉路与控江路相交的十字路口之间，靠近靖宇南路。因控江路连着黄兴路和双阳路两个主干道，所以车辆不多，除上下班时稍拥挤，其余时段交通状况较好。在地铁站附近有一控江路-黄兴路公交车站，在黄兴路保证翻交道路宽度情况下对途经该站的线路影响不大。出地铁站向东200m左右为黄兴路内环高架路，方便与市区的连接。

控江路宽度21m，机动车双向通行，设4股机动车道，路宽12m，两侧人非各宽约4.5m。靖宇南路现状为机动车南向北单向行驶，非机动车双向，路幅宽度约7m，路侧设一停车带，车流量很小。源泉路现状为机动车向北向南单向行驶，非机动车双向，路幅宽度约9.5m，车流量较小。

1.6施工条件和气候

对本标段黄兴路站的工程技术进行分析，可以发现开挖深度大、环境保护措施较严格、施工范围较小等一些不利条件，这些必将带来工程技术实现的较大难度，风险亦较高。因此，施工过程中，要针对不同的技术难点和特点，制定相应的控制措施。黄兴路车站的地下连续墙、SMW围护等围护方式分别在两站的主体结构与出入口得到应用；此外，明挖顺筑、盖挖逆筑、盖挖顺筑等施工工艺亦被运用到基坑的开挖与结构制作中，工序多、施工难度大、组织复杂。

上海地处亚热带地区，为亚热带季风性气候，冬季温和少雨，夏季降雨较多，特别要注意的是六七月份是梅雨季节，雨量占全年的四分之一，这时进行施工会比较困难，对基坑要采取必要的降水措施。

2 设计依据和设计标准

2.1 编制依据

（1）上海市轨道交通八号线工程7标段（黄兴路站）土建施工招标文件和招标补充文件。

（2）上海市轨道交通八号线工程7标段（黄兴路站）土建施工招标图及施工图。

（3）参考资料

1）上海市轨道交通八号线黄兴路站岩土工程勘察报告；

2）有关黄兴路站的施工用地范围平面图；

3）有关黄兴路站的交通组织平面图

4）有关黄兴路站的地下综合管线图。

施工参照的主要技术规范见下表。

表2.1 主要技术规范一览（不限于）

序号编号名称

1 国家和地方政府颁布的强制性条文

2 GB50299-1999 《地下铁道工程施工及验收规范》

3 GB50204-2002 《混凝土结构工程施工质量验收规范》

4 GB50205-2001 《钢结构工程施工质量验收规范》

5 GB50202-2002 《建筑地基基础工程施工质量验收规范》

6 JGJ79-2002 《建筑地基处理技术规范》

7 SZ-08-2000 《上海地铁基坑工程施工规程》

8 DBJ08-61-97 《上海市标准基坑工程设计规程》

9 DGJ08-236-1999 《市政地下工程施工及验收规程》

10 GB50300-2001 《建筑工程施工质量验收统一标准》

11 GB50108-2001 《地下工程防水技术规范》

12 GB50208-2002 《地下防水工程质量验收规范》

13 DGJ08-11-1999 《上海市地基基础设计规范》

14 GB500308-1999 《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》

15 CTJ49-92 《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》

16 GB/T50326-2001 《建设工程项目管理规范》

17 DBJ08-202-92 《钻孔灌注桩施工规程》

18 JGJ109-96 《钢筋锥螺纹接头技术规程》

19 TB10203-2002 《铁路桥涵施工规范》

20 GBJ50011－2001 《建筑抗震设计规范》

21 DGJ08－9－92 《建筑抗震设计规程》

22 GB50021－2001 《岩土工程勘察规范》

23 现行的国家及上海市颁发的其他技术规范和标准

2.2基坑工程等级

根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB 50202-2002的相关规定，只要满足以下任一条，则该基坑的工程等级定为一级：

（1）重要工程或支护结构作为主体结构的一部分；

（2）开挖深度大于10m；

（3）基坑的开挖深度大于与周边建筑、重要公共设施距基坑的距离；

（4）施工周围有需要重点保护的建筑物的基坑。

三级基坑为开挖深度小于7m，且对附近环境要求不高的基坑。经判断既不是一级基坑也不是三级基坑的基坑，均定为二级基坑。因为黄兴路车站基坑开挖深度大于10m，故本车站基坑安全等级为一级。

3 基坑围护方案设计

基坑开挖是否采用支护结构，采用何种支护结构要视具体情况而定，综合考虑各种因素，如周边环境、地质条件、开挖深度等，然后根据实际情况，按照经济、技术、环境条件综合比较确定。现列出以下几种基坑围护方案以供比选。

3.1钻孔灌注桩

灌注桩是一种常用的基坑围护方式。通过相关设备或手段在土层中形成桩孔，将钢筋笼放入孔中，再浇灌混凝土就成了灌注桩。

钻孔灌注桩的优点：施工时，对周围环境影响较小；墙体的强度和刚度都很大，用作基坑围护时产生的变形较小；能较好的适应软黏土和砂土地区。

钻孔灌注桩的缺点：属排桩式挡土墙，易造成水土流失，这时就要根据具体情况采取水泥搅拌桩、注浆或旋喷桩等措施来解决问题；在沙砾层和卵石中施工困难；整体性和稳定性相对较差，如果基坑开挖深度较大，则不宜使用。

3.2深层搅拌水泥土围护墙

深层搅拌水泥土围护墙：利用搅拌机将输送的水泥浆和土体进行拌合，形成的柱状水泥土挡墙。

深层水泥土围护墙优点：能充分利用相关设备快速开挖；费用较低；施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微，因此在闹市区内施工更显出优越性。

深层水泥土围护墙的缺点：围护墙体厚度较大，只有当条件允许时才能采用，另外，

施工时对周围环境的影响较大，在基坑长度较大时，会产生较大位移，需采取起拱等措施使其稳定。

3.3地下连续墙支护

地下连续墙是利用特制的挖槽设备，按一定规律沿着地下结构或基础的周边按规定的宽度和深度挖出一个槽形孔，然后在槽形孔内安放制作好的钢筋笼，并浇筑混凝土，最后将一个个槽板连成一道钢筋混凝土的墙。地下连续墙已经成为基坑施工中有效支挡基坑土体的结构，地下连续墙结构既可以又可以挡土防渗，根据开挖深度不同可以是悬臂式的，也可以使用内支撑和土层锚杆加固。

这种支护结构的优点是抗渗性能好、整体性好，附近土体不会出现较大的变形，能保障周围房屋的稳定。它适用的土体类型很广，基本上无土类限制；在支撑布置合理的条件下，目前还没有对深度进行限制，但相比其它支护形式，造价较高。

3.4 SMW法

SMW工法是将H 型钢等插入水泥土桩内，使新形成的围护墙既能承受荷载，又能抗渗的工法。

SMW法的优点：价格低廉，用过的型钢还能回收再利用；成桩后，止水效果良好，如果水泥掺量达到25%，止水效果会更好；对分段施工的处理较简单，且不会形成施工缝；能加快施工进度。

SMW法的缺点：基坑围护结构属于柔性支护，不适用于较深的基坑，否则会产生较大变形，；耗电量大。

3.5 方案比选

本工程为地铁基坑，有其特殊性，因此在比选时，着重考虑以下三个因素：（1）开挖深度大，最深处达17m；（2）长度较长，外包长度161.6m；（3）地处市中心，周围多商业民用建筑。

对于钻孔灌注桩，桩于桩之间的连接主要是通过桩顶冠梁，整体性相对较差，而本基坑开挖深度最大达17m，整体稳定性无法保证，故不采用。因为本基坑是地铁车站基坑，故长度较长，而深层搅拌水泥土围护墙位移相对较大，尤其在基坑长度大时，所以也不宜采用。SMW法也因为会产生较大变形，而应该被否决，但考虑到其造价较低、止水效果好，可以在风井及出入口基坑中使用。地下连续墙因其较好的整体稳定性、不会对周围建筑造成影响、能适用于深大基坑等优点，应该被优先选用。

设计的地下连续墙其厚度为800mm，采用C40混凝土浇筑。端头井部分深30m，标准段部分深27m，根据《地下工程防水技术规范》当工程埋置深度大于10m时，抗渗等级应为P8。

4 基坑支撑方案设计

4.1支撑结构类型

支撑系统的主要作用是承受由围护结构传来的水、土压力及其它外荷载，由围檩、立柱和支撑组成。围檩是固定在围护墙上，能将围护墙承受的侧压力传递给支撑（纵、横两个方向）。支撑属于受压构件，当支撑长度超过一定范围时会失去稳定性，所以在其中央部分需要增设立柱，立柱的底端需要固定，最好插入工程桩内，当无法利用工程桩时要另外设桩（灌注桩）。

深基坑围护系统的支撑体系可以采用木材、钢材、钢筋混凝土等作材料，其中经常使用的是钢筋混凝土和钢支撑。

4.1.1 钢筋混凝土支撑

钢筋混凝土支撑是较为常见的一种支撑形式，在我国沿海的软土质地区有着广泛应用。具有以下优点：

（1）形状多样。利用现浇的特点，可以浇筑成多种形状，也可以根据实际情况，对布置模式进行优化；

（2）截面尺寸大，刚度大，安全可靠，能有效减小围护墙变形，方便对保护周围环境；

（3）可方便快捷地变化构件的截面和配筋，来适应其内力的变化；

（4）松弛变形小，抗碰撞性能好，利于机械挖土施工。

（5）经过计算后能在支撑系统堆放荷载，可以节约施工用地，适用于场地狭小的地下工程的施工；

钢筋混凝土支撑具有以下缺点：

（1）成形和发挥作用的时间都很长，现浇也需要较长时间，养护达到要求的强度所用时间更长，因此导致围护墙因时间效应而使变形增大；

（2）只能使用一次，不能被多次利用（但做成装配式的可以）；

（3）不容易拆除，如果利用控制爆破技术拆除，有时会对周围环境产生影响，如果利用人工拆除，不仅浪费时间，而且工人劳动强度大。

4.1.2 钢支撑

钢支撑的作用是增强结构的稳定性，其组件包括固定端、活络接头端。常用钢支撑的类型有H型钢、钢管和角钢等，对于规模较大的基坑，多选用H型钢或钢管。

钢支撑有以下优点：

（1）强度高；

（2）均匀性好，一般为工厂制品，材质的离散性小；

（3）安装和拆除速度快，能很快发挥支撑的作用，减小时间效应，围护墙因时间效应增加的变形也相应减小；

（4）可循环使用，多为租借形式，有利于专业化施工；

（5）可对钢支撑施加预紧力。