二十一世纪是人类开发和利用地下空间的世纪,现代化的大都市走立体化开发之路,加强地下空间的开发和利用是未来发展的必然趋势。据北京市轨道交通线网规划方案,到2020年全市轨道交通里程将超过1000公里,未来10年内,轨道交通里程将以每年40公里的速度增长。在地下空间开发、地下交通的建设时,各种地下施工方法都会不同程度地对开挖体周围土体造成扰动、引起地表变形,并对地面的各类建筑会造成影响甚至破坏,而北京是一个汇集了无数名胜古迹、建筑和园林的历史名城,许多文物古迹可能因此而受到影响。因此有效地解决好城市建设与文物保护二者的矛盾,评价地下开挖造成的临近建筑物的损害,并采取有效措施保护这些建筑,无疑对于北京的地下空间开发、地下交通体系的构成有重要的意义。 本文依托北京市自然科学基金项目“地下开挖导致临近古建筑物损坏评价及其保护研究”(8062007)、“浅埋大型地下空间开挖诱发地表变形的预测与控制”(8022005),根据北京地区古建筑物基础与结构形式、北京地区的地质条件、隧道施工方法的特点,主要从地下开挖工程中土体本构模型的选取、开挖效应的模拟、砌体建筑物的损害评价、工程实例分析与保护等四个方面进行了相关的分析与研究,具体的研究内容和取得的成果如下： 从弹性条件下圆形隧道的开挖所引起的围岩应力变化特征分区入手,对开挖条件下的应力路径进行归类,比较不同模型在均质粘性土中开挖隧道时的应力分区和塑性区分布特点,得出适合于地下工程开挖的模型。针对北京的地层特点和现有岩土工程测试技术,提出了基于FLAC和内置语言FISH控制技术的模型参数的判断与输入方案。 基于FLAC数值方法和典型盾构开挖沉降曲线,提出了基于应力释放法的搜索应力释放率控制标准,并通过该法对影响地表沉降的因素进行了分析,包括隧道埋深、开挖断面大小、土体内摩擦角,比较了这些因素对地表沉降的重要性影响程度。 采用应力释放法研究了隧道开挖造成的围岩应力状态、围岩压力的分布形态和围岩的有效加固区域。发现随着应力释放率的增加,围岩压力图由开挖前初始的椭圆形向近似四边形发展,塑性区和围岩压力松动区之间呈现互动关系；隧道上部,从隧道的拱脚至拱顶,围岩加固对地表沉降的影响逐渐减弱；对比隧道上、下围岩的加固效果,发现上部围岩的加固效果强于下部,随着应力释放率的增加,这种差距呈不断扩大趋势。 根据典型工程实测资料对应力释放法和间隙法进行了改进,并对这两种方法的适用性进行讨论。对于间隙法,根据各种不同位移偏移量下对实测资料进行拟合结果,认为位移偏移量的合适值为0.8～0.9;总结了224种不同应力释放参数下的土体位移计算结果,发现随着隧道埋深与直径比(H/D)的增大,平均应力释放系数先减少后增大,应力释放不均匀系数不断减少；在H/D相同的情况下,随着开挖面积的增大,平均应力释放率有减少并稳定的趋势。基于离散元能量计算原理,把古建筑物简化为一平面墙体,提出了利用在位移加载过程中“吸能”和“耗能”能力的变化特征来评价建筑物损害程度。基于此,研究了墙体高度、隧道与墙体的不同位置关系、砖块体大小对损害程度的影响规律。探讨了基于离散元和FLAC耦合作用的建筑物损害评价模式。 对规划的北京地铁六号线盾构法下穿历代帝王庙影壁墙工程进行了研究,分析了隧道合理埋深,并采用离散元法对开挖全程中墙体的反应进行了模拟,利用能量原理对该影壁墙体所受的影响进行了评价。 对北京地铁四号线西四站下穿西四新华书店时引起该建筑的不均匀沉降和损害状况进行分析,采用有限元方法计算了该书店在沉降条件下的内力情况,利用经验方法评价了该建筑物的损害,对下一步的工程控制方案提出了建议。