深基坑逆作法施工土方跃层开挖的数值模拟与实测分析

摘 要：结合某大型深基坑工程实例，借助大型岩土类有限元分析软件Midas-GTS，对基坑在土方跃层开挖施工过程中地下连续墙与临界基坑地表的变形进行动态的数值模拟；同时，通过地下连续墙的水平变形监测，获得地下连续墙典型测点随基坑开挖深度变化的曲线。通过对数值模拟成果和现场实测结果的综合分析与对比，获得该深基坑土方跃层开挖过程中地下连续墙及周边土体的变形响应特征。结果表明：土方跃层开挖将对地下连续墙及周边环境产生不利影响，其产生的地下连续墙最大水平位移值约20 mm，但仍在合理值范围内；适当的采取施工措施，如在基坑四周尽可能预留较多反压土，可有效减小土方跃层开挖对地下连续墙产生的不利影响。研究成果对指导类似深基坑的设计和施工具有重要的参考价值。

关键词：大型深基坑；逆作法施工；数值模拟与实测；跃层开挖；地下连续墙；变形特征

中图分类号：TU 924 文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2018）05-0751-07

0 引 言

随着中国城市经济的不断持续发展，城市空间的扩张与土地匮乏之间的矛盾愈演愈烈，许多城市地面空间的开发已近饱和，地面空间已经不能满足城市持续快速发展对土地的需求，于是对城市地下空间的开发和利用就显得尤其重要与迫切。逆作法在解决施工场地狭小、开挖深度大、周边环境特别复杂的地下工程中，较传统顺作法，显示出其巨大的优越性[1]。逆作法是利用自身结构刚度较大的梁板、柱和桩作为支撑体系，可使得挡土结构变形较小，保证基坑施工的安全性、稳定性，以及最大程度地减小对基坑周边岩土体的变形及其它复杂周边道路、房屋建筑等环境的影响[2～7]。逆作法工程是在几乎封闭的环境下进行土方开挖，即盖挖取土，其出土效率低，严重影响工期。而采用土方跃层开挖施工技术，即前一次土方开挖跳过结构梁板的施工，而与后一次土方开挖一起作为一次性开挖的施工技术[8]，可有效提高施工机械的利用效率，缩短工期。自20世纪30年代提出以来，已在日本、欧美等国家得到重视和广泛的应用，20世纪50年代引入我国，并从20世纪90年代至今在我国得到了较为广泛的应用与研究。李定江、钟铮等人对深基础工程跃层逆作法的工艺原理和特点、适用范围、施工关键技术进行了介绍与分析，并通过在实际工程中的应用，对跃层逆作法工艺的经济效益与社会效益进行了对比分析[8]；芮瑞、夏元友基于三维有限元，对采用“逆作法”施工的地下连续墙深基坑进行了设计方案研究，按变形控制提出了设计方法[9]；谢小松、徐伟对于“半顺作半逆作”基坑开挖中地下连续墙进行数值建模与模拟分析，得出地下连续墙在基坑开挖过程中的变形与应力情况[10]。可见，目前已有部分学者对深基坑施工的逆作法及其跃层开挖进行研究，但多数仅采用数值模拟的方法，研究成果仅对基坑施工开挖过程可能出现的变形规律进行预测，缺少基坑工程施工过程中基坑周围岩土体和建（构）筑物变形实测数据的科学检验，研究成果在工程推广应用方面受到一定的限制。目前，对数值模拟与现场实测相结合的综合分析研究工作则鲜见文献报道。文中结合某大型深基坑工程跃层开挖的工程实例，采用有限单元法和现场变形监测手段，通过数值模拟与现场实测数据分析相结合的方法，获得基坑周围地下连续墙（以下简称“地连墙”）在逆作法施工土方跃层开挖过程中的变形响应特征规律，评价该基坑采用逆作法施工土方跃层开挖方案的合理性，力求为类似基坑工程逆作法施工土方跃层开挖方案的设计和工程施工提供技术参考。

1 工程概述某大型建筑工程位于城市中心地段，建筑面积约15.4万m2，用地面积约1.17万m2，包含地下5层、主楼45层、附楼16层以及裙房9层。其中地下5层基坑开挖深度约22 m，东西向长度约为83 m，南北向长度约为118 m，呈不规则长方形；基坑周边临近建筑物和地下管线较多，西侧临近多层住宅最近处仅4.2 m.经过综合分析确定，该基坑开挖采用逆作法施工技术，围护结构采用“两墙合一”的地连墙，即基坑围护墙兼作主體工程地下结构的外墙；基坑施工总体方案为“周边逆作，主楼顺作”。在施工过程中，采用信息化监测技术对基坑变形和周边建筑物沉降进行实时监控，文中选取1-6#和2-4# 2个深层水平位移典型测点对地连墙深层水平位移进行实测分析。该基坑开挖场地土层性质见表1，周边环境及支护方案总平面图、测点位置如图1所示。

如图2所示，该基坑土方开挖共分为4次。第1次土方开挖是在B0板施工完毕后，进行负一层土方的开挖，开挖土层厚约4.50 m，然后施工B1板。

第2次土方开挖是在B1板施工完毕后，进行负二层土方的开挖，开挖土层厚约5.10 m，然后施工B2板。

第3次土方开挖是在B2板施工完毕后，进行负三层土方的开挖，开挖土层厚约3.65 m，然后施工B3板。第4次土方开挖是在B3板施工完毕后，同时进行负4层、负5层以及基础底板处土方的开挖，开挖土层厚约8.30 m；采取土方跃层开挖方式，并在基坑内侧四周按放坡系数1∶1留少量反压土，待跃层开挖完毕后，再施工B4板，然后将少量反压土挖除，最后进行底板基础的施工。

2 建模及工况模拟

2.1 计算模型与参数选取本工程采用大型岩土类有限元分析软件Midas-GTS进行基坑开挖与支护的模拟分析，结合该工程的地质、结构等特点，建立三维有限元模型，如图3所示。

模型采用六面体单元，进行计算区域的网格划分，共划分40万个单元；周边建筑物按均布荷载形式添加进模型，建筑物按每层荷载为15～20 kN/m2取值；东侧和北侧道路荷载取为20 kN/m2；B0层施工荷载取为30 kN/m2，其它楼层均添加荷载2 kN/m2；坑外超载取为20 kN/m2.土体本构模型采用莫尔-库仑模型，钢筋混凝土结构采用线弹性本构模型。土体采用三维实体单元，圈梁、冠梁以及立柱和桩均采用梁单元，地连墙和板采用板单元[11-18]。支护结构构件的计算参数具体取值见表2.

2.2 施工工况模拟基坑的开挖和支护结构是一个随时间而不断变化的时变系统[19-24]，为了真实地模拟逆作法基坑开挖过程对支护结构的影响，这里使用数值模拟分析软件Midas-GTS中的“激活”和“钝化”功能模拟土体开挖和支护结构的施工。施工工况模拟步骤如下

1）“钝化”所有支护结构单元，首先生成初始应力场，模型赋予边界条件和周边环境荷载等静力荷载，位移清零；

2）“激活”地连墙单元、一柱一桩单元以及B0板单元，模拟地连墙、一柱一桩和负一层顶梁板施工；

3）“钝化”第一次土方开挖的土体单元，模拟第一次土方开挖的情形；4）“激活”B1板单元，模拟负二层顶梁板施工；

5）“钝化”第二次土方开挖的土体单元，模拟第二次土方开挖的情形；6）“激活”B2板单元，模拟负三层顶梁板施工；7）“钝化”第三次土方开挖的土体单元，模拟第三次土方开挖的情形；8）“激活”B3板单元，模拟负四层顶梁板施工；9）“钝化”第四次土方开挖的土体单元，模拟第四次土方跃层开挖的情形；10）“激活”B4板单元和底板基础单元，模拟负5层顶梁板施工和底板基础施工。

3 数值模拟与实测结果

3.1 地连墙随施工工况的变形特征根据数值模拟计算结果，可以得出工况（9）跃层开挖模拟完毕后，地下连续墙水平位移云图如图4所示，并绘制出地连墙在各工况下水平位移达到最大值时的变化曲线，如图5所示。

从图5可以得出，随着基坑的开挖和施工，地连墙在各工况下的最大水平位移呈阶梯状逐渐增大；开挖到底时最大水平位移约为19 mm，底板施工完毕后地连墙水平位移趋于稳定。每次“开挖”工况下的地连墙位移的变化速率要比“加撑”工况下的变化速率大；在工况9的土方跃层开挖后，其地连墙位移的变化速率最大，可见跃层开挖对地连墙的水平位移影响较大。其最大位移19 mm仍在合理范围之内，可见跃层开挖施工方案既可提高土方开挖效率，也可保证基坑支护体系的安全性和稳定性。

3.2 墙外地面沉降的变形特征根据数值模拟计算结果，取支护方案中最大圆形出土口东侧某支护最薄弱最位置（图1），绘制出在进行土方开挖的工况（3）、工况（5）、工况（7）、工况（9）之后，地连墙外地面沉降曲线，如图6所示。

从图6可以得出，土方开挖过程中，地连墙外一定范围内的土体出现沉降，超出其影响范围则沉降逐渐减小以至沉降消失，沉降曲线总体呈烟斗形；在某一开挖深度，距离地连墙越近，其地面沉降值越大，最大沉降量出现在离地连墙较近的位置，随着开挖深度的增加，地面沉降值和其影响范围也越来越大；在工况（9）跃层开挖后，地面沉降值增加幅度较其他工况下明显增大，最终地面沉降值约为10 mm，但仍在合理的范围值之内。

3.3 地连墙随深度的变形特征

3.3.1 实测数据分析通过对支护方案中最大圆形出土口东侧的1-6#测点和西侧的2-4#测点（图1）监测数据的提取和整理，绘制出地连墙水平位移随深度变化的实测曲线，如图7所示。

从图7可以得出，1-6#测点曲线中在地连墙顶部的水平位移约9 mm，与图5中工况（9）跃层开挖模拟曲线在靠近地连墙处地面的沉降值约8 mm相对应，表明实测值和模拟值比较吻合；1-6#测点和2-4#测点变化曲线规律基本相同，均在地连墙深度约14～20 m范围内，地连墙的水平位移达到最大值，而该范围属于土方跃层开挖阶段；由于基坑西側比东侧的支撑结构数量多以及在实际施工中西侧所预留的反压土面积也比东侧留的多[25]，所以2-4#测点比1-6#测点的地连墙水平位移实测值均偏小约2～4 mm.

3.3.2 数值模拟与实测的对比分析将东侧1-6#测点水平位移随开挖深度变化的实测曲线、跃层开挖工况下和正常开挖工况下1-6#测点水平位移随开挖深度变化的模拟曲线绘制于图8中。

从图8和表3可以得出，跃层开挖工况下的实测曲线与模拟曲线基本重合，且最大水平位移值以及其发生的位置也很相近，进一步表明该工程的数值模拟的建模、参数选取以及分析结果真实可靠；正常开挖工况与跃层开挖工况相比，其最大水平位移值明显减小，且其发生的位置也不同，表明跃层开挖对基坑支护体系产生不利影响，但地连墙最大水平位移值约20 mm，在规范要求的警戒值范围内。

4 结 论

1）在深基坑逆作法施工过程中，基坑土方采用跃层开挖方式，会引起基坑周围地下连续墙和周边邻近土体发生水平变形；其中，地下连续墙在地表处的位移随开挖深度的变化呈现出先增大后减小的“烟斗型”曲线变化趋势，给基坑和支护体系的稳定带来不利的影响；

2）1-6#测点和2-4#测点的实测数据分析结果表明，在逆作法基坑土方跃层开挖中，适当的采取施工措施，如在基坑四周尽可能预留较多的反压土，可有效减小跃层开挖时对地连墙产生的不利影响；

3）数值模拟值或实测值分析的结果表明，该基坑工程采用跃层开挖的方式引起基坑地面沉降和地下连续墙的水平位移的大小均小于规范规定的警戒值。因此，该基坑逆作法施工过程中采用土方跃层开挖的方案是合理可行的，该施工方法也可为类似工程的施工提供借鉴。

推荐访问:土方 开挖 实测 数值 作法

---