蓋挖逆作法基坑施工監(jiān)測及數(shù)值模擬分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及城市規(guī)模的快速擴(kuò)張，深大基坑越來越多地出現(xiàn)在城市建設(shè)中。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，不同支護(hù)設(shè)計形式和開挖方式引起土體變形和支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)力調(diào)整的情況極為復(fù)雜，使得深大基坑開挖過程中基坑開挖穩(wěn)定和安全問題十分突出。天津濱海國際機(jī)場擴(kuò)建配套機(jī)場交通中心工程車站采用蓋挖逆作法施工，本文運(yùn)用FLAC3D軟件對基坑開挖及支撐拆除過程進(jìn)行了數(shù)值分析并將基坑開挖過程與實測結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 工程概況

天津濱海國際機(jī)場擴(kuò)建配套機(jī)場交通中心工程位于天津濱海國際機(jī)場航站樓北側(cè)進(jìn)出港及其東側(cè)的空地下，主要由地鐵2號線機(jī)場站、京津城際鐵路機(jī)場站、地下停車場工程、換乘通道工程與正在運(yùn)營的T1航站樓連接通道工程以及和T2航站樓連接的集散大廳工程組成。

京津城際鐵路機(jī)場站為島式站臺車站，整個交通中心結(jié)構(gòu)總長為726m，標(biāo)準(zhǔn)段負(fù)一層結(jié)構(gòu)總寬度為82 m，負(fù)二層結(jié)構(gòu)總寬為47.6m。該工程土建施工共分為4個標(biāo)段，見圖1。

圖1 標(biāo)段及車站平面

該工程03合同段包括3區(qū)和5區(qū)。3區(qū)為地下二層框架結(jié)構(gòu)，采用樁筏板基礎(chǔ)，豎向結(jié)構(gòu)為鋼管柱及混凝土側(cè)墻，橫向結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土梁板。本文選擇3區(qū)進(jìn)行分析，該區(qū)結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

圖2 03標(biāo)段車站結(jié)構(gòu)剖面

2 基坑結(jié)構(gòu)監(jiān)測

2.1 測點(diǎn)目的

基坑場地范圍內(nèi)土層條件較差，多為軟弱地層，地下水豐富。為確保該基坑工程的工程質(zhì)量和施工安全，需進(jìn)行必要的監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整開挖速度及位置，防止因圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大造成基坑整體坍塌破壞。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

墻體及支撐結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力監(jiān)測；基坑周圍土體位移及地下水位監(jiān)測。此外，還需要進(jìn)行現(xiàn)場巡視，密切關(guān)注圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水情況。具體的測點(diǎn)及測項布置見圖3。

圖3 土建3標(biāo)部分測點(diǎn)布置

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑開挖過程對墻體的水平位移影響很大。本文采用在連續(xù)墻體中布設(shè)測斜管來觀測水平位移變化，測斜管的數(shù)量與位置見圖3。選取B4和B10點(diǎn)進(jìn)行分析，見圖4。

圖4 B4和B10點(diǎn)水平位移隨時間的變化曲線

從圖4中可以看出，墻體的位移隨著開挖深度的增大絕對值會逐漸增大；澆筑負(fù)一層中板后，墻體水平位移出現(xiàn)一個明顯的拐點(diǎn)；負(fù)二層支撐施工后，變形也會產(chǎn)生明顯的改變；負(fù)二層底板施工前，基坑下部變形仍會逐漸增大；邊墻端部的變形絕對值要明顯小于墻中部的變化。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建模過程

模型上部從地面開始，整個模型高度60m，橫向?qū)挾?40m，縱向厚度10m（兩幅地下連續(xù)墻的厚度）。模型中基坑寬度為80.3m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深23.86m。模型邊界條件取地表為自由面，其他5個面為固定界面。模型的計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算物理及力學(xué)參數(shù)

3.2 分析步驟

根據(jù)較不利原則及實際施工情況，在模擬過程中，對基坑開挖的工況進(jìn)行了簡化，數(shù)值分析工況見表2。圖5為工況5下的有限元分析模型。

表2 數(shù)值模擬工況

圖5 工況5的模型

3.3 數(shù)值計算分析

對上述5個工況的模型計算的結(jié)果進(jìn)行后處理，可得到基坑在5個工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖和土體隆起結(jié)果。

3.3.1 墻身水平變形

選擇工況5進(jìn)行分析，圖6為地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移放大100倍后的效果。圖6中，左側(cè)為基坑南側(cè)地連墻的水平位移等值線變形，右邊為基坑北側(cè)地連墻的水平位移等值線，中間為基坑中部的中間墻水平位移等值線。

圖6 地下連續(xù)墻的水平位移（工況5）

從圖6中可以看出，墻身的變形規(guī)律是墻體向基坑開挖側(cè)發(fā)生水平位移且變形的最大處在基開挖的坑底附近。因此，拆除支撐后的連續(xù)墻水平位移變化不大，不會造成危險。

3.3.2 土體豎向位移及支撐軸力

選擇工況4來分析基坑開挖過程對土體的豎向位移的變形情況，見圖7。

圖7 工況4下土體的變形

從圖7中可以看出，第4步土方開挖后施工底板之前，負(fù)二層的混凝土支撐軸向應(yīng)力累計為5.4MPa，不會造成支撐受壓破壞，左側(cè)坑基坑坑底隆起變形值達(dá)到了18mm，也在設(shè)計的許可范圍內(nèi)。

3.3.3 坑底隆起

選取負(fù)一層及負(fù)二層坑底中心點(diǎn)的隆起情況進(jìn)行分析，圖8為兩中心點(diǎn)在5種不同工況下的隆起變化曲線。圖8中，黑線、紅線分別代表負(fù)一層坑底和負(fù)二層坑底土體的隆起變化。

圖8 基底隆起變化曲線

從圖8可以看出，左側(cè)負(fù)一層坑底土體在前兩個工況的隆起都有所增長，最大至18mm，而后隨著右側(cè)負(fù)二層的開挖土體開始沉降，而右側(cè)負(fù)二層坑底土體在前兩個工況的隆起較小，后兩個工況下的隆起增長較快，累計最大隆起量為24mm。

3.4 實測與數(shù)值分析結(jié)果的對比

為探討數(shù)值計算結(jié)果與實測值的吻合程度，分別將模型中北側(cè)測點(diǎn)B4、B10測點(diǎn)所在位置在基坑開挖完畢后的變形分析結(jié)果（工況4）與實測值加以比較，以驗證數(shù)值計算的正確性，見圖9。

圖9 墻體水平位移隨深度變化

從圖9中可以看出，在基坑開挖完畢，負(fù)二層底板未施工前，地連墻的水平位移是隨著深度的變化有加大的變化趨勢，在接近負(fù)二層底板位置變形最大，在負(fù)一層板、負(fù)二層支撐位置處出現(xiàn)拐點(diǎn)，實測結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果在變化趨勢及絕對值等有較好的吻合性。

4 結(jié)論

1）南側(cè)連續(xù)墻水平變形在開挖至負(fù)一層坑底時，累計沉降量達(dá)到18mm，需要盡早進(jìn)行支護(hù)板墻結(jié)構(gòu)的施工。

2）北側(cè)連續(xù)墻的水平變形挖至負(fù)二層坑底時附近墻身水平變形達(dá)到30mm，需要盡早進(jìn)行北側(cè)支護(hù)基坑結(jié)構(gòu)，以防止北側(cè)墻身過大變形。

3）拆除負(fù)二層混凝土支撐后，連續(xù)墻變形增長很小，鋼支撐應(yīng)力在設(shè)計許可范圍內(nèi)，可以進(jìn)行一次性拆除。

4）數(shù)值分析與實測結(jié)果基本吻合，但由于影響位移因素的復(fù)雜性，假定的計算條件與實際條件存在差異及施工過程和巖土參數(shù)的變異性等原因，計算值與實測值存在一定的差別，要根據(jù)最新監(jiān)測數(shù)據(jù)反演土體參數(shù)，使得計算結(jié)果不斷接近真實值。

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