蓋挖逆作法基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬分析

劉春亮 劉成禹

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350118； 2.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 福建福州 350116)

0 引言

城市防災(zāi)、減災(zāi)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事，自改革開(kāi)放以來(lái)，許多大型人防工程開(kāi)始修建在城市的繁華地區(qū)，處在交通繁忙、建筑物密集、地下管線交錯(cuò)眾多的環(huán)境中。如何確保施工過(guò)程減少對(duì)地面交通和周?chē)h(huán)境影響，且能保證施工進(jìn)度與預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，成為人防工程設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)考慮因素。

目前，針對(duì)人防工程的特點(diǎn)，通過(guò)幾十年的實(shí)踐證明，采用逆作法施工，優(yōu)勢(shì)諸多，效果顯著。在施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工，可大大減小施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，增加施工安全性[1]。蓋挖逆作施工法具有施工簡(jiǎn)便、施工工期相對(duì)較短、造價(jià)低、地面交通影響少、有利于環(huán)境保護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，逐漸被各國(guó)施工方所接受，成為了目前國(guó)內(nèi)在城市中心修建人防工程的一種主要方法[2-3]。

本文以蓋挖逆作法深基坑的實(shí)際工程為背景，利用ABAQUS建立有限元模型，研究蓋挖逆作法基坑施工過(guò)程中不同工況下地下連續(xù)墻及支撐樓板支撐的內(nèi)力和變形、周邊土體沉降和水平位移、坑底隆起等變化規(guī)律，為工程的設(shè)計(jì)施工提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 周?chē)h(huán)境條件

車(chē)站為地下3層島式站臺(tái)車(chē)站，三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，車(chē)站總凈長(zhǎng)212.95m，站臺(tái)寬度14m，標(biāo)準(zhǔn)段總凈寬24.75m，共設(shè)有4個(gè)出入口和2組風(fēng)亭。車(chē)站覆土平均厚約2.0m，標(biāo)準(zhǔn)段挖深約23.228m，東側(cè)端頭井挖深24.068m，西側(cè)挖深24.987m，采用蓋挖逆作法施工。

1.2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地的地下水按埋藏條件包括上層滯水和承壓水兩種類(lèi)型。人工填土中地下水主要為上層滯水，其透水性一般，上層滯水的水位和水量隨季節(jié)變化較大，雨季上層滯水水量較豐富，枯季水量變小。

松散巖類(lèi)孔隙承壓水主要賦存于<2-4-3>淤泥中細(xì)砂交互層、<2-4-5>(含泥)中砂、<3-3>(含泥) 粗中砂和<3-8>卵石中，這3層地下水存在直接的水力聯(lián)系，其承壓水位標(biāo)高為1.96～2.06m；基巖孔隙-裂隙承壓水均埋藏較深，對(duì)該工程影響較小。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、場(chǎng)地條件、基坑四周環(huán)境條件和鄰近深基坑工程施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)、工期等多方面比較，車(chē)站主體工程采用蓋挖逆作法施工?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)主要類(lèi)型為地下連續(xù)墻、疊合墻結(jié)構(gòu)形式，降水方案采用坑內(nèi)管井井點(diǎn)降水，井間距14m～20m。

該工程車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段非坑中坑段采用1000/1200mm厚地下連續(xù)墻結(jié)合樓板做支撐+1道φ800鋼支撐(水平間距3m)+局部夾層設(shè)φ609下K撐，連續(xù)墻插入深度19m～20m，插入比1∶1.2～1.47，連續(xù)墻下部素砼墻進(jìn)入風(fēng)化花崗巖2m；端頭井非坑中坑段采用1200mm厚地下連續(xù)墻結(jié)合樓板做支撐+2道φ800鋼支撐(水平間距約2.5m)+局部夾層設(shè)φ609下K撐，連續(xù)墻插入深度25.1m，插入比1∶1.1～1.27，連續(xù)墻下部素砼墻進(jìn)入風(fēng)化花崗巖2m；與萬(wàn)寶人防工程連接的坑中坑段采用800mm厚地下連續(xù)墻結(jié)合樓板做支撐+1道(標(biāo)準(zhǔn)段)/2道(端頭井)φ800鋼支撐(標(biāo)準(zhǔn)段水平間距約3m，端頭井水平間距約2.5m)，端頭井部位地連墻插入深度12.5m，插入比為1∶1.25，標(biāo)準(zhǔn)段地連墻插入深度11m～13.5m，插入比約1∶1.7，坑中坑段下部素砼墻進(jìn)入風(fēng)化花崗巖2m。本文選取靠近寧化路一側(cè)典型基坑支護(hù)剖面作為分析對(duì)象，如圖1所示。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

本文選取圖1中的典型剖面建立三維有限元模型進(jìn)行分析。有限元模型尺寸示意圖如圖2所示，按對(duì)稱條件，取基坑開(kāi)挖部分長(zhǎng)度L1=17m，高度H=22.75m；假設(shè)中風(fēng)化巖層不可變形，模型底部取至中風(fēng)化巖層頂面，即D=26.45m；為滿足分析的要求，取L2=40m；因下K撐及第三道鋼管撐間距均為3m，選取支護(hù)剖面縱向(Y方向)的寬度B=6m建模。

圖2 模型尺寸示意圖

2.2 邊界條件

土體的底端為固定端，限制X、Y、Z3個(gè)方向的變形，左右兩個(gè)側(cè)面(以X軸為法相)及前后兩個(gè)面(以Y軸為法相)限制X、Y兩個(gè)方向的變形，允許產(chǎn)生豎向變形(Z方向)，土體頂面自由并作用20kPa的路面超載。

2.3 分析步驟

采用ABAQUS三維有限元分析的步驟[4-5]按照下述基坑施工工序進(jìn)行。根據(jù)有限元計(jì)算的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。本文的地應(yīng)力平衡，考慮了20kPa的地面超載，建立分析步驟，如表1所示。

表1 分析步驟

(a)(b)(c)

(d)(e)(f)

(g)(h)(i)圖3 施工工況示意圖

2.4 參數(shù)選取

物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)實(shí)際土層力學(xué)參數(shù)求加權(quán)平均值得到，支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)按設(shè)計(jì)方案及建筑材料規(guī)范進(jìn)行初步取值，然后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)部分參數(shù)取值進(jìn)行適當(dāng)修正，具體如表2 所示。

表2 模型材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

圖4為不同工況下基坑外地表的沉降計(jì)算曲線。其中，t1、t2、t3、t4分別表示開(kāi)挖至負(fù)二層板(圖3(c)工況)、開(kāi)挖至負(fù)三層板(圖3(e)工況)、開(kāi)挖至坑底(圖3(g)工況)、底板澆筑后拆除最下一道水平鋼支撐時(shí)(圖3(i)工況)的4種工況。從圖中可以看出，沉降曲線成拋物線狀，基坑邊及距離基坑較遠(yuǎn)的地方沉降較小，距離坑邊5m～15m的地方沉降比較明顯，各工況下最大沉降位置處距離基坑頂面的距離與開(kāi)挖深度之比l1/H≈0.5～0.9，且H越大該比值越小；并隨著開(kāi)挖深度的加深，沉降量隨之增大，最大沉降發(fā)生的位置距離基坑邊也變得稍遠(yuǎn)。值得注意的是，t3工況與t4工況工況的沉降曲線非常接近，說(shuō)明底板澆筑后拆除最下道水平支撐對(duì)沉降的影響很小，底板起到了很好的換撐層作用。

圖4 基坑外地表沉降曲線

(a)t1工況(b)t2工況(c)t3工況(d)t4工況圖7 地下連續(xù)墻彎矩等值云圖(單位：kN·m)

圖5列出了不同工況下基坑外地表水平位移曲線。距離坑邊10m～25m為地表水平位移受基坑開(kāi)挖影響較大區(qū)域，由于地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)樓板剛性連接，樓板提供了較大的固定和支撐作用，因此靠近地下連續(xù)墻樁頂位置處水平位移很小。與沉降曲線一樣，最大水平位移隨基坑深度增加而增大，最終的最大水平位移為0.03%H，滿足設(shè)計(jì)要求。各工況下最大地表水平位移位置處距離基坑頂面距離與開(kāi)挖深度之比l2/H≈0.8～1.4，且H越大該比值越小。

圖5 基坑外地表水平位移曲線

圖6 地下連續(xù)墻彎矩圖

3.2 地下連續(xù)墻的內(nèi)力與變形

圖6為不同工況下地下連續(xù)墻的彎矩沿深度的分布圖。t2工況時(shí)，負(fù)一層板位置處的彎矩值與t1工況相同，基本保持不變，t3工況時(shí)，負(fù)一層～負(fù)二層板之間的彎矩與t2工況下的一致。這表明，采用逆作法施工時(shí)，由于樓板等主體結(jié)構(gòu)整體剛度較大，其支撐及支座作用十分明顯，各工況土方開(kāi)挖對(duì)原支撐層以上彎矩影響很小；另一方面，各工況下原有支撐層以上各樓板都是彎矩的反彎點(diǎn)，原有支撐層以下彎矩分布均呈“S”形，最下一個(gè)反彎點(diǎn)都存在于開(kāi)挖面以下，其彎矩值的大小隨開(kāi)挖深度的增加而增大。

圖7列出不同工況下地下連續(xù)墻彎矩等值云圖，由圖可看出，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，正、負(fù)最大彎矩的位置均往下移動(dòng)，且數(shù)值大小均有所提高。

圖8、圖9分別為不同工況下地下連續(xù)墻水平位移曲線和水平位移等值云圖。由圖可知，水平位移在墻頂和墻底為零，而墻中間處最大，呈弓形分布。每一工況下，水平位移最大值位置在基坑開(kāi)挖底面處附近，且隨著基坑開(kāi)挖深度增大，水平位移最大值也增大，t1、t2、t3、t4工況下水平位移最大值分別為11.6mm、20.8mm、28.1mm、28.6mm。另外，t2工況時(shí)，0～8.5m段(墻頂至負(fù)二層板)的水平位移與t1工況相比，基本保持不變，t3工況時(shí)，0～14.5m段(墻頂至負(fù)三層板)水平位移與t2工況相比，基本保持不變。這表明，采用逆作法施工，由于已施工的樓板等主體結(jié)構(gòu)整體剛度較大，有很強(qiáng)的抵抗變形能力，基坑繼續(xù)向下開(kāi)挖時(shí)，能保證已產(chǎn)生水平位移的部位不再繼續(xù)產(chǎn)生水平位移。該工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移28.6mm相當(dāng)于0.13%H，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 地下連續(xù)墻沿深度分布的水平位移曲線

(a)t1工況(b)t2工況(c)t3工況(d)t4工況圖9 地下連續(xù)墻水平位移等值云圖(單位：m)

4 結(jié)論

(1)地表最大沉降位置處距離基坑頂面的距離與開(kāi)挖深度之比l1/H一般在0.5～0.9之間，最大水平位移位置處距離基坑頂面的距離與開(kāi)挖深度之比l2/H一般在0.8～1.4，且H越大l1/H和l2/H越小。

(2)采用逆作法施工時(shí)，由于樓板等主體結(jié)構(gòu)整體剛度較大，其支撐及支座作用十分明顯，各工況土方開(kāi)挖對(duì)原支撐層以上地下連續(xù)墻彎矩影響很??；另一方面，各工況下原有支撐層以上各樓板都是彎矩的反彎點(diǎn)，原有支撐層以下彎矩分布均呈“S”形，最下一個(gè)反彎點(diǎn)都存在于開(kāi)挖面以下，其彎矩值大小隨開(kāi)挖深度增加而增大。

(3)采用逆作法施工時(shí)，由于已施工的樓板等主體結(jié)構(gòu)整體剛度較大，有很強(qiáng)的抵抗變形能力，基坑繼續(xù)向下開(kāi)挖時(shí)，能保證已產(chǎn)生水平位移的部位不再繼續(xù)產(chǎn)生水平位移。