蓋挖逆作法基坑施工監測及數值模擬分析

隨著我國經濟的迅猛發展以及城市規模的快速擴張，深大基坑越來越多地出現在城市建設中。在復雜地質條件下，不同支護設計形式和開挖方式引起土體變形和支護系統應力調整的情況極為復雜，使得深大基坑開挖過程中基坑開挖穩定和安全問題十分突出。天津濱海國際機場擴建配套機場交通中心工程車站采用蓋挖逆作法施工，本文運用FLAC3D軟件對基坑開挖及支撐拆除過程進行了數值分析并將基坑開挖過程與實測結果進行了對比。

1 工程概況

天津濱海國際機場擴建配套機場交通中心工程位于天津濱海國際機場航站樓北側進出港及其東側的空地下，主要由地鐵2號線機場站、京津城際鐵路機場站、地下停車場工程、換乘通道工程與正在運營的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。

京津城際鐵路機場站為島式站臺車站，整個交通中心結構總長為726m，標準段負一層結構總寬度為82 m，負二層結構總寬為47.6m。該工程土建施工共分為4個標段，見圖1。

圖1 標段及車站平面

該工程03合同段包括3區和5區。3區為地下二層框架結構，采用樁筏板基礎，豎向結構為鋼管柱及混凝土側墻，橫向結構為鋼筋混凝土梁板。本文選擇3區進行分析，該區結構剖面見圖2。

圖2 03標段車站結構剖面

2 基坑結構監測

2.1 測點目的

基坑場地范圍內土層條件較差，多為軟弱地層，地下水豐富。為確保該基坑工程的工程質量和施工安全，需進行必要的監測并根據監測數據及時調整開挖速度及位置，防止因圍護結構變形過大造成基坑整體坍塌破壞。

2.2 監測內容

墻體及支撐結構的位移與內力監測；基坑周圍土體位移及地下水位監測。此外，還需要進行現場巡視，密切關注圍護結構滲漏水情況。具體的測點及測項布置見圖3。

圖3 土建3標部分測點布置

2.3 監測結果分析

基坑開挖過程對墻體的水平位移影響很大。本文采用在連續墻體中布設測斜管來觀測水平位移變化，測斜管的數量與位置見圖3。選取B4和B10點進行分析，見圖4。

圖4 B4和B10點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；澆筑負一層中板后，墻體水平位移出現一個明顯的拐點；負二層支撐施工后，變形也會產生明顯的改變；負二層底板施工前，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，橫向寬度240m，縱向厚度10m（兩幅地下連續墻的厚度）。模型中基坑寬度為80.3m，標準段基坑深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。模型的計算參數見表1。

表1 模型計算物理及力學參數

3.2 分析步驟

根據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行了簡化，數值分析工況見表2。圖5為工況5下的有限元分析模型。

表2 數值模擬工況

圖5 工況5的模型

3.3 數值計算分析

對上述5個工況的模型計算的結果進行后處理，可得到基坑在5個工況下的圍護結構變形圖和土體隆起結果。

3.3.1 墻身水平變形

選擇工況5進行分析，圖6為地下連續墻圍護結構的水平位移放大100倍后的效果。圖6中，左側為基坑南側地連墻的水平位移等值線變形，右邊為基坑北側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 地下連續墻的水平位移（工況5）

從圖6中可以看出，墻身的變形規律是墻體向基坑開挖側發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，負二層的混凝土支撐軸向應力累計為5.4MPa，不會造成支撐受壓破壞，左側坑基坑坑底隆起變形值達到了18mm，也在設計的許可范圍內。

3.3.3 坑底隆起

選取負一層及負二層坑底中心點的隆起情況進行分析，圖8為兩中心點在5種不同工況下的隆起變化曲線。圖8中，黑線、紅線分別代表負一層坑底和負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，左側負一層坑底土體在前兩個工況的隆起都有所增長，最大至18mm，而后隨著右側負二層的開挖土體開始沉降，而右側負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 實測與數值分析結果的對比

為探討數值計算結果與實測值的吻合程度，分別將模型中北側測點B4、B10測點所在位置在基坑開挖完畢后的變形分析結果（工況4）與實測值加以比較，以驗證數值計算的正確性，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，在接近負二層底板位置變形最大，在負一層板、負二層支撐位置處出現拐點，實測結果與數值分析結果在變化趨勢及絕對值等有較好的吻合性。

4 結論

1）南側連續墻水平變形在開挖至負一層坑底時，累計沉降量達到18mm，需要盡早進行支護板墻結構的施工。

2）北側連續墻的水平變形挖至負二層坑底時附近墻身水平變形達到30mm，需要盡早進行北側支護基坑結構，以防止北側墻身過大變形。

3）拆除負二層混凝土支撐后，連續墻變形增長很小，鋼支撐應力在設計許可范圍內，可以進行一次性拆除。

4）數值分析與實測結果基本吻合，但由于影響位移因素的復雜性，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的變異性等原因，計算值與實測值存在一定的差別，要根據最新監測數據反演土體參數，使得計算結果不斷接近真實值。

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