盖挖逆作法基坑开挖数值模拟分析

刘春亮 刘成禹

(1.福建工程学院土木工程学院 福建福州 350118； 2.福州大学环境与资源学院 福建福州 350116)

0 引言

城市防灾、减灾是关系到国计民生的大事，自改革开放以来，许多大型人防工程开始修建在城市的繁华地区，处在交通繁忙、建筑物密集、地下管线交错众多的环境中。如何确保施工过程减少对地面交通和周围环境影响，且能保证施工进度与预期的技术经济效益，成为人防工程设计和施工的重点考虑因素。

目前，针对人防工程的特点，通过几十年的实践证明，采用逆作法施工，优势诸多，效果显著。在施工时对周边环境进行监测，实现动态施工，可大大减小施工对周围环境的影响，增加施工安全性[1]。盖挖逆作施工法具有施工简便、施工工期相对较短、造价低、地面交通影响少、有利于环境保护等众多优点，逐渐被各国施工方所接受，成为了目前国内在城市中心修建人防工程的一种主要方法[2-3]。

本文以盖挖逆作法深基坑的实际工程为背景，利用ABAQUS建立有限元模型，研究盖挖逆作法基坑施工过程中不同工况下地下连续墙及支撑楼板支撑的内力和变形、周边土体沉降和水平位移、坑底隆起等变化规律，为工程的设计施工提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 周围环境条件

车站为地下3层岛式站台车站，三层三跨箱形框架结构，车站总净长212.95m，站台宽度14m，标准段总净宽24.75m，共设有4个出入口和2组风亭。车站覆土平均厚约2.0m，标准段挖深约23.228m，东侧端头井挖深24.068m，西侧挖深24.987m，采用盖挖逆作法施工。

1.2 场区工程地质条件

场地的地下水按埋藏条件包括上层滞水和承压水两种类型。人工填土中地下水主要为上层滞水，其透水性一般，上层滞水的水位和水量随季节变化较大，雨季上层滞水水量较丰富，枯季水量变小。

松散岩类孔隙承压水主要赋存于<2-4-3>淤泥中细砂交互层、<2-4-5>(含泥)中砂、<3-3>(含泥) 粗中砂和<3-8>卵石中，这3层地下水存在直接的水力联系，其承压水位标高为1.96～2.06m；基岩孔隙-裂隙承压水均埋藏较深，对该工程影响较小。

1.3 基坑支护设计

根据场地工程地质条件、场地条件、基坑四周环境条件和邻近深基坑工程施工经验，经过技术、安全、经济、工期等多方面比较，车站主体工程采用盖挖逆作法施工。基坑围护结构主要类型为地下连续墙、叠合墙结构形式，降水方案采用坑内管井井点降水，井间距14m～20m。

该工程车站主体围护结构标准段非坑中坑段采用1000/1200mm厚地下连续墙结合楼板做支撑+1道φ800钢支撑(水平间距3m)+局部夹层设φ609下K撑，连续墙插入深度19m～20m，插入比1∶1.2～1.47，连续墙下部素砼墙进入风化花岗岩2m；端头井非坑中坑段采用1200mm厚地下连续墙结合楼板做支撑+2道φ800钢支撑(水平间距约2.5m)+局部夹层设φ609下K撑，连续墙插入深度25.1m，插入比1∶1.1～1.27，连续墙下部素砼墙进入风化花岗岩2m；与万宝人防工程连接的坑中坑段采用800mm厚地下连续墙结合楼板做支撑+1道(标准段)/2道(端头井)φ800钢支撑(标准段水平间距约3m，端头井水平间距约2.5m)，端头井部位地连墙插入深度12.5m，插入比为1∶1.25，标准段地连墙插入深度11m～13.5m，插入比约1∶1.7，坑中坑段下部素砼墙进入风化花岗岩2m。本文选取靠近宁化路一侧典型基坑支护剖面作为分析对象，如图1所示。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

本文选取图1中的典型剖面建立三维有限元模型进行分析。有限元模型尺寸示意图如图2所示，按对称条件，取基坑开挖部分长度L1=17m，高度H=22.75m；假设中风化岩层不可变形，模型底部取至中风化岩层顶面，即D=26.45m；为满足分析的要求，取L2=40m；因下K撑及第三道钢管撑间距均为3m，选取支护剖面纵向(Y方向)的宽度B=6m建模。

图2 模型尺寸示意图

2.2 边界条件

土体的底端为固定端，限制X、Y、Z3个方向的变形，左右两个侧面(以X轴为法相)及前后两个面(以Y轴为法相)限制X、Y两个方向的变形，允许产生竖向变形(Z方向)，土体顶面自由并作用20kPa的路面超载。

2.3 分析步骤

采用ABAQUS三维有限元分析的步骤[4-5]按照下述基坑施工工序进行。根据有限元计算的特点进行了相应的简化。本文的地应力平衡，考虑了20kPa的地面超载，建立分析步骤，如表1所示。

表1 分析步骤

(a)(b)(c)

(d)(e)(f)

(g)(h)(i)图3 施工工况示意图

2.4 参数选取

物理力学参数根据实际土层力学参数求加权平均值得到，支护结构计算模型的物理力学参数按设计方案及建筑材料规范进行初步取值，然后根据监测数据对部分参数取值进行适当修正，具体如表2 所示。

表2 模型材料参数

3 结果分析

3.1 地表沉降分析

图4为不同工况下基坑外地表的沉降计算曲线。其中，t1、t2、t3、t4分别表示开挖至负二层板(图3(c)工况)、开挖至负三层板(图3(e)工况)、开挖至坑底(图3(g)工况)、底板浇筑后拆除最下一道水平钢支撑时(图3(i)工况)的4种工况。从图中可以看出，沉降曲线成抛物线状，基坑边及距离基坑较远的地方沉降较小，距离坑边5m～15m的地方沉降比较明显，各工况下最大沉降位置处距离基坑顶面的距离与开挖深度之比l1/H≈0.5～0.9，且H越大该比值越小；并随着开挖深度的加深，沉降量随之增大，最大沉降发生的位置距离基坑边也变得稍远。值得注意的是，t3工况与t4工况工况的沉降曲线非常接近，说明底板浇筑后拆除最下道水平支撑对沉降的影响很小，底板起到了很好的换撑层作用。

图4 基坑外地表沉降曲线

(a)t1工况(b)t2工况(c)t3工况(d)t4工况图7 地下连续墙弯矩等值云图(单位：kN·m)

图5列出了不同工况下基坑外地表水平位移曲线。距离坑边10m～25m为地表水平位移受基坑开挖影响较大区域，由于地下连续墙与主体结构楼板刚性连接，楼板提供了较大的固定和支撑作用，因此靠近地下连续墙桩顶位置处水平位移很小。与沉降曲线一样，最大水平位移随基坑深度增加而增大，最终的最大水平位移为0.03%H，满足设计要求。各工况下最大地表水平位移位置处距离基坑顶面距离与开挖深度之比l2/H≈0.8～1.4，且H越大该比值越小。

图5 基坑外地表水平位移曲线

图6 地下连续墙弯矩图

3.2 地下连续墙的内力与变形

图6为不同工况下地下连续墙的弯矩沿深度的分布图。t2工况时，负一层板位置处的弯矩值与t1工况相同，基本保持不变，t3工况时，负一层～负二层板之间的弯矩与t2工况下的一致。这表明，采用逆作法施工时，由于楼板等主体结构整体刚度较大，其支撑及支座作用十分明显，各工况土方开挖对原支撑层以上弯矩影响很小；另一方面，各工况下原有支撑层以上各楼板都是弯矩的反弯点，原有支撑层以下弯矩分布均呈“S”形，最下一个反弯点都存在于开挖面以下，其弯矩值的大小随开挖深度的增加而增大。

图7列出不同工况下地下连续墙弯矩等值云图，由图可看出，随着基坑开挖深度增加，正、负最大弯矩的位置均往下移动，且数值大小均有所提高。

图8、图9分别为不同工况下地下连续墙水平位移曲线和水平位移等值云图。由图可知，水平位移在墙顶和墙底为零，而墙中间处最大，呈弓形分布。每一工况下，水平位移最大值位置在基坑开挖底面处附近，且随着基坑开挖深度增大，水平位移最大值也增大，t1、t2、t3、t4工况下水平位移最大值分别为11.6mm、20.8mm、28.1mm、28.6mm。另外，t2工况时，0～8.5m段(墙顶至负二层板)的水平位移与t1工况相比，基本保持不变，t3工况时，0～14.5m段(墙顶至负三层板)水平位移与t2工况相比，基本保持不变。这表明，采用逆作法施工，由于已施工的楼板等主体结构整体刚度较大，有很强的抵抗变形能力，基坑继续向下开挖时，能保证已产生水平位移的部位不再继续产生水平位移。该工程基坑围护结构最大水平位移28.6mm相当于0.13%H，满足设计要求。

图8 地下连续墙沿深度分布的水平位移曲线

(a)t1工况(b)t2工况(c)t3工况(d)t4工况图9 地下连续墙水平位移等值云图(单位：m)

4 结论

(1)地表最大沉降位置处距离基坑顶面的距离与开挖深度之比l1/H一般在0.5～0.9之间，最大水平位移位置处距离基坑顶面的距离与开挖深度之比l2/H一般在0.8～1.4，且H越大l1/H和l2/H越小。

(2)采用逆作法施工时，由于楼板等主体结构整体刚度较大，其支撑及支座作用十分明显，各工况土方开挖对原支撑层以上地下连续墙弯矩影响很小；另一方面，各工况下原有支撑层以上各楼板都是弯矩的反弯点，原有支撑层以下弯矩分布均呈“S”形，最下一个反弯点都存在于开挖面以下，其弯矩值大小随开挖深度增加而增大。

(3)采用逆作法施工时，由于已施工的楼板等主体结构整体刚度较大，有很强的抵抗变形能力，基坑继续向下开挖时，能保证已产生水平位移的部位不再继续产生水平位移。