劉紫陽

（中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300384）

逆作法施工中主體結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支護(hù)體系相結(jié)合，形成有效的三維受力體系，自上而下逐層進(jìn)行土體開挖和主體結(jié)構(gòu)施工。有效減小連續(xù)墻和底板的變形，減小對(duì)臨近建筑物、道路和地下管線等的影響，在對(duì)位移有嚴(yán)格控制要求的工程中常采用這種方法。本文通過工程實(shí)例，通過有限元軟件midas（邁達(dá)斯）建立三維有限元模型，對(duì)逆作法施工階段不同工況進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇合適的逆作法施工方案，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，為工程施工提供指導(dǎo)。

一、工程概述

某工程項(xiàng)目位于兩條城市主干道交匯處，占地面積約45800m2，地上建筑面積約20.68萬m2，地下總建筑面積約9.48萬m2，場地地形較為平坦，場區(qū)地貌單元屬長江Ⅰ級(jí)階地，場區(qū)上層滯水在地面以下0.5～0.8m之間，承壓水在自然地面以下約4.0m左右。

地鐵線路從場地內(nèi)部穿越，將整個(gè)場地分為南北兩塊，北側(cè)地下室為地下四層，南側(cè)地下室為地下三層，隧道采用盾構(gòu)法施工而成，隧道與基坑臨近范圍內(nèi)為圓曲線，并且自西向東高程逐漸增加，隧道中線基本位于基坑開挖底面范圍內(nèi)，基坑重要性等級(jí)為一級(jí)。

場地土層性質(zhì)見表1所示。

表1 場地土層性質(zhì)

二、基坑施工方案選擇

北側(cè)基坑地下四層，若采用臨時(shí)支撐順作法方案，支撐剛度偏小，且由于地鐵側(cè)圍護(hù)墻體走向?yàn)殛柦切褪?，相?duì)于南側(cè)基坑而言，不利于墻體變形控制及地鐵區(qū)間隧道保護(hù)，故在基坑整體開挖的前提下采用有利于環(huán)境保護(hù)的逆作法方案。

南側(cè)基坑裙房區(qū)域地下三層，基坑面積較大，形狀不規(guī)則，若采用順作法施工則存在臨時(shí)支撐剛度偏小、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大，不利于周邊建筑物以及市政管線的保護(hù)；另外為解決臨時(shí)支撐豎向穩(wěn)定，基坑內(nèi)需布置大量的臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)立柱和鉆孔灌注樁立柱基礎(chǔ)，增加工程造價(jià)，故裙房區(qū)域設(shè)計(jì)建議采用逆作法施工，利用地下室各層樓板作為支撐體系，支撐剛度大，可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，在滿足地下結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境的保護(hù)。

綜合比選后，決定北側(cè)基坑采用逆作法施工方案，南側(cè)基坑采用順、逆結(jié)合施工方案

三、有限元模擬分析

分析采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS/GTS（Geotechnical &Tunnel Analysis System）進(jìn)行計(jì)算。

MIDAS/GTS的施工階段分析采用累加模型，即每個(gè)施工階段都繼承了上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。即上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會(huì)影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。

（一）三維分析模型的建立

1.土體本構(gòu)模型與參數(shù)

土體采用四面體實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用修正的劍橋粘土模型（MCC模型）。由于計(jì)算模型復(fù)雜，土層參數(shù)按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)底面以上各土層特性的加權(quán)平均值取值計(jì)算?？油馔馏w的彈性模量取詳勘報(bào)告中提供的數(shù)值，坑內(nèi)土的彈性模量取土體卸載的彈性模量。

2.結(jié)構(gòu)參數(shù)

還有人說我們中國人愛嫉妒，美國人不這樣。我20世紀(jì)80年代做訪問學(xué)者到美國，發(fā)現(xiàn)美國人也嫉妒，男人、女人、黑人、白人、西方人、東方人都有嫉妒心理。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)按照混凝土選取，相應(yīng)的截面積、慣性矩等幾何參數(shù)。支撐截面積及慣性矩等參數(shù)按照尺寸計(jì)算取值。

隧道管片、車站結(jié)構(gòu)、地下室結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)按照混凝土選取，并根據(jù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的截面積、慣性矩等幾何參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)。

3.網(wǎng)格劃分

土體采用四面體實(shí)體單元模擬；地下連續(xù)墻、主體結(jié)構(gòu)樓板和隧道管片采用板單元模擬；圍檁、圈梁、對(duì)撐、角撐和系桿等支撐結(jié)構(gòu)采用梁模擬。計(jì)算模型不考慮立柱、樁基等豎向支承體系的影響。土體的邊界的約束為：對(duì)兩側(cè)垂直邊界施加水平向約束，底部水平邊界施加垂直向約束。

4.施工工況模擬

表2 南、北區(qū)基坑工程計(jì)算工況

5.三維計(jì)算模型

（二）三維有限元計(jì)算分析

1.圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

計(jì)算分析結(jié)果：

（1）北區(qū)基坑遠(yuǎn)離地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為17.17mm，臨近地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為12.88mm；

（2）南區(qū)基坑順作區(qū)臨近地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為11.94mm，逆作區(qū)臨近地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為13.46mm；遠(yuǎn)離地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為18.99mm。

2.地鐵區(qū)間隧道水平位移計(jì)算分析

計(jì)算分析結(jié)果：

（1）基坑開挖過程中，隧道水平位移偏向基坑內(nèi)側(cè)，即臨近北區(qū)的地鐵隧道水平位移偏向基坑北側(cè)，臨近南區(qū)的地鐵隧道水平位移偏向南側(cè)；

（2）臨近北區(qū)的地鐵隧道水平位移最大值為7.31mm；臨近南區(qū)的地鐵隧道水平位移最大值為5.44mm。

3.地鐵區(qū)間隧道豎向位移計(jì)算分析

計(jì)算結(jié)果分析：

（1）隧道埋深基本位于基坑開挖面以下位置，在基坑開挖過程中，隧道豎向位移主要表現(xiàn)為隆起。

（2）臨近北區(qū)的地鐵隧道豎向位移最大值為2.156mm；臨近南區(qū)的地鐵隧道豎向位移最大值為2.154mm，兩者豎向位移值非常接近。

4.北區(qū)B3層樓板主應(yīng)力計(jì)算分析

基坑開挖施工過程中，在北區(qū)各層樓板中，B3層樓板所受外荷載最大，相應(yīng)的主應(yīng)力值也最大，計(jì)算結(jié)果分析如下：

（1）北區(qū)B3層樓板最大主應(yīng)力（即拉應(yīng)力）為0.82kPa，遠(yuǎn)小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57MPa，能夠保證樓板結(jié)構(gòu)安全；

（2）北區(qū)B3層樓板最小主應(yīng)力（即壓應(yīng)力）為10.05MPa，小于C35混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值16.7MPa，能夠保證樓板結(jié)構(gòu)安全。

5.南區(qū)B2層樓板主應(yīng)力計(jì)算分析

基坑開挖施工過程中，在南區(qū)各層樓板中，B2層樓板所受外荷載最大，相應(yīng)的主應(yīng)力值也最大，計(jì)算結(jié)果分析如下：

（1）南區(qū)B2層樓板最大主應(yīng)力（即拉應(yīng)力）為1.22MPa，小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57MPa，能夠保證樓板結(jié)構(gòu)安全；

（2）南區(qū)B2層樓板最小主應(yīng)力（即壓應(yīng)力）為9.68MPa，小于C35混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值16.7MPa，能夠保證樓板結(jié)構(gòu)安全。

四、結(jié)論

通過以上分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）在城市中心地鐵兩側(cè)進(jìn)行逆作法深基坑施工時(shí)，采用三維有限元預(yù)先對(duì)逆作法施工各種工況進(jìn)行三維有限元模擬驗(yàn)算，充分考慮基坑的空間性質(zhì)，計(jì)算結(jié)果可靠性較高，對(duì)現(xiàn)場實(shí)施具有較高的指導(dǎo)意義。

（2）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的計(jì)算分析，基坑開挖卸載后各側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值均滿足該變形控制要求，對(duì)地鐵和周邊環(huán)境的影響滿足相關(guān)規(guī)范的控制要求，在可控范圍內(nèi)。

（3）地鐵隧道水平位移和豎向位移的驗(yàn)算，預(yù)先對(duì)地鐵隧道變形影響較大位置做出預(yù)判，基坑施工過程中對(duì)地鐵隧道重點(diǎn)部位加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)警，保證施工期間地鐵的安全運(yùn)行。

（4）基坑開挖施工過程中，北區(qū)B3層樓板和南區(qū)B2層樓板受外荷載最大，相應(yīng)的主應(yīng)力值也最大，樓板的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均在混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi)

（5）深基坑施工采用逆作法，能夠有效提高地下工程施工的安全性，對(duì)周圍環(huán)境影響較小，同時(shí)縮短施工工期，節(jié)約工程造價(jià)，在建筑密集、場地狹窄的城市建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。