津塔基坑施工監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析

□文/周予啟 秘志偉

□秘志偉/天津市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理總隊(duì)。

津塔基坑施工監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析

□文/周予啟 秘志偉

津塔建筑高度336.9m，基坑面積19764m2，大面積開(kāi)挖深度-22.5m（最深-32.1m）。采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐采用雙圓環(huán)形鋼筋混凝土體系。施工監(jiān)測(cè)表明：圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系的受力、變形均比較理想；通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。

施工監(jiān)測(cè)；數(shù)值模擬；深基坑；地下連續(xù)墻；支撐體系

1 工程概況

天津津塔工程占地面積22258m2，主體結(jié)構(gòu)為1幢75層、336.9m的高超高層商務(wù)主樓，1幢28層、105 m高的公寓樓和4層、20m深的整體地下車庫(kù)。主樓結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土勁性筒中筒結(jié)構(gòu)，公寓樓為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積為343922m2。基坑面積19764m2，開(kāi)挖深度-19.6～-25.5m，局部深坑達(dá)-32.1m。

天津市屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候；第四系沉積厚度在千米以上，是典型的軟土地區(qū)，淺層土體以粘性土為主，土質(zhì)軟弱，具有高含水量、高靈敏性、高壓縮性、低密度、低滲透性等特性；地下水位較高，有潛水、微承壓水等多層地下水分布；工程與海河只有十幾米之隔，地質(zhì)情況復(fù)雜。基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是大沽北路側(cè)的大沽橋墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，對(duì)環(huán)境變形敏感，需重點(diǎn)保護(hù)。見(jiàn)圖1。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 場(chǎng)地各地層特征

工程位于海河南岸，原為低洼地，后建起廠房和住宅等，整個(gè)場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大，自然地面高程4.50～2.77m（大沽高程）。地基土豎向成層分布，部分層位水平方向巖性有所差異，砂粘有所變化，力學(xué)性質(zhì)有所差異，頂（底）板標(biāo)高起伏變化較大。

2.2 地質(zhì)條件

1）含水巖組的劃分

根據(jù)地基土的分層、室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地標(biāo)高-44.00m以上地質(zhì)巖組可劃分為1個(gè)潛水含水巖組和2個(gè)承壓含水層。

（1）潛水含水巖組。埋深約16.00m（標(biāo)高約-12.00 m）以上人工素填土、粉質(zhì)粘土、粘土等，一般屬微透水層。

（2）第一微承壓含水巖組。埋深約50.00m以上，可劃分2個(gè)承壓含水層。

①第一承壓含水層。以上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層上部粉土、粉砂（7a）為主要含水層。

②其下的上更新統(tǒng)第五組陸相沖擊層下部粉質(zhì)粘土（7b）和上更新統(tǒng)第三組陸相沖擊層上部粉質(zhì)粘土（8a），屬不透水層，可視為第一承壓含水層的相對(duì)隔水底板、第二含水層的相對(duì)隔水頂板。

③第二承壓含水層。以上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層中部粉土（8b）為主要含水層。

④其下的上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層下部粉質(zhì)粘土（8c）屬不透水層，可視為第二含水層的相對(duì)隔水底板。

2）地下水位情況

（1）鉆孔實(shí)測(cè)水位。初見(jiàn)水位埋深2.50～4.20m相當(dāng)標(biāo)高0.42～0.21m；靜止水位埋深1.90～3.60 m，相當(dāng)標(biāo)高 0.92～0.80m。

充足的存貨對(duì)于糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)而言是創(chuàng)造效益的根本，在當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展格局下，糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)面臨的市場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜。若企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)量大于需求量，糧食存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變質(zhì)，造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失；若倉(cāng)儲(chǔ)量小于需求量，則會(huì)使企業(yè)喪失獲取更多利潤(rùn)的機(jī)會(huì)，影響企業(yè)的創(chuàng)效能力。提升糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)存貨成本管理的有效性，是企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路，應(yīng)主動(dòng)探究存在于當(dāng)前存貨成本管理當(dāng)中的問(wèn)題，探尋提升存貨管理有效性的可行性路徑。

（2）抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)水位。潛水水位埋深約2.20m，相當(dāng)標(biāo)高0.76m，水位隨季節(jié)有所變化，一般年變幅在0.50～1.00m；承壓水埋深約 35.00～43.00m，8b層承壓水靜止水位埋深4.80m，相當(dāng)標(biāo)高-0.26m，承壓含水層頂板埋深36.50m，承壓水頭高度31.70m。

2.3 地基土的滲透性

場(chǎng)地各土層滲透性見(jiàn)表1。

表1 土層滲透性參數(shù)

2.4 地基土的力學(xué)參數(shù)

場(chǎng)地各土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土層力學(xué)參數(shù)

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

工程整體采用順作法。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻。主塔樓區(qū)開(kāi)挖較深，采用1000mm厚的地下連續(xù)墻；公寓和純地下室區(qū)域開(kāi)挖相對(duì)較淺，采用800mm厚的地下連續(xù)墻；坑內(nèi)設(shè)4道雙圓環(huán)形鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面見(jiàn)圖2，支撐體系平面布置見(jiàn)圖3。

4 基坑施工監(jiān)測(cè)

考慮到津塔基坑開(kāi)挖深度超深，周邊管線分布復(fù)雜，四周均為車流量較大的交通主干道，北側(cè)緊鄰海河，海河水位的冬夏變化及路面動(dòng)荷載的干擾都是津塔基坑監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)。基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)。以實(shí)現(xiàn)信息化施工并確保基坑施工安全為目的，對(duì)如下項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。見(jiàn)圖4。

4.1 監(jiān)測(cè)分析

C10的 37mm，土體T16的 36mm。本次數(shù)值模擬分析對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位為C02點(diǎn)，其變化曲線見(jiàn)圖5。

從基坑開(kāi)挖至結(jié)束，經(jīng)過(guò)近7個(gè)月的嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，周邊環(huán)境及基坑本身變化速率較大；底板澆筑完成后，變化速率明顯減慢，基坑處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著各層頂板的澆筑以及相應(yīng)部位支撐的拆除，相對(duì)平衡狀態(tài)被打破，變化速率有所放大。這一點(diǎn)在第二、三層支撐拆除階段表現(xiàn)尤為明顯，在第二層支撐拆除完成后，變化速率逐漸減慢，至頂板完成，變化速率已趨于穩(wěn)定。對(duì)于整個(gè)基坑而言，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在頂板完成后基坑已處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。本文僅針對(duì)地連墻測(cè)斜監(jiān)測(cè)、冠梁水平位移進(jìn)行初步分析。

墻身傾斜測(cè)點(diǎn)和土體傾斜測(cè)點(diǎn)各18處。土方開(kāi)挖對(duì)其影響較大，變化速率約為1～2mm/d，最大變化量為墻身C12的40mm，土體T15的51mm。支撐拆除對(duì)其影響較小，變速率約1mm/d左右，最大變化量為樁身

地連墻墻頂變形監(jiān)測(cè)包括樁頂水平位移和沉降監(jiān)測(cè)各18個(gè)點(diǎn)，其點(diǎn)位與地連墻傾斜測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，土方開(kāi)挖和拆撐對(duì)其影響較大，其沉降最大變化量為C15的22mm，水平位移最大變化量為C01的30mm。隨著支撐的不斷拆除，其變化量在經(jīng)過(guò)一個(gè)應(yīng)力釋放的周期后逐漸趨于穩(wěn)定，沉降最終最大變化量為C09的17mm，水平位移最終最大變化量為C01的50 mm。本次數(shù)值模擬分析對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位為C02點(diǎn)。

5 數(shù)值模擬分析

采用巖土工程數(shù)值模擬分析軟件FLAC5.0建立二維連續(xù)介質(zhì)模型：

1）考慮基坑開(kāi)挖的過(guò)程影響，便于分析由于施工過(guò)程引起地表移動(dòng)的時(shí)空效應(yīng)問(wèn)題；

2）考慮鋼筋混凝土支撐的施工過(guò)程；

3）土層厚度、土層力學(xué)參數(shù)等按照勘察報(bào)告提交的參數(shù)進(jìn)行選取(在不同的縱斷面位置，按照建模位置對(duì)應(yīng)的參數(shù)選取)。

本次數(shù)值模擬計(jì)算中，巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)沒(méi)有考慮地層厚度及強(qiáng)度參數(shù)的空間離散與變異性。

水平方向外擴(kuò)6倍開(kāi)挖深度約150m；底部影響區(qū)沿基坑底再向下取3倍基坑深度約70m，基本可以消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響（X、Y方向約165m×90 m，約19575個(gè)單元）。所有邊界均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面為Y方向位移固定，左右邊界為X方向位移固定。

土體本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型（摩爾－庫(kù)侖），其破壞包絡(luò)線對(duì)應(yīng)于摩爾—庫(kù)侖判據(jù)（剪切屈服函數(shù)）加上拉伸分離點(diǎn)（拉應(yīng)力屈服函數(shù)），與拉應(yīng)力流動(dòng)法則相關(guān)聯(lián)而與剪切流動(dòng)不相關(guān)聯(lián)。這種模型適用于混凝土、巖石和土壤等顆粒狀材料。地連墻、支撐結(jié)構(gòu)等均采用彈性模型。

基坑開(kāi)挖到底時(shí)地連墻水平位移歷時(shí)曲線見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，對(duì)于軟土地區(qū)地連墻的水平變位應(yīng)以向基坑內(nèi)側(cè)變形為主，尤其是對(duì)于本工程這種不施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋混凝土支撐情況。

出現(xiàn)實(shí)測(cè)地連墻頂向外變形的原因可能是測(cè)斜管的管底偏高，從而表現(xiàn)出來(lái)的墻頂向外變形，實(shí)際上是相對(duì)于25m深處地連墻的相對(duì)變形。

此點(diǎn)從地連墻頂部冠梁的水平變形曲線可得到佐證。GB50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中5.2.2條規(guī)定“當(dāng)測(cè)斜管埋設(shè)在圍護(hù)墻體內(nèi)，測(cè)斜管長(zhǎng)度不宜小于圍護(hù)墻的深度。”如此看來(lái)，津塔的測(cè)斜管埋設(shè)深度偏淺。

6 結(jié)語(yǔ)

1）二墻合一的地下連續(xù)墻已廣泛應(yīng)用于高層建筑地下室圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外墻的設(shè)計(jì)中，其有著墻體剛度大、整體性好、施工振動(dòng)小、噪音低、抗?jié)B隔水性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于津塔工程中充分發(fā)揮了其自身的特點(diǎn)并收到了很好地效果。地連墻底部增加了素混凝土段充分隔絕了承壓水層，對(duì)基坑的整體穩(wěn)定、抗基底隆起和防止管涌都有著很好地作用。

2）圓環(huán)型鋼筋混凝土內(nèi)支撐體系有著受力均勻，整體剛度好，中間空間大，可有效避讓主體結(jié)構(gòu)，保證主體結(jié)構(gòu)施工等優(yōu)點(diǎn)，與兩墻合一的地下連續(xù)墻配合，應(yīng)用于類似上海、天津等淤泥土質(zhì)地區(qū)，對(duì)于超大、超深基坑的支護(hù)是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的施工方案。

3）津塔工程基坑施工中采用了信息化的施工手段，隨時(shí)監(jiān)測(cè)基坑的各項(xiàng)受力、位移等數(shù)據(jù)，及時(shí)分析，及時(shí)調(diào)整施工方案，保證了超大超深基坑工程的安全穩(wěn)定施工并且為其他類似工程提供了很多可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

4）地連墻測(cè)斜的測(cè)斜管體，宜與墻體基本等深；并且宜監(jiān)測(cè)測(cè)斜管上口的水平位移，以驗(yàn)證假定的測(cè)斜管底是否真正不動(dòng)。

5）數(shù)值模擬方法是一種趨勢(shì)明確且價(jià)格低廉的分析方法。在基坑開(kāi)挖前，采取數(shù)值模擬的方法對(duì)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，進(jìn)行多工況模擬分析，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)測(cè)，可起到事半功倍的作用。

［1］GB50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］JGJ120—99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］劉 波.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

TU476.4

C

1008-3197（2011）02-24-04

2011-01-27

周予啟/男，1971年出生，高級(jí)工程師，中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，從事基坑設(shè)計(jì)和施工工作。

□秘志偉/天津市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理總隊(duì)。