軟土地區逆作深基坑工作性狀及空間效應研究★

劉雙菊 安建國

(1.天津城建大學，天津 300384； 2.天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384； 3.天津大學建筑設計研究院，天津 300072)

軟土地區逆作深基坑工作性狀及空間效應研究★

劉雙菊1，2安建國3

(1.天津城建大學，天津 300384； 2.天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384； 3.天津大學建筑設計研究院，天津 300072)

結合海河隧道蓋挖逆作基坑工程實例，研究了工程的地質概況，采用ABAQUS軟件對其進行了模擬計算，通過數值模擬結果，分析了圍護結構內力變形規律，并進一步分析了其空間效應，得到了一些有意義的結論。

逆作法，空間效應，圍護結構

0 引言

隨著城市建設的發展，基坑的規模和深度都在不斷加大，越來越多的深基坑需要在城市建筑密集區內施工，施工場地越來越小，因此，蓋挖逆作施工方法的應用越來越廣泛[1-3]。在天津地區，地層軟弱，基坑的施工難度和風險更大，為保證施工安全和環境安全，研究深大基坑開挖引起的支護體系的安全穩定性是非常重要的課題，考慮空間效應變得越來越重要[4-6]。天津中央大道海河隧道工程，無論其深度和開挖范圍在本地區都是不多見的。本文依托海河隧道蓋挖逆作工程，采用有限元分析方法，對圍護結構受力和變形性狀進行了研究和分析，并對其空間效應進行了分析。

1 工程及地質概況

1.1 工程概況

中央大道是天津濱海新區交通規劃的客運主通道，在塘沽區于家堡附近海河與中央大道的交匯處，建立河底隧道通過海河，依據規劃及設計方案，隧道地下暗埋部分為2 441 m，隧道北段三塊板路附近采用蓋挖逆作法施工，從K28+352.000～K28+493.905，全長142 m。其余岸邊段采用明挖法施工。隧道北段最大開挖深度約24 m，圍護結構采用地下厚度為1.2 m的連續墻+支撐+板的蓋挖逆作結構。海河隧道北段施工順序見表1。

1.2 地質概況

海河隧道北段工程位于天津濱海沖積平原，場地內7 m以下有一層很厚的軟粘土層，典型的地質剖面，在進行數值計算時，將其土層概化為9層，參數如表2所示。

2 整體三維數值模擬分析

2.1 模型幾何概況

本文按照施工順序對中央大道海河隧道北岸工程的整個蓋挖逆作段建立整體三維仿真計算模型，將結構簡化為對稱結構，取其1/2進行計算。其中，梁、柱、樁等采用梁單元模擬，板采用殼單元模擬，土體采用三維孔壓單元模擬，地連墻采用三維八結點減縮積分單元模擬，在模型中，地下連續墻與土之間均設置了接觸，接觸采用庫侖摩擦模型，樁與土之間采用嵌入技術來考慮，本文模擬的施工步驟與前面一致。

表1 海河隧道北段施工順序 m

表2 土層參數

2.2 結果分析

2.2.1 地連墻頂及柱頂豎向位移

經過分析計算，得到地連墻及柱頂的豎向位移曲線。三維結果中，遠離端部和巖壁保護部分的地連墻，樁、柱的回彈值與二維結果一致，在靠近端部的地方，回彈明顯減小，空間效應明顯。

總體上來說，地連墻、邊柱及中柱都處于回彈狀態，地連墻的豎向位移小于柱位移；地連墻頂與柱的位移均呈現先增大后減小的趨勢。

對于地連墻，第三步開挖完成后結構回彈最大值為4.5 mm，最后一步開挖完成后，結構回彈最大值為9.1 mm，回彈最大值均發生在柱子頂端。第三步開挖完成后，地連墻靠近軸和拐彎處的回彈較小，最后一步開挖完成后，靠近軸一側的回彈較小。分析其原因，雖然靠近軸一側的開挖深度較深，但因為支撐結構較復雜，且有岸壁保護結構和地連墻的局部拐彎結構，這兩部分結構都對地連墻的回彈產生有利影響；靠近軸的部分，因為開挖深度較淺，回彈較小；因此，總體來說，地連墻的回彈值中間最大。

當開挖第三步完成后，中間柱與邊柱回彈相差無幾，最大值發生在軸附近為4.5 mm，最小值發生軸為2.8 mm；地連墻回彈最大值為2.5 mm，發生在軸附近，最小值發生在軸地連墻拐彎處為0.1 mm。

當開挖完成后，中間柱位移大于邊柱位移，二者的最大值均發生在軸附近，中間柱最大回彈為9.1 mm，邊柱最大回彈為8 mm，二者的最小值均發生在軸附近，中間柱回彈最小值為4.7 mm，邊柱回彈最小值為4.2 mm；地連墻最大回彈5.3 mm，發生在軸附近，最小值為1.3 mm，發生在軸附近。

2.2.2 頂板及中板的豎向位移

頂板的位移大于中板的位移，頂板位移最大值7.5 mm，中板的位移最大值為3.5 mm，這是因為頂板先施工，受到后面幾個步驟的降水開挖影響較大，而中板后施工，后面只有兩個開挖步驟。對于軸與軸之間的部分，由于岸壁保護和復雜支撐的作用，與軸平行的右側地連墻豎向位移很小，因此，回彈也很小，幾乎為0，最終，頂板的位移差為7.1 mm，中板的位移差為3.2 mm。

3 結語

根據以上研究，可以得到以下結論：

1)長條形基坑要全面模擬基坑變形，則需建立考慮空間效應的三維模型。2)蓋挖逆作方法把結構板作為基坑開挖時的支撐，剛度較大，可以有效控制基坑的變形和受力。本項目最大位移為36 mm，最大彎矩為958 kN·m/m。3)在整個基坑施工過程中，樁柱等均表現為回彈，中間樁柱回彈大于邊緣。施工完成后施加了填土和道路荷載，豎向位移也表現為回彈，但回彈值很小。4)蓋挖逆作法施工完成后，頂板和中板均承受一定附加彎矩，但其彎矩值較小，且頂板彎矩大于中板彎矩，最后施加填土及道路荷載對頂板彎矩影響很大，對中板則幾乎沒有影響。5)從整體三維模型來看，岸壁保護部分和地連墻轉折處對地連墻的位移影響很大，對中間樁柱則影響相對較小，對板的彎矩分布也有一定影響。

[1] 劉映晶，陳錦劍，王建華，等.逆作土方通道式施工工藝對基坑變形的影響[J].上海交通大學學報,2012,46(1):89-93.

[2] 杜金龍，魏 祥，楊 敏.軟土基坑逆作開挖的時效分析[J].巖土工程學報，2008，30(sup)：395-399.

[3] 李守彪，李仕雄，魏子龍.軟弱地層半逆作深基坑支撐軸力變化規律[J].地下空間與工程學報，2012，8(8)：732-736.

On working performance of top-down deep foundation pits and space effect in soft soil areas★

Liu Shuangju1,2An Jianguo3

(1.TianjinUrbanConstructionUniversity,Tianjin300384,China; 2.KeyLabforSoftSoilFeaturesandEngineeringEnvironmentofTianjin,Tianjin300384,China; 3.ArchitecturalDesignInstitute,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Combining with the cover and cut top-down foundation pit project of Haihe Tunnel, the paper researches the geological survey of the area, adopts ABAQUS software to have the simulation calculation, analyzes the change law for the enclosure structure, analyzes the space effect, and achieves some conclusion.

top-down method, space effect, enclosure structure

1009-6825(2015)28-0056-02

2015-07-26 ★：天津市軟土特性與工程環境重點實驗室基金資助項目(項目編號：2012SCEEKL004)；國家自然科學基金資助項目(項目編號：41172233)

劉雙菊(1979- )，女，博士，講師

TU463

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