上海某超深基坑分區(qū)開挖數(shù)值計算及模型參數(shù)分析*

邵治理,賈寶榮,侯征宇,羅 鑫,張 順

(上海市機械施工集團有限公司,上海 200072)

0 引言

超深基坑工程是城市深層地下空間開發(fā)利用的重要形式,相較于淺基坑,深部土體開挖卸荷作用明顯,開挖區(qū)域變形效應(yīng)顯著,在施工期易出現(xiàn)各類風險甚至災(zāi)害。基坑變形是多施工因素疊加耦合的復(fù)雜結(jié)果,劉建航等[1]和范益群等[2]提出了基坑變形的時空效應(yīng)原理,認為各施工措施的施作時間和順序?qū)幼冃斡忻黠@影響,強調(diào)控制基坑變形必須利用基坑變形的時間和空間特點,如支撐架設(shè)的及時性和挖土工藝(分層、分段、對稱、平衡)。本文以上海某挖深40m超深基坑為案例,在時空效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上,考慮支護結(jié)構(gòu)類型及尺寸、結(jié)構(gòu)材料及強度、內(nèi)支撐設(shè)置時間、土體分層分區(qū)開挖工期、施工降水等因素,形成考慮多因素疊加耦合效應(yīng)的超深基坑精細化流固耦合數(shù)值分析方法。在基坑開挖過程中,不斷跟進開挖進程和實際開挖工況,并通過實測數(shù)據(jù)與計算預(yù)測值進行對比分析、工況解析及反演分析,動態(tài)優(yōu)化模型及各施工參數(shù),最終得到了超深基坑開挖數(shù)值分析的全套模型參數(shù),可為基坑開挖全過程的變形控制提供技術(shù)保障和超前預(yù)測,同時也可為類似工程的模型參數(shù)取值提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

某工程為地下4層雙島車站,車站總長約662.93m,有效站臺長約220m,標準段寬度約42.4m,站臺寬度約12m,標準段基坑開挖深度約36.02m,端頭井基坑開挖深度41.16～42.46m,總建筑面積約90 474m2,基坑由西向東為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)共3個分區(qū),中間由分隔墻分隔,分區(qū)開挖范圍及支撐參數(shù)如圖1所示。基坑安全等級一級,環(huán)境保護等級二級。

圖1 超深基坑分區(qū)及支撐布置

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程所處位置,按上海地貌單元分區(qū)圖,擬建場地屬濱海平原地貌類型。場地勘察范圍內(nèi)上部為①～④層軟土,表現(xiàn)為高壓縮性和低強度,工程性質(zhì)較差;下部為⑤層和⑨層粉土和砂性土,中～低壓縮性,工程性質(zhì)較好。土層分布地質(zhì)剖面如圖2所示。擬建場地揭露的地下水分為賦存于淺部土層中的潛水以及中下部⑤1-1,⑤3-1層中的微承壓水及⑨層中的承壓水。根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗,淺部土層中的潛水位埋深一般為地表下0.3～1.5m,承壓水水位一般低于潛水位,呈周期性變化,埋深3.0～12.0m。

1.3 施工步驟

端頭井地下連續(xù)墻深86.35m,標準段地下連續(xù)墻深79.4m,地下連續(xù)墻厚度為1.2m,兩側(cè)采用26.2m深三軸槽壁加固,每道地下連續(xù)墻接縫處采用φ2 000、與地下連續(xù)墻等深度RJP墻縫止水。設(shè)置樁徑為1 200mm、有效樁長55m的抗拔樁及立柱樁。西端頭井開挖深度41.16m,標準段開挖深度36.02m;東端頭井開挖深度42.46m。1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)均采用順作法施工,兩側(cè)端頭井處設(shè)置8道混凝土支撐,標準段設(shè)置7道混凝土支撐,圍護結(jié)構(gòu)典型剖面如圖2所示。

2 超深基坑精細化有限元模型

2.1 三維有限元模型

在軟土地區(qū)進行基坑開挖涉及降水模擬分析,因此需要考慮水、土、結(jié)構(gòu)之間的相互作用,涉及應(yīng)力場及滲流場的耦合分析。通常重點關(guān)注的是降水后地層的位移響應(yīng),可忽略降水過程中的影響,本文采用滲流-應(yīng)力單向耦合分析方法,將滲流分析獲得的孔隙水壓用于應(yīng)力分析。

超深基坑施工過程中,支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與開挖方法和施工步驟等密切相關(guān)。支撐剛度與作用位置、圍護結(jié)構(gòu)形式及其剛度、荷載作用時間等也會對圍護結(jié)構(gòu)的受力和變形產(chǎn)生較大影響。為了全面反映超深基坑開挖過程中的變形和受力特征,需要對實際施工步驟、開挖方法、土體本構(gòu)模型及參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)、降水施工等進行精細化建模分析。本文全面了考慮各種復(fù)雜因素的影響,建立了反映豎井施工全過程的精細化流固耦合數(shù)值模型。

為保證計算的準確性、連續(xù)性,保證模型尺寸覆蓋基坑開挖影響范圍,水平向和豎向尺寸均取基坑開挖深度3倍,整體尺寸為1 028m×360m×120m。在基坑土體附近以及圍護結(jié)構(gòu)處,網(wǎng)格局部加密。網(wǎng)格向外設(shè)置若干個過渡區(qū),網(wǎng)格單元從密到疏,可以兼顧計算精度和計算時間。模型總計約30萬個網(wǎng)格,如圖3,4所示。

圖3 超深基坑計算模型尺寸

圖4 計算模型圍護結(jié)構(gòu)及分區(qū)

2.2 土體參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

表1 土體參數(shù)(HS-Small模型)

2.3 基坑施工過程模擬

模型的位移邊界條件:側(cè)邊約束水平位移,底部約束水平和豎向位移,地表為自由邊界。模型的滲流邊界條件為水頭邊界。本模型考慮了上海地區(qū)各土層的水頭分布情況,通過添加界面單元的方式,可以真實反映黏土層和承壓含水層的初始水頭分布,并實現(xiàn)隔水效果。

初始滲流場分布如圖5所示,其中深部為⑨層承壓含水層,總水頭-5.000m;淺層為黏土層,總水頭-0.500m。根據(jù)實際基坑施工和開挖情況,1區(qū)、3區(qū)同步施工,后開挖2區(qū),進行基坑分區(qū)施工全過程模擬。通過分步計算,分析基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場施工流程建立26個工況,如表2所示。

圖5 初始滲流場分布

表2 施工工況

3 地下連續(xù)墻變形計算結(jié)果分析

本模型在1區(qū)和3區(qū)實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,開展參數(shù)反演分析,對基坑模型參數(shù)進行校核,進而使得模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果相吻合。反演思路如下:①按照實際施工過程和步驟進行開挖和降水模擬,使得各參數(shù)能夠真實反映實際施工狀況,反演得到的參數(shù)具有較強的可信度;②反演參數(shù)為基坑變形的主要影響因素,分別是支撐剛度參數(shù)、承壓水降水施工、地下連續(xù)墻剛度參數(shù)。

選取開挖圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形最大點CX8進行分析。通過參數(shù)分析使得CX8測點處模擬變形曲線與實測曲線趨勢較為吻合,數(shù)值上較為接近。同時還需使計算結(jié)果能覆蓋較多的測點,整體擬合效果最好。

3.1 支撐剛度折減對圍護結(jié)構(gòu)變形影響

對于支撐體系,一般模型中的支撐剛度為定值,本文考慮了混凝土支撐強度隨齡期的變化,開挖施作支撐階段,考慮混凝土強度未達到終凝強度,剛度模量按照實際施工狀況折減20%,在施作下一道支撐時,通過改變屬性將本道支撐剛度調(diào)整最終剛度模量。支撐剛度對地下連續(xù)墻變形的影響如圖6所示。

圖6 支撐剛度對地下連續(xù)墻變形的影響

由圖6可見,相較于淺層土體開挖,在24m以下深度深層土體開挖的變形效應(yīng)更加明顯,分層開挖的變形量和變形速率逐漸增加。第6層土方開挖前,計算曲線變形趨勢與實測曲線較為一致,考慮混凝土齡期的支撐剛度折減對淺層土體開挖的變形影響較小。隨著開挖深度增加,考慮支撐剛度折減的變形量與未折減變形量差值逐漸增加,開挖第7層土方后,最終計算變形量分別為203mm和213mm,二者相對變形為4.9%,計算變形量均大于實測數(shù)據(jù)的199mm。值得指出的是,考慮支撐剛度折減符合實際工程進程和工況,因此,盡管考慮支撐折減的最大變形值與實測值偏差大于無折減情況下的偏差,卻并不表明考慮支撐折減是不合理的,需進一步考慮承壓水降水和地下連續(xù)墻剛度折減的影響。

3.2 承壓水降水對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響

對于承壓水降水施工,坑內(nèi)降水后的實測水頭高度為-18.000m左右。模型中設(shè)置虛擬降壓井進行降水,按照實際降壓井的分布和深度,采用1D梁單元模擬降壓井,降水邊界條件為節(jié)點水頭邊界,考慮到降承壓水對潛水層影響較小,只選擇承壓水層內(nèi)的梁單元節(jié)點進行降壓模擬,即只降承壓水頭而不影響潛水層水頭分布。按照實際降水工況和實測水頭數(shù)據(jù),在開挖1區(qū)、3區(qū)第6層前對深部承壓水的施工降水,模擬降水工況與實際降水數(shù)據(jù)保持一致,選取1區(qū)標準段的典型斷面CX8～CX77,降水后的水頭分布和滲流路徑如圖7所示。

圖7 承壓水降水后滲流場分布

由圖7a可知,由于設(shè)置了隔水界面,模擬的承壓降水不影響坑內(nèi)外潛水的水頭高度。坑內(nèi)外降壓井的實測水頭和計算水頭基本一致,表明承壓降水模擬可以反映實際降水工況,水頭呈漏斗狀分布,距離基坑較遠處的水頭與初始水頭一致,未受到承壓層降水的影響。由圖7b可知,由于坑內(nèi)外的水頭差,承壓水層水流路徑為坑外向坑內(nèi)滲流。

降水對地下連續(xù)墻變形的影響如圖8所示。由圖8可見,降承壓水對第6層開挖變形影響較小,而在第7層開挖后,變形曲線斜率較前一層顯著減小,地下連續(xù)墻的側(cè)向變形從213mm降至179mm,相對變形為13.1%。計算曲線變形趨勢與實測曲線較為一致,表明本文考慮承壓水降水的影響是合理的,承壓水降水對地下連續(xù)墻變形有較強的控制作用。

圖8 降水對地下連續(xù)墻變形的影響

3.3 地下連續(xù)墻剛度折減對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響

宗露丹等[7]對上海地區(qū)圓形地下連續(xù)墻的實測變形值表明,地下連續(xù)墻剛度按照設(shè)計剛度取值,計算得到的變形會明顯偏小,提出考慮墻體分幅接頭構(gòu)造削弱作用、分幅定位及垂直度施工誤差、真圓度偏差等綜合因素,應(yīng)對地下連續(xù)墻的彈性模量進行適當折減。因此,在本超深基坑三維計算分析中,還需要確定合理的地下連續(xù)墻剛度。支撐剛度和承壓水降水參數(shù)確定后,在支撐折減和考慮承壓降水的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果對比分析,發(fā)現(xiàn)當?shù)叵逻B續(xù)墻剛度折減系數(shù)為20%時,CX8測點處計算變形曲線與實測曲線趨勢較為吻合,數(shù)值較為接近,且對其他測點的擬合效果最好,如圖9所示。

圖9 地下連續(xù)墻剛度對地下連續(xù)墻變形的影響

通過參數(shù)反演分析,最終確定支撐剛度折減系數(shù)和地下連續(xù)墻剛度折減系數(shù)均為20%,并且考慮承壓水降水對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響,地下連續(xù)墻采用C35混凝土,彈性模量折減后取25.2GPa,支撐分別采用C30,C35和C40混凝土,彈性模量折減后取24.0,25.2,26.0GPa。

對典型測點CX8,CX77,CX28和CX56的實測地下連續(xù)墻側(cè)移和計算側(cè)移值進行對比(見圖10a～10d),地下連續(xù)墻側(cè)移隨深度的變化規(guī)律具有一致性,側(cè)向變形先隨深度增加而增大,最大變形量發(fā)生位置在基坑開挖面附近,后隨深度增加而減小,在深部逐漸趨于穩(wěn)定,實測的地下連續(xù)墻整體變形形態(tài)基本呈“凸肚形”。為證明模型的準確性,進一步選取典型測點截面處的支撐軸力進行對比(見圖10e,10f)。開挖至坑底后最大支撐軸力在第5道或第6道支撐處,實測和計算支撐軸力曲線趨勢較為一致,計算軸力值略大于實測值,而計算側(cè)移小于實測值,反映了支撐軸力與地下連續(xù)墻側(cè)移的相關(guān)性。

3.4 圍護結(jié)構(gòu)變形空間分布規(guī)律

地下連續(xù)墻側(cè)移如圖11所示。由圖11a可知,變形最大值出現(xiàn)在1區(qū)標準段南側(cè)CX8與CX9之間,最大值約為195mm。變形最大值和分布區(qū)域與實測結(jié)果基本一致。基坑工程具有明顯的三維空間效應(yīng)[8-9],圖中地下連續(xù)墻側(cè)移的分布同樣表現(xiàn)出一定的空間效應(yīng),在地下連續(xù)墻端頭井處變形較小而地下連續(xù)墻標準段中部變形較大。此外,對比1區(qū),3區(qū)基坑變形,基坑開挖的空間效應(yīng)還體現(xiàn)在分區(qū)開挖寬度上,開挖寬度較大時,最大側(cè)移值也更大。

圖11 地下連續(xù)墻側(cè)移云圖

圖11b表明,1區(qū)和3區(qū)端頭井開挖到坑底對標準段處地下連續(xù)墻變形影響較小,而對開挖面附近的端頭井地下連續(xù)墻變形影響較大,在端頭井內(nèi)部的地下連續(xù)墻側(cè)移的分布同樣具有明顯的空間效應(yīng),角部變形值很小,而端頭井地下連續(xù)墻中部變形較大。2區(qū)開挖至坑底的地下連續(xù)墻側(cè)移如圖11c所示,通過1區(qū)、3區(qū)的對比驗證,預(yù)測2區(qū)最大變形為180mm,最大變形位置靠近3區(qū)地下連續(xù)墻中部。

4 地下連續(xù)墻變形結(jié)果對比分析

4.1 圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移對比及角部效應(yīng)

1區(qū)和3區(qū)計算地下連續(xù)墻變形值與實測變形值的平面對比如圖12所示,1區(qū)、3-1區(qū)的相對誤差均小于30%,誤差小于20%的測點占比分別為95%和100%,誤差小于10%的測點占比分別為77%和78%。計算值可以較好擬合實測結(jié)果,依據(jù)此分析結(jié)果,預(yù)測2區(qū)開挖后的地下連續(xù)墻變形最大誤差可控制在20%以內(nèi)。

圖12 地下連續(xù)墻側(cè)移對比

誤差較大的區(qū)域主要位于地下連續(xù)墻角部,盡管實測值和計算值均表明在地下連續(xù)墻角部存在角部效應(yīng)以限制地下連續(xù)墻進一步變形,但計算角部效應(yīng)相較于實測值更為明顯。由于建模時忽略接縫的影響,將地下連續(xù)墻視為連續(xù)的整體,因此計算時角部兩個方向的地下連續(xù)墻是固結(jié)連接的,形成局部的加固效應(yīng)。此時地下連續(xù)墻側(cè)移會被垂直該方向的地下連續(xù)墻所限制,導(dǎo)致計算角部位移很小。實際上,靠近基坑轉(zhuǎn)角的地下連續(xù)墻接縫相對變形較大,常易出現(xiàn)滲漏[10]。因此,計算模型在整體地下連續(xù)墻剛度折減的基礎(chǔ)上,還應(yīng)當在地下連續(xù)墻角部進一步進行剛度折減,調(diào)整角部附近地下連續(xù)墻的剛度。

王旭軍等[11]指出角部測點的墻體側(cè)移最大值與基坑角部的角度相關(guān),角度越接近180°則變形越大。本工程2區(qū)基坑中部局部地下連續(xù)墻也有較大角度(90°～180°),該區(qū)域的地下連續(xù)墻側(cè)移與標準段的差異較小,而在1區(qū)、3區(qū)基坑中部部分地下連續(xù)墻角度為90°,這部分地下連續(xù)墻側(cè)移值較標準段則偏小很多。因此本文的實測分析結(jié)論與其一致。此外,本文實測數(shù)據(jù)還表明,地下連續(xù)墻角部側(cè)移與地下連續(xù)墻角部的構(gòu)造形式有關(guān),以一區(qū)端頭井為例,端頭井左上角處地下連續(xù)墻為L形角,右上角處地下連續(xù)墻為Z形角,盡管角度一致,靠近角部的兩個測點側(cè)移分別為112mm(L形)和156mm(Z形),在一區(qū)端頭井左下角和右下角的地下連續(xù)墻側(cè)移規(guī)律也是一致的,這表明L形角部效應(yīng)要大于Z形角部效應(yīng)。

本基坑最大側(cè)移實測數(shù)據(jù)和計算值均位于1區(qū)地下連續(xù)墻,因此選取1區(qū)地下連續(xù)墻典型測點的最大側(cè)移數(shù)據(jù)進一步分析,如圖13所示。可以看出,圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移隨開挖深度增加呈現(xiàn)出增大的趨勢,且變形速率逐漸增加,可用二階多項式y(tǒng)=0.10x2+1.4x來擬合,R2=0.98。實測最大側(cè)移小于0.54%H,平均值為0.39%H。上海基坑設(shè)計規(guī)范對46個環(huán)境保護2級的基坑工程進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),圍護結(jié)構(gòu)的最大測斜值不超過0.9%H,平均值為0.44%H。說明本工程實測值滿足規(guī)范統(tǒng)計規(guī)律,最大側(cè)移平均值略低于上海地區(qū)同類型的基坑工程。

圖13 地下連續(xù)墻最大測斜與開挖深度關(guān)系

4.2 分區(qū)基坑開挖寬度對地下連續(xù)墻測斜的影響

本工程為長條形基坑,各分區(qū)基坑開挖長度均大于3倍的開挖寬度。按照實測數(shù)據(jù),基坑1區(qū)、3-1區(qū)和3-2區(qū)最大側(cè)移變形約為0.54%H,0.51%H和0.40%H。作為對比,計算結(jié)果1區(qū)地下連續(xù)墻變形約為0.53%H,3-1區(qū)地下連續(xù)墻變形約為0.48%H,3-2區(qū)地下連續(xù)墻變形約為0.30%H。這表明其他因素基本一致情況下,地下連續(xù)墻側(cè)向變形與基坑開挖寬度有關(guān),隨開挖寬度增加,最大測斜也逐漸增大。王旭軍[12]對上海中心大廈基坑進行數(shù)值計算發(fā)現(xiàn),存在“收斂開挖寬度”,當開挖寬度達到收斂開挖寬度后,墻體側(cè)移將不隨開挖寬度的增加而增加,本文的實測數(shù)據(jù)和計算值也同樣表明,隨開挖寬度增加,最大測斜值增大速率減緩并趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本基坑工程涉及多個復(fù)雜施工工況,施工面積大且開挖工序多,基坑側(cè)移變形控制難度很大。本文通過實測數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測值進行對比分析和反演分析,動態(tài)優(yōu)化模型及各施工參數(shù),最終得到了超深基坑數(shù)值分析的全套模型參數(shù),具體結(jié)論和建議如下。

1)參數(shù)取值應(yīng)當真實反映實際施工狀況,使得反演過程真實可信。反演參數(shù)為基坑變形主要影響因素,分別是支撐剛度參數(shù)、承壓水降水施工參數(shù)、地下連續(xù)墻剛度參數(shù)。

2)開挖深層土體后,變形速率較淺層相比逐漸增加,承壓降水施工可以較好限制地下連續(xù)墻變形。相較于淺部開挖,深部土體開挖的變形對支撐剛度參數(shù)和地下連續(xù)墻剛度參數(shù)的敏感度較大,圍護結(jié)構(gòu)剛度折減主要影響深部土體開挖變形,因此超深基坑施工需密切關(guān)注地下連續(xù)墻施工質(zhì)量和縮短支撐的施作時間。

3)計算模型與實測數(shù)據(jù)的最大變形值相比,1區(qū)、3區(qū)的相對誤差均小于30%,小于20%的測點占比分別為95%和100%,小于10%的測點占比分別為77%和78%。計算值可以較好擬合實測結(jié)果,預(yù)測最大誤差可控制在20%以內(nèi)。

4)基坑邊角附近存在顯著的空間效應(yīng),地下連續(xù)墻角部的角度和幾何形式均會影響地下連續(xù)墻側(cè)移,基坑的角部空間效應(yīng)隨基坑角部的角度增大而減小,而L形角部效應(yīng)要大于Z形角部效應(yīng)。

5)條形基坑的地下連續(xù)墻最大測斜與開挖寬度呈正相關(guān)關(guān)系,隨開挖深度增加,地下連續(xù)墻最大測斜值的增長速率減慢,并最終穩(wěn)定。