劉紫陽

（中國電建市政建設(shè)集團有限公司，天津 300384）

逆作法施工中主體結(jié)構(gòu)與臨時支護體系相結(jié)合，形成有效的三維受力體系，自上而下逐層進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，減小對臨近建筑物、道路和地下管線等的影響，在對位移有嚴格控制要求的工程中常采用這種方法。本文通過工程實例，通過有限元軟件midas（邁達斯）建立三維有限元模型，對逆作法施工階段不同工況進行模擬計算，選擇合適的逆作法施工方案，降低對周圍環(huán)境的影響，為工程施工提供指導。

一、工程概述

某工程項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)，基坑重要性等級為一級。

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，若采用臨時支撐順作法方案，支撐剛度偏小，且由于地鐵側(cè)圍護墻體走向為陽角型式，相對于南側(cè)基坑而言，不利于墻體變形控制及地鐵區(qū)間隧道保護，故在基坑整體開挖的前提下采用有利于環(huán)境保護的逆作法方案。

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支撐剛度偏小、圍護結(jié)構(gòu)變形過大，不利于周邊建筑物以及市政管線的保護；另外為解決臨時支撐豎向穩(wěn)定，基坑內(nèi)需布置大量的臨時鋼結(jié)構(gòu)立柱和鉆孔灌注樁立柱基礎(chǔ)，增加工程造價，故裙房區(qū)域設(shè)計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，可有效控制圍護結(jié)構(gòu)的變形，減少對周邊土體的擾動，在滿足地下結(jié)構(gòu)施工的同時實現(xiàn)周邊環(huán)境的保護。

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）進行計算。

MIDAS/GTS的施工階段分析采用累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。即上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會影響到后續(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）。由于計算模型復雜，土層參數(shù)按照圍護結(jié)構(gòu)底面以上各土層特性的加權(quán)平均值取值計算。坑外土體的彈性模量取詳勘報告中提供的數(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80年代做訪問學者到美國，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、對撐、角撐和系桿等支撐結(jié)構(gòu)采用梁模擬。計算模型不考慮立柱、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)基坑工程計算工況

5.三維計算模型

（二）三維有限元計算分析

1.圍護結(jié)構(gòu)計算分析

計算分析結(jié)果：

（1）北區(qū)基坑遠離地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為17.17mm，臨近地鐵側(cè)圍護結(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)圍護結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為13.46mm；遠離地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值為18.99mm。

2.地鐵區(qū)間隧道水平位移計算分析

計算分析結(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)間隧道豎向位移計算分析

計算結(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，遠小于C35混凝土抗拉強度設(shè)計值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混凝土抗壓強度設(shè)計值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混凝土抗拉強度設(shè)計值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混凝土抗壓強度設(shè)計值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)進行逆作法深基坑施工時，采用三維有限元預先對逆作法施工各種工況進行三維有限元模擬驗算，充分考慮基坑的空間性質(zhì)，計算結(jié)果可靠性較高，對現(xiàn)場實施具有較高的指導意義。

（2）基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移的計算分析，基坑開挖卸載后各側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移值均滿足該變形控制要求，對地鐵和周邊環(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算，預先對地鐵隧道變形影響較大位置做出預判，基坑施工過程中對地鐵隧道重點部位加強監(jiān)測和預警，保證施工期間地鐵的安全運行。

（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，對周圍環(huán)境影響較小，同時縮短施工工期，節(jié)約工程造價，在建筑密集、場地狹窄的城市建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價值。