软土地区逆作深基坑工作性状及空间效应研究★

刘双菊 安建国

(1.天津城建大学，天津 300384； 2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384； 3.天津大学建筑设计研究院，天津 300072)

软土地区逆作深基坑工作性状及空间效应研究★

刘双菊1，2安建国3

(1.天津城建大学，天津 300384； 2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384； 3.天津大学建筑设计研究院，天津 300072)

结合海河隧道盖挖逆作基坑工程实例，研究了工程的地质概况，采用ABAQUS软件对其进行了模拟计算，通过数值模拟结果，分析了围护结构内力变形规律，并进一步分析了其空间效应，得到了一些有意义的结论。

逆作法，空间效应，围护结构

0 引言

随着城市建设的发展，基坑的规模和深度都在不断加大，越来越多的深基坑需要在城市建筑密集区内施工，施工场地越来越小，因此，盖挖逆作施工方法的应用越来越广泛[1-3]。在天津地区，地层软弱，基坑的施工难度和风险更大，为保证施工安全和环境安全，研究深大基坑开挖引起的支护体系的安全稳定性是非常重要的课题，考虑空间效应变得越来越重要[4-6]。天津中央大道海河隧道工程，无论其深度和开挖范围在本地区都是不多见的。本文依托海河隧道盖挖逆作工程，采用有限元分析方法，对围护结构受力和变形性状进行了研究和分析，并对其空间效应进行了分析。

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

中央大道是天津滨海新区交通规划的客运主通道，在塘沽区于家堡附近海河与中央大道的交汇处，建立河底隧道通过海河，依据规划及设计方案，隧道地下暗埋部分为2 441 m，隧道北段三块板路附近采用盖挖逆作法施工，从K28+352.000～K28+493.905，全长142 m。其余岸边段采用明挖法施工。隧道北段最大开挖深度约24 m，围护结构采用地下厚度为1.2 m的连续墙+支撑+板的盖挖逆作结构。海河隧道北段施工顺序见表1。

1.2 地质概况

海河隧道北段工程位于天津滨海冲积平原，场地内7 m以下有一层很厚的软粘土层，典型的地质剖面，在进行数值计算时，将其土层概化为9层，参数如表2所示。

2 整体三维数值模拟分析

2.1 模型几何概况

本文按照施工顺序对中央大道海河隧道北岸工程的整个盖挖逆作段建立整体三维仿真计算模型，将结构简化为对称结构，取其1/2进行计算。其中，梁、柱、桩等采用梁单元模拟，板采用壳单元模拟，土体采用三维孔压单元模拟，地连墙采用三维八结点减缩积分单元模拟，在模型中，地下连续墙与土之间均设置了接触，接触采用库仑摩擦模型，桩与土之间采用嵌入技术来考虑，本文模拟的施工步骤与前面一致。

表1 海河隧道北段施工顺序 m

表2 土层参数

2.2 结果分析

2.2.1 地连墙顶及柱顶竖向位移

经过分析计算，得到地连墙及柱顶的竖向位移曲线。三维结果中，远离端部和岩壁保护部分的地连墙，桩、柱的回弹值与二维结果一致，在靠近端部的地方，回弹明显减小，空间效应明显。

总体上来说，地连墙、边柱及中柱都处于回弹状态，地连墙的竖向位移小于柱位移；地连墙顶与柱的位移均呈现先增大后减小的趋势。

对于地连墙，第三步开挖完成后结构回弹最大值为4.5 mm，最后一步开挖完成后，结构回弹最大值为9.1 mm，回弹最大值均发生在柱子顶端。第三步开挖完成后，地连墙靠近轴和拐弯处的回弹较小，最后一步开挖完成后，靠近轴一侧的回弹较小。分析其原因，虽然靠近轴一侧的开挖深度较深，但因为支撑结构较复杂，且有岸壁保护结构和地连墙的局部拐弯结构，这两部分结构都对地连墙的回弹产生有利影响；靠近轴的部分，因为开挖深度较浅，回弹较小；因此，总体来说，地连墙的回弹值中间最大。

当开挖第三步完成后，中间柱与边柱回弹相差无几，最大值发生在轴附近为4.5 mm，最小值发生轴为2.8 mm；地连墙回弹最大值为2.5 mm，发生在轴附近，最小值发生在轴地连墙拐弯处为0.1 mm。

当开挖完成后，中间柱位移大于边柱位移，二者的最大值均发生在轴附近，中间柱最大回弹为9.1 mm，边柱最大回弹为8 mm，二者的最小值均发生在轴附近，中间柱回弹最小值为4.7 mm，边柱回弹最小值为4.2 mm；地连墙最大回弹5.3 mm，发生在轴附近，最小值为1.3 mm，发生在轴附近。

2.2.2 顶板及中板的竖向位移

顶板的位移大于中板的位移，顶板位移最大值7.5 mm，中板的位移最大值为3.5 mm，这是因为顶板先施工，受到后面几个步骤的降水开挖影响较大，而中板后施工，后面只有两个开挖步骤。对于轴与轴之间的部分，由于岸壁保护和复杂支撑的作用，与轴平行的右侧地连墙竖向位移很小，因此，回弹也很小，几乎为0，最终，顶板的位移差为7.1 mm，中板的位移差为3.2 mm。

3 结语

根据以上研究，可以得到以下结论：

1)长条形基坑要全面模拟基坑变形，则需建立考虑空间效应的三维模型。2)盖挖逆作方法把结构板作为基坑开挖时的支撑，刚度较大，可以有效控制基坑的变形和受力。本项目最大位移为36 mm，最大弯矩为958 kN·m/m。3)在整个基坑施工过程中，桩柱等均表现为回弹，中间桩柱回弹大于边缘。施工完成后施加了填土和道路荷载，竖向位移也表现为回弹，但回弹值很小。4)盖挖逆作法施工完成后，顶板和中板均承受一定附加弯矩，但其弯矩值较小，且顶板弯矩大于中板弯矩，最后施加填土及道路荷载对顶板弯矩影响很大，对中板则几乎没有影响。5)从整体三维模型来看，岸壁保护部分和地连墙转折处对地连墙的位移影响很大，对中间桩柱则影响相对较小，对板的弯矩分布也有一定影响。

[1] 刘映晶，陈锦剑，王建华，等.逆作土方通道式施工工艺对基坑变形的影响[J].上海交通大学学报,2012,46(1):89-93.

[2] 杜金龙，魏 祥，杨 敏.软土基坑逆作开挖的时效分析[J].岩土工程学报，2008，30(sup)：395-399.

[3] 李守彪，李仕雄，魏子龙.软弱地层半逆作深基坑支撑轴力变化规律[J].地下空间与工程学报，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 ★：天津市软土特性与工程环境重点实验室基金资助项目(项目编号：2012SCEEKL004)；国家自然科学基金资助项目(项目编号：41172233)

刘双菊(1979- )，女，博士，讲师

TU463

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