津塔基坑施工监测和数值模拟分析

□文/周予启 秘志伟

□秘志伟/天津市建设工程质量安全监督管理总队。

津塔基坑施工监测和数值模拟分析

□文/周予启 秘志伟

津塔建筑高度336.9m，基坑面积19764m2，大面积开挖深度-22.5m（最深-32.1m）。采用“两墙合一”的地下连续墙作为围护结构，内支撑采用双圆环形钢筋混凝土体系。施工监测表明：围护结构、支撑体系的受力、变形均比较理想；通过数值模拟，对监测数据作进一步分析。

施工监测；数值模拟；深基坑；地下连续墙；支撑体系

1 工程概况

天津津塔工程占地面积22258m2，主体结构为1幢75层、336.9m的高超高层商务主楼，1幢28层、105 m高的公寓楼和4层、20m深的整体地下车库。主楼结构为钢管混凝土劲性筒中筒结构，公寓楼为钢筋混凝土框架剪力墙结构，总建筑面积为343922m2。基坑面积19764m2，开挖深度-19.6～-25.5m，局部深坑达-32.1m。

天津市属暖温带半湿润大陆性季风气候；第四系沉积厚度在千米以上，是典型的软土地区，浅层土体以粘性土为主，土质软弱，具有高含水量、高灵敏性、高压缩性、低密度、低渗透性等特性；地下水位较高，有潜水、微承压水等多层地下水分布；工程与海河只有十几米之隔，地质情况复杂。基坑周边环境较为复杂，尤其是大沽北路侧的大沽桥墩台结构，对环境变形敏感，需重点保护。见图1。

2 工程地质概况

2.1 场地各地层特征

工程位于海河南岸，原为低洼地，后建起厂房和住宅等，整个场地地势起伏较大，自然地面高程4.50～2.77m（大沽高程）。地基土竖向成层分布，部分层位水平方向岩性有所差异，砂粘有所变化，力学性质有所差异，顶（底）板标高起伏变化较大。

2.2 地质条件

1）含水岩组的划分

根据地基土的分层、室内渗透试验结果，场地标高-44.00m以上地质岩组可划分为1个潜水含水岩组和2个承压含水层。

（1）潜水含水岩组。埋深约16.00m（标高约-12.00 m）以上人工素填土、粉质粘土、粘土等，一般属微透水层。

（2）第一微承压含水岩组。埋深约50.00m以上，可划分2个承压含水层。

①第一承压含水层。以上更新统第五组陆相冲积层上部粉土、粉砂（7a）为主要含水层。

②其下的上更新统第五组陆相冲击层下部粉质粘土（7b）和上更新统第三组陆相冲击层上部粉质粘土（8a），属不透水层，可视为第一承压含水层的相对隔水底板、第二含水层的相对隔水顶板。

③第二承压含水层。以上更新统第三组陆相冲积层中部粉土（8b）为主要含水层。

④其下的上更新统第三组陆相冲积层下部粉质粘土（8c）属不透水层，可视为第二含水层的相对隔水底板。

2）地下水位情况

（1）钻孔实测水位。初见水位埋深2.50～4.20m相当标高0.42～0.21m；静止水位埋深1.90～3.60 m，相当标高 0.92～0.80m。

充足的存货对于粮食仓储企业而言是创造效益的根本，在当前的社会发展格局下，粮食仓储企业面临的市场环境较为复杂。若企业的仓储量大于需求量，粮食存储时间过长就会发生变质，造成企业的经济损失；若仓储量小于需求量，则会使企业丧失获取更多利润的机会，影响企业的创效能力。提升粮食仓储企业存货成本管理的有效性，是企业生存与发展的必由之路，应主动探究存在于当前存货成本管理当中的问题，探寻提升存货管理有效性的可行性路径。

（2）抽水试验实测水位。潜水水位埋深约2.20m，相当标高0.76m，水位随季节有所变化，一般年变幅在0.50～1.00m；承压水埋深约 35.00～43.00m，8b层承压水静止水位埋深4.80m，相当标高-0.26m，承压含水层顶板埋深36.50m，承压水头高度31.70m。

2.3 地基土的渗透性

场地各土层渗透性见表1。

表1 土层渗透性参数

2.4 地基土的力学参数

场地各土层力学参数见表2。

表2 土层力学参数

3 基坑支护设计方案

工程整体采用顺作法。围护结构采用“两墙合一”的地下连续墙。主塔楼区开挖较深，采用1000mm厚的地下连续墙；公寓和纯地下室区域开挖相对较浅，采用800mm厚的地下连续墙；坑内设4道双圆环形钢筋混凝土支撑系统。围护结构典型剖面见图2，支撑体系平面布置见图3。

4 基坑施工监测

考虑到津塔基坑开挖深度超深，周边管线分布复杂，四周均为车流量较大的交通主干道，北侧紧邻海河，海河水位的冬夏变化及路面动荷载的干扰都是津塔基坑监测的难点。基坑监测等级为一级。以实现信息化施工并确保基坑施工安全为目的，对如下项目进行了监测。见图4。

4.1 监测分析

C10的 37mm，土体T16的 36mm。本次数值模拟分析对应的点位为C02点，其变化曲线见图5。

从基坑开挖至结束，经过近7个月的严密监测，周边环境及基坑本身变化速率较大；底板浇筑完成后，变化速率明显减慢，基坑处于相对稳定的状态；随着各层顶板的浇筑以及相应部位支撑的拆除，相对平衡状态被打破，变化速率有所放大。这一点在第二、三层支撑拆除阶段表现尤为明显，在第二层支撑拆除完成后，变化速率逐渐减慢，至顶板完成，变化速率已趋于稳定。对于整个基坑而言，从监测数据分析，在顶板完成后基坑已处于安全稳定状态。本文仅针对地连墙测斜监测、冠梁水平位移进行初步分析。

墙身倾斜测点和土体倾斜测点各18处。土方开挖对其影响较大，变化速率约为1～2mm/d，最大变化量为墙身C12的40mm，土体T15的51mm。支撑拆除对其影响较小，变速率约1mm/d左右，最大变化量为桩身

地连墙墙顶变形监测包括桩顶水平位移和沉降监测各18个点，其点位与地连墙倾斜测点相对应。从监测数据看，土方开挖和拆撑对其影响较大，其沉降最大变化量为C15的22mm，水平位移最大变化量为C01的30mm。随着支撑的不断拆除，其变化量在经过一个应力释放的周期后逐渐趋于稳定，沉降最终最大变化量为C09的17mm，水平位移最终最大变化量为C01的50 mm。本次数值模拟分析对应的点位为C02点。

5 数值模拟分析

采用岩土工程数值模拟分析软件FLAC5.0建立二维连续介质模型：

1）考虑基坑开挖的过程影响，便于分析由于施工过程引起地表移动的时空效应问题；

2）考虑钢筋混凝土支撑的施工过程；

3）土层厚度、土层力学参数等按照勘察报告提交的参数进行选取(在不同的纵断面位置，按照建模位置对应的参数选取)。

本次数值模拟计算中，岩土物理力学性质参数没有考虑地层厚度及强度参数的空间离散与变异性。

水平方向外扩6倍开挖深度约150m；底部影响区沿基坑底再向下取3倍基坑深度约70m，基本可以消除边界效应对计算结果的影响（X、Y方向约165m×90 m，约19575个单元）。所有边界均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面为Y方向位移固定，左右边界为X方向位移固定。

土体本构模型为Mohr-Coulomb模型（摩尔－库仑），其破坏包络线对应于摩尔—库仑判据（剪切屈服函数）加上拉伸分离点（拉应力屈服函数），与拉应力流动法则相关联而与剪切流动不相关联。这种模型适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。地连墙、支撑结构等均采用弹性模型。

基坑开挖到底时地连墙水平位移历时曲线见图6。

由图6可见，对于软土地区地连墙的水平变位应以向基坑内侧变形为主，尤其是对于本工程这种不施加预应力的钢筋混凝土支撑情况。

出现实测地连墙顶向外变形的原因可能是测斜管的管底偏高，从而表现出来的墙顶向外变形，实际上是相对于25m深处地连墙的相对变形。

此点从地连墙顶部冠梁的水平变形曲线可得到佐证。GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》中5.2.2条规定“当测斜管埋设在围护墙体内，测斜管长度不宜小于围护墙的深度。”如此看来，津塔的测斜管埋设深度偏浅。

6 结语

1）二墙合一的地下连续墙已广泛应用于高层建筑地下室围护结构和外墙的设计中，其有着墙体刚度大、整体性好、施工振动小、噪音低、抗渗隔水性能好等优点，应用于津塔工程中充分发挥了其自身的特点并收到了很好地效果。地连墙底部增加了素混凝土段充分隔绝了承压水层，对基坑的整体稳定、抗基底隆起和防止管涌都有着很好地作用。

2）圆环型钢筋混凝土内支撑体系有着受力均匀，整体刚度好，中间空间大，可有效避让主体结构，保证主体结构施工等优点，与两墙合一的地下连续墙配合，应用于类似上海、天津等淤泥土质地区，对于超大、超深基坑的支护是一种既经济又安全的施工方案。

3）津塔工程基坑施工中采用了信息化的施工手段，随时监测基坑的各项受力、位移等数据，及时分析，及时调整施工方案，保证了超大超深基坑工程的安全稳定施工并且为其他类似工程提供了很多可以借鉴的经验。

4）地连墙测斜的测斜管体，宜与墙体基本等深；并且宜监测测斜管上口的水平位移，以验证假定的测斜管底是否真正不动。

5）数值模拟方法是一种趋势明确且价格低廉的分析方法。在基坑开挖前，采取数值模拟的方法对实际开挖过程，进行多工况模拟分析，对基坑开挖过程风险，提前预测，可起到事半功倍的作用。

［1］GB50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范［S］.

［2］JGJ120—99，建筑基坑支护技术规程［S］.

［3］刘 波.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

TU476.4

C

1008-3197（2011）02-24-04

2011-01-27

周予启/男，1971年出生，高级工程师，中建一局集团建设发展有限公司，从事基坑设计和施工工作。

□秘志伟/天津市建设工程质量安全监督管理总队。