大型基坑周边逆作结构宽度优化分析

付 强， 刘志明， 朱永全， 朱正国

(1．中铁中土澳门公司，澳门;2．中国土木工程集团有限公司，北京 100038;3．石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

1 工程概述

凼仔成都街地下停车场及公园建造工程位于澳门特别行政区成都街、基马拉斯大马路、哥英布拉街、广东大马路围合地块内，地面为公园，地下为二层停车库，无梁楼盖体系。基地环境总平面图见图1。

基坑面积约为26 019 m2，其中中心岛顺筑面积为9 800 m2，逆筑面积为13 870 m2，基坑开挖深度约为9．8 m。

图1 周边环境总平面图

根据工程探土报告，本场地地基土层自上而下依次分为:吹填砂层、淤泥层、淤泥质(粉质)黏土层、砂层、岩层。地下水稳定水位深度为1．5 ～2．0 m，设计计算时地下水位取为1．5 m。土层物理力学特性指标见表1。

工程采用中心岛顺作—周边顶板结构环板逆作的围护设计方案。将基坑分成中部顺作区和周边逆作区两部分，基坑外侧浅层卸土放坡，坑外侧浅层采用卸土放坡，卸土高度为2．5 m，在坑外卸土放坡坡底设置轻型井点降水;基坑深层采用Φ850 型钢水泥土搅拌墙(SMW 工法)作为围护体，墙顶落低至地面下1．47 m;基坑内侧土方开挖至顶板结构底标高，首先施工周边逆作区顶板结构环板，形成环状支撑，然后在基坑周边留土，并采用多级放坡使中心岛区域开挖至基底;在中心岛结构向上顺作施工并与周边顶板结构环板贯通后，再以结构梁板作为水平支撑，逆作施工周边留土放坡区域。

表1 土层物理力学特性指标

2 周边顶环板合理宽度分析

考虑环板宽度10 m、15 m、20 m 三种，优化周边顶环板宽度。只要能保证基坑变形及稳定，环板宽度越小越好，越有利于出土。

澳门凼仔地下停车场基坑平面尺寸94 ×270 m2，开挖深度为9．8 m，考虑到边界条件的问题，模型选取范围为宽度×长度为400 m×800 m，模型的开挖方向(竖向)为30 m。采用中心岛开挖结合周边逆筑法施工，中心岛采用放坡开挖，逆筑区域预留土台兼做围护支撑体，施工时各层楼板兼做内支撑。

本工程在中心岛施工过程中，周边采用顶板结构环板和被动区留土共同约束地下连续墙的位移。一方面，从工程经济性和加快整体施工速度角度出发，应尽量将中心岛面积扩大;另一方面，考虑安全性和变形控制要求，周边顶板环板和被动区留土必须要有足够的宽度，才能有足够的刚度和抗力来控制墙体的变形，因此周边顶环板宽度和被动区留土宽度需考虑两方面因素，并通过整体计算分析确定。

本工程经过数值模拟计算分析，为了确定周边顶层结构环板宽度，模型分别计算顶层结构环板宽度为10 m、15 m、20 m 等三种工况。

3 计算模型

基坑围护结构采用用Flac3d 中的实体单元进行模拟、水平结构梁板用shell 单元模拟、桩用pile 单元模拟。模型的边界条件确定:地基底部约束竖向和水平位移，左右两边约束水平位移;三维有限元模型节点有412 672 个，单元有381 915 个，基坑局部模型俯视图见图2。

土体模型采用Mohr-Coulomb 模型。土层参数根据勘察报告提供的土体参数:重度、凝聚力、摩擦角等。结构与构件计算参数数见表2。

表2 结构与构件计算参数

SMW 工法中型钢在计算模拟时根据面积等效原理来提高围护体的弹性模量;计算公式如下

式中，E 为折算后喷射混凝土弹性模量;E0为原混凝土弹性模量;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹性模量;Sc为喷射混凝土截面积。

为了真实模拟基坑开挖工况过程，计算模拟分析过程尽量与实际施工过程一致，根据设计方案的工况，结合数值分析的需要，将整个分析过程分为23 个步骤，分别为:计算土在自重作用下的应力场，并消除初始位移;放坡开挖1．5 m;基坑外围围护桩墙施工;逆筑区顶板施工;中立柱施工;开挖中心岛第一层;开挖中心岛第二层;开挖中心岛第三层;开挖中心岛第四层;中心岛区底板浇筑;中立柱施工;中心岛区中板浇筑;中立柱施工;中心岛区顶板浇筑，顶板封闭;逆筑区开挖一层;边墙施工;逆筑区开挖二层;边墙施工;逆筑区中板施工;逆筑区开挖三层;边墙墙施工;逆筑区开挖四层;边墙墙施工;逆筑区底板施工。

在计算中监测点的布置，依据现场的基坑检测方案进行布置的，各类监测点见图3。检测项目主要分为，基坑水平方向的变形。

4 结果分析

图2 基坑局部图

图3 基坑及逆作结构监测点

4．1 基坑水平位移对比

基坑的变形监测点设有基坑周围收敛变形监测点，其中W7 监测点的水平位移量较大，只给出环板宽度为10 m、15 m、20 m 情况下W7 测点的水平位移随开挖步关系曲线，其余各环板宽度的各测点的水平位移最终值见表3。

表3 三种环板宽度基坑变形对比 mm

从图4 及表3 知，各边中间位置测点变形较大，各测点变形随着中心岛开挖水平位移变化较快，当中心岛顶层梁板施工完成，与周边逆筑区顶层环板形成整体后，后续施工引起的基坑周边水平位移变化较小;环板宽度为15 m 和10 m 两种工况基坑周边水平位移相差不明显，而环板宽度为20 m 的基坑变形比环板宽度为15 m 和10 m 的基坑变形小得多，说明周边环板宽度为20 m时对基坑周边水平方向变形控制效果较好。

图4 各环板宽度情况W7 测点变形图

4．2 围护桩墙主应力对比

周边环板宽度为10 m、15 m、20 m 时围护桩墙最大和最小主应力值见表4。

表4 三种环板宽度时围护桩墙主应力对比 MPa

由计算结果及表4 知，围护桩墙的最大拉应力主要分布在基坑的四个直角处，最大压应力主要分布在基坑长边中间的位置，并且当环板宽度为20 m 时最大拉、压应力明显小于其它两种情况，且满足有关规范安全要求。

5 结论

(1)宽大基坑采用周边逆作、中心岛放坡开挖，逆筑区域预留土台兼做围护支撑体，施工时各层楼板兼做内支撑。该方案减小了周边放坡高度，在中心岛施工过程利用周边结构环板刚度和周边留土共同约束围护墙位移，以控制基坑变形，保护周边环境。

(2)基坑各边中间位置变形较大，变形随着中心岛开挖变化较快，当中心岛顶层梁板施工完成，与周边逆筑区顶层环板形成整体后，后续施工引起的基坑周边水平位移变化较小。

(3)为了确定周边顶层结构环板宽度，分别计算了顶层结构环板宽度为10 m、15 m、20 m 三种工况。环板宽度为15 m 和10 m 两种工况基坑周边水平位移相差不明显，而环板宽度为20 m 的基坑变形小得多，且当环板宽度为20 m 时最大拉、压应力明显小于其它两种情况，且满足有关规范安全要求。因此，为控制基坑变形和逆作结构施工方便，建议逆作结构周边环板宽度为20 m。

［1］郑信荣，王飞飞． 大型深基坑顺、逆作结合施工技术［J］． 建筑施工，2011(4):256-258．

［2］成峰，张远芳，万永祥． 苏南软土地区地铁车站深基坑变形特性研究［J］． 地下空间与工程学报，2013(2):387-391．

［3］李宇航． 超深基坑分层开挖工具式组合支撑体系施工［J］． 石家庄铁道大学学报:自然科学版，2013，26(1):82-86．

［4］张大，张永泽． 深基坑岛式与盆式土方开挖方法相结合的实际应用［J］． 铁道建筑技术，2013(3):99-102．

［5］邸国恩，王卫东． “中心岛顺作、周边环板逆作”的设计方法在单体50 000 m ～2 深基坑工程中的实践［J］． 岩土工程学报，2006(S1):1633-1637．

［6］袁继锋． 超大型深基坑围护设计及施工［J］． 建筑施工，2008(3):169-171．

［7］杜明玉，阮庆松，彭进强，梅子广． 地铁车站深基坑施工对周围环境影响评价分析［J］． 铁道建筑，2013(4):80-82．