虎門二橋S2西錨碇基坑監(jiān)控方案

1、aa虎門二橋工程S2標(biāo)西錨碇基礎(chǔ)施工監(jiān)控方案中交公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)有限公司2015年1月目錄TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc410739459 1.工程概況 1.工程概況1.1 工程概況本地下連續(xù)墻為虎門二橋大沙水道橋西錨碇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，虎門二橋起點(diǎn)位于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)，與珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)形公路南環(huán)段對接，沿線跨越珠江大沙水道、海鷗島、珠江坭洲水道，終點(diǎn)位于東莞市沙田鎮(zhèn)，與廣深沿江高速公路連接，主線全線均為橋梁工程，總長度12.891公里，采用雙向八車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，橋梁寬度40.5m。錨碇基礎(chǔ)采用地連墻方案作為基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)

2、，根據(jù)地質(zhì)情況及錨體設(shè)計(jì)需要，地連墻采用外徑為82.0m，壁厚為1.5m的圓形結(jié)構(gòu)，頂面標(biāo)高+1.00m，底標(biāo)高-35.00-43.00m，底部嵌入中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層；地連墻分期、期兩種槽段施工，槽段共54個(gè)，設(shè)計(jì)最大槽深46.0m，在地連墻兩側(cè)，采用直徑50cm水泥粉噴樁加固淤泥質(zhì)土，間距40cm，加固深度15.0m，地連墻施工完成后進(jìn)行墻底灌漿。地連墻施工完成后，采用逆作法分層開挖土體，分層施工內(nèi)襯。各層施工工期由土體開挖控制，土體開挖深度為27m，內(nèi)襯及土體分層高度控制在3m以內(nèi)。采用島式開挖法進(jìn)行土體開挖，一層沿圓周分十四個(gè)區(qū)域進(jìn)行對稱開挖并澆筑內(nèi)襯混凝土。內(nèi)襯從上向下：06m深

3、度內(nèi)厚1.5m，6m深度以下厚2m。頂、底板厚6m，中間為填芯混凝土。1.2 工程地質(zhì)條件1.2.1 工程概況及周邊環(huán)境本工程地處廣東省東涌鎮(zhèn)沙公堡村，東距珠江大堤約300m，南側(cè)150m為涌道大堤，西距縣道X928約180m，北距慶沙路（Y946）約150m，慶沙路距市南路3.5公里，市南路南側(cè)與京珠高速連接，對外交通便利。1.2.2 工程地質(zhì)大沙水道橋西錨碇區(qū)域覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土、砂土和第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂土、圓礫土組成，厚度約24.2028.50m；基底由白堊系白鶴洞組（K1b）泥巖組成，存在風(fēng)化不均勻、風(fēng)化夾層現(xiàn)象；穩(wěn)定連續(xù)中微風(fēng)化巖埋深約32.105

4、2.00m，起伏大，高差19.9m。中風(fēng)化泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度在3.13.8MPa，微風(fēng)化泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度在8.724.1MPa，屬軟巖較軟巖。圖1.2-1 西錨碇地連墻地址剖面圖基坑開挖及支護(hù)有關(guān)巖土參數(shù)建議值見表1.2-1。表1.2-1 各土層參數(shù)建議值參數(shù)容重浮容重承載力容許值fa0摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik內(nèi)摩擦角粘聚力CkN/m3kN/m3kPakPakPa淤泥15.45.4502035淤泥質(zhì)土16.56.5602558粉砂1998020180中砂19.59.530040250粗砂18.88.840070280強(qiáng)風(fēng)化泥巖19.999.994501002050中風(fēng)化泥巖20.510.565

5、0180304501.2.3 水文地質(zhì)地下水由第四系孔隙承壓水和基巖裂隙承壓水組成，以第四系孔隙水為主。淤泥(淤泥質(zhì)土)、粉質(zhì)黏土、殘積土、全風(fēng)化巖可視為相對弱透水層及相對隔水層；砂礫層為主要儲水層，連通性較好，透水性好；地下水由于水力梯度小，水平排泄緩慢，水位一般埋深較淺。下伏基巖強(qiáng)中風(fēng)化巖層風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂隙開裂不大，有地下水活動痕跡，其賦存及運(yùn)動條件較差，透水性較弱，基巖裂隙受巖性、埋深等因素的控制，裂隙發(fā)育具有不均勻性，因而其水量分布不均。各地層滲透系數(shù)參考值如下：表1.2-2 各土層滲透系數(shù)參考值地層滲透系數(shù)備注淤泥1.66810-4m/d土工試驗(yàn)第四系砂層6.0m/d經(jīng)驗(yàn)值粉砂5.

6、0m/d經(jīng)驗(yàn)值中砂10.0m/d經(jīng)驗(yàn)值粗砂15.0m/d經(jīng)驗(yàn)值強(qiáng)風(fēng)化層0.386m/d抽水試驗(yàn)中風(fēng)化層0.257m/d壓水試驗(yàn)2.監(jiān)測目的通過本工程的監(jiān)測工作，可以達(dá)到以下目的：及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素由于土體成分和結(jié)構(gòu)的不均勻性、各向異性及不連續(xù)性決定了土體力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，加上自然環(huán)境因素的不可控影響，借助監(jiān)測手段以便能及時(shí)采取補(bǔ)救措施，確?；臃€(wěn)定安全，減少和避免不必要的損失。驗(yàn)證設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工通過監(jiān)測可以了解周邊土體的實(shí)際變形和應(yīng)力分布，用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)與實(shí)際符合程度，根據(jù)基坑變形和應(yīng)力分布情況為施工步驟的實(shí)施、施工工藝的采用提供有價(jià)值的指導(dǎo)性意見。保障業(yè)主及相關(guān)社會利益在施工中，通過對周邊土體

7、和大堤監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，調(diào)整施工參數(shù)、施工工序、重車進(jìn)出及?？课恢?，確保周邊建（構(gòu)）筑物、塔吊以及其它機(jī)具設(shè)備的正常運(yùn)行，有利于保障業(yè)主及相關(guān)社會利益。3.監(jiān)測方案設(shè)計(jì)原則、內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)3.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)性原則1）設(shè)計(jì)的監(jiān)測項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，并形成整體，測試的數(shù)據(jù)相互能進(jìn)行校核；2）運(yùn)用、發(fā)揮系統(tǒng)功效對基坑進(jìn)行全方位、立體監(jiān)測，確保所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、及時(shí)；3）在施工工程中進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性；4）利用系統(tǒng)功效減少監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，節(jié)約成本?？煽啃栽瓌tl）設(shè)計(jì)中采用的監(jiān)測手段是己基本成熟的方法；2）監(jiān)測中使用的監(jiān)測儀器、元件均通過計(jì)量標(biāo)定且在有效期內(nèi)；3）在設(shè)計(jì)中對布設(shè)的測點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。與

8、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合原則1）對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的；2）對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在專家審查會上有爭議的方法、原理所涉及的受力部位及受力內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測，提供反演分析的依據(jù)；3）根據(jù)建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（GB 50497-2009）要求，監(jiān)測報(bào)警值應(yīng)由基坑工程設(shè)計(jì)方確定，依據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算情況，確定圍護(hù)體、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的報(bào)警值。關(guān)鍵部位優(yōu)先、兼顧全面的原則1）對圍護(hù)體、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中相對敏感的區(qū)域加密測點(diǎn)數(shù)和監(jiān)測內(nèi)容，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測；2）對勘察工程中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)條件變化較大的位置及施工過程中有異常的部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測；3）除關(guān)鍵部位優(yōu)先布設(shè)測點(diǎn)外，在系統(tǒng)性基礎(chǔ)上均勻布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。與施工相結(jié)合原則1

9、）結(jié)合施工實(shí)際確定測試方法、監(jiān)測元件的種類、監(jiān)測點(diǎn)的保護(hù)措施；2）結(jié)合施工實(shí)際調(diào)整監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)位置，盡量減少監(jiān)測元件的埋設(shè)對地連墻和內(nèi)襯施工質(zhì)量的影響；3）結(jié)合施工實(shí)際確定測試頻率。經(jīng)濟(jì)合理原則1）監(jiān)測方法的選擇，在安全、可靠的前提下結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)盡可能采用直觀、簡單、有效的方法；2）監(jiān)測設(shè)備的選擇，在確?？煽康幕A(chǔ)上盡可能使用國產(chǎn)儀器設(shè)備；3）監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量，在確保全面、安全的前提下，合理利用監(jiān)測點(diǎn)之間聯(lián)系，減少測點(diǎn)數(shù)量，提高工作效率，降低成本。3.2 監(jiān)測內(nèi)容根據(jù)虎門二橋工程S2標(biāo)西錨碇地下連續(xù)墻地質(zhì)勘察報(bào)告、施工圖設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)計(jì)算書，為了保證施工的順利進(jìn)行，結(jié)合本工程特點(diǎn)、現(xiàn)場情

10、況及總體設(shè)計(jì)要求，確定項(xiàng)目監(jiān)測內(nèi)容如下：水文監(jiān)測虎門二橋工程S2標(biāo)西錨碇地下連續(xù)墻區(qū)域地表徑流發(fā)育，大沙水道、小河道等水系呈網(wǎng)狀分布，河流水位受潮汐、上游河流的影響，為地下水滲入補(bǔ)給提供了充足水源。西錨碇地下連續(xù)墻區(qū)域還存在灌溉河涌，水位隨潮水漲落變化，一般變化量2m左右，河涌對地下水水位及地下滲流場影響較大。西錨碇地下連續(xù)墻區(qū)域地處珠江三角洲平原區(qū)，地下水類型以第四系松散層弱承壓水及基巖裂隙水為主，淺部土層中，淤泥(淤泥質(zhì)土)、粉質(zhì)粘土為相對弱透水層及相對隔水層，砂層為透水層及主要含水層，地下水量豐富?？紤]以上影響因素，水文監(jiān)測主要包括以下內(nèi)容：1）基坑內(nèi)、外地下水位監(jiān)測；2）地下滲流場、坑

11、外孔隙水壓力監(jiān)測。地下連續(xù)墻監(jiān)測1）地下連續(xù)墻姿態(tài)監(jiān)測：通過監(jiān)測地連墻頂圈梁的徑向水平、垂直位移，實(shí)現(xiàn)對地下連續(xù)墻實(shí)時(shí)姿態(tài)的掌握；2）地下連續(xù)墻應(yīng)力監(jiān)測，包括混凝土應(yīng)力監(jiān)測、鋼筋應(yīng)力監(jiān)測；3）地連墻深層位移監(jiān)測；水土壓力監(jiān)測：坑外水土壓力監(jiān)測。內(nèi)襯應(yīng)力監(jiān)測內(nèi)襯應(yīng)力監(jiān)測：包括混凝土應(yīng)力監(jiān)測、鋼筋應(yīng)力監(jiān)測；周邊地形、構(gòu)筑物變形監(jiān)測：地下連續(xù)墻周邊地表沉降、位移監(jiān)測；珠江大堤、涌道大堤及其他地面構(gòu)筑物、管線變形監(jiān)測。表3.2-1 監(jiān)測項(xiàng)目匯總表序號監(jiān)測類別監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測方法1周邊環(huán)境基坑內(nèi)、外地下水位監(jiān)測水位計(jì)2地下滲流場、坑外孔隙水壓力孔隙水壓力計(jì)3坑外水土壓力監(jiān)測土壓力計(jì)4周邊地形、構(gòu)筑物變形監(jiān)測

12、高精度水準(zhǔn)儀5地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻姿態(tài)監(jiān)測高精度水準(zhǔn)儀、全站儀6地下連續(xù)墻混凝土應(yīng)力監(jiān)測混凝土應(yīng)力計(jì)7地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力監(jiān)測；鋼筋應(yīng)力計(jì)8內(nèi)襯混凝土應(yīng)力監(jiān)測混凝土應(yīng)力計(jì)9內(nèi)襯鋼筋應(yīng)力監(jiān)測鋼筋應(yīng)力計(jì)1地連墻深層位移監(jiān)測；測斜儀3.3 監(jiān)控測量標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D63-2007)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.5-2005)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60-2004)國家標(biāo)準(zhǔn)地下工程防水技術(shù)規(guī)范(GB50108-2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ 041-2000）國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2002)行

13、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)(JTG F80/1-2004)國家標(biāo)準(zhǔn)精密水準(zhǔn)測量規(guī)范(GB/T15314-940)國家標(biāo)準(zhǔn)國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范（GB/T 12897-2006）國家標(biāo)準(zhǔn)工程測量規(guī)范(GB 50026-2007)國家標(biāo)準(zhǔn)巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021-2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城市測量規(guī)范(CJJ8-99)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建筑物基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-99)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（GB50497-2009）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建筑物變形測量規(guī)范(JGJ/T8-97)巖土工程測試手冊(林宗元主編)虎門二橋工程施工圖設(shè)計(jì)(第三部分-大沙水道橋、第二冊-錨碇、第一分冊-西錨碇基礎(chǔ)）中交

14、公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 2014.2。4.施工監(jiān)測系統(tǒng)4.1 施工監(jiān)測方法本工程的施工監(jiān)控?cái)M采用自適應(yīng)法，監(jiān)測控制框圖見圖4.1-1。當(dāng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測到的受力、變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果不相符時(shí)，通過將誤差輸入到參數(shù)辨識算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)際測試到的結(jié)果一致，得到了修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)。這樣，經(jīng)過幾個(gè)工況的反復(fù)辨識后，計(jì)算模型就基本上與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進(jìn)行更好的控制，并對后續(xù)施工狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)估。圖4.1-1 自適應(yīng)施工監(jiān)控法基本原理針對本工程，我們將通過前期結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)溝通、

15、現(xiàn)場調(diào)查等確定施工階段控制目標(biāo)，在施工過程中對主要參數(shù)進(jìn)行識別和采集，并對各階段變形和應(yīng)力的實(shí)測值進(jìn)行誤差分析，在逐步完善動態(tài)計(jì)算模型的同時(shí)繼續(xù)預(yù)估下步參數(shù)變化值和趨勢，直至設(shè)計(jì)建成狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。圖4.1-2為本工程擬采用的施工控制框圖。圖4.1-2 施工監(jiān)控框圖4.2 高精度的監(jiān)測系統(tǒng)高精度監(jiān)測系統(tǒng)是指在基坑開挖施工過程中采用科學(xué)儀器設(shè)備和手段對支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境的位移和變形以及地下水位的動態(tài)變化、土層孔隙水壓力變化等進(jìn)行綜合觀測。通過在施工過程中進(jìn)行監(jiān)測，可以得到前一段開挖期間的各種信息，如支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形、周圍水土壓力變化等，從而為施工期間進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和合理組織施工提供可靠的信息，對后

16、續(xù)開挖方案及開挖步驟提出建議，對施工過程中可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情進(jìn)行及時(shí)預(yù)報(bào)。4.3 有限元反分析法利用有限元方法對基坑施工全過程進(jìn)行模擬從理論上是完善的，但是各項(xiàng)參數(shù)的取值非常困難導(dǎo)致計(jì)算精度降低。因此利用監(jiān)測數(shù)據(jù)來反演地層及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，并用所得到的參數(shù)輸入有限元模型進(jìn)行下一步開挖施工預(yù)測是非常必要的，這也就是有限元反分析法解決的主要問題。根據(jù)大型深基坑工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對地層及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)可以分成以下三類：直接根據(jù)已有資料確定，比如巖土容重、地連墻的彈性模量等；根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果直接確定，而不是通過反分析迭代來確定，比如土體的泊松比可根據(jù)實(shí)測土壓力來確定；x需要通過反分析迭代確定的參數(shù)，

17、這種參數(shù)包括土體模量及強(qiáng)度參數(shù)，還包括施工過程的模擬，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，土方的開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工、地下水位的變化都是連續(xù)的，而在有限元模型中，這些連續(xù)的過程只能通過有限個(gè)“時(shí)間點(diǎn)”來模擬，是不連續(xù)的。因此，如何調(diào)整生成支撐單元、殺死土體單元、降低水壓力之間的關(guān)系，使之盡可能和真實(shí)情況一致，也是反分析的一個(gè)重要內(nèi)容。反分析采用直接法，即把有限元分析與優(yōu)化方法聯(lián)合來確定擬求的參數(shù)，使由所求參數(shù)計(jì)算給出的內(nèi)力及變形值與實(shí)測值接近。由于實(shí)測之既有位移也有內(nèi)力，我們所采用的目標(biāo)函數(shù)定義為： min 式中: m 應(yīng)用于目標(biāo)函數(shù)的實(shí)測值數(shù)目 第i個(gè)實(shí)測值 相應(yīng)于上列實(shí)測值的計(jì)算值 第i個(gè)量在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)

18、值在上列目標(biāo)函數(shù)中，引入了所考慮各量的權(quán)值，以考慮不同量的不同重要性及相應(yīng)觀測量的可靠性差異。另外需指出，由于實(shí)測量很多，不可能用所有的數(shù)據(jù)來進(jìn)行反分析。比如，利用測斜儀測出的墻體水平位移，在一個(gè)孔中便有幾十個(gè)值，在反分析中主要利用包含最大變形的一段上的數(shù)據(jù)。具體選擇時(shí)，首先選中最大變形所在的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后向上和向下間隔選取34個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后將這78個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)和相應(yīng)的計(jì)算值代入目標(biāo)函數(shù)，求出目標(biāo)函數(shù)的值。在反分析中可使用的優(yōu)化方法有多種，包括傳統(tǒng)的方法及新近發(fā)展的智能方法（遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法）等。傳統(tǒng)方法一般迭代次數(shù)較少，但有些情況下會陷入局部最優(yōu)；而遺傳算法在理論上可以求出全局最優(yōu)，但計(jì)算

19、量很大。本項(xiàng)目本著實(shí)用而有可靠的原則，著重研究了復(fù)合形法。復(fù)合形法是對單純形法的發(fā)展，它可以在n維受非線性約束的設(shè)計(jì)空間選擇并改進(jìn)設(shè)計(jì)點(diǎn)。所謂復(fù)合形，就是在n維設(shè)計(jì)空間內(nèi)，由Kn+1（一般是2n）個(gè)可行點(diǎn)所構(gòu)成的多面體。而復(fù)合形法就是在受非線性約束的n維設(shè)計(jì)空間中，對復(fù)合形的各頂點(diǎn)函數(shù)值逐一比較，不斷丟掉最壞點(diǎn)，代之以既能使目標(biāo)函數(shù)有所改進(jìn)，又滿足約束條件的新點(diǎn)，逐步調(diào)向最優(yōu)點(diǎn)。其流程如圖4.3-1所示：圖4.3-1 復(fù)合形法流程圖按上述思路，我們擬采用復(fù)合形法反分析本工程基坑的土體模量。再利用反分析所求出的模量值計(jì)算得出下一個(gè)施工步驟的支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力等指標(biāo)，滿足信息化施工的要求。 4.

20、4 深基坑工程變形的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建模根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，實(shí)施錨碇基坑施工變形位移的智能預(yù)測與控制，是信息化施工的重要環(huán)節(jié)，是動態(tài)控制基坑施工安全的重要方法。施工中，將運(yùn)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的正演分析方法，將預(yù)測結(jié)果與變形警戒值比較，必要時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)、施工參數(shù)，以減小后續(xù)施工中將發(fā)生的變形，達(dá)到指導(dǎo)施工、有效控制變形的目的。隨著科學(xué)的發(fā)展，其他學(xué)科的知識、方法也不斷被引入到巖土工程，由此也推動了反分析的發(fā)展。尤其是由于人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來越多的智能化技術(shù)應(yīng)用到巖土工程反分析的領(lǐng)域，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、遺傳算法(GA)等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN，Artificial Neutral Ne

21、twork)在本質(zhì)上是一種具有可訓(xùn)練性能的非線性映射。它是一種高度簡化的人腦生物結(jié)構(gòu)模型，其層結(jié)構(gòu)包括許多相互連接的基本處理單元，用以模擬生物神經(jīng)元。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征來自于傳遞函數(shù)和連接權(quán)重，通過調(diào)整權(quán)重有可能用分布表達(dá)式識別復(fù)雜的映射。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論已經(jīng)證明，三層以上(含三層)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意非線性函數(shù)，所以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是描述和解決非線性關(guān)系的一個(gè)有效手段。即使數(shù)據(jù)不完整或者不明確，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能夠?qū)ふ易罱咏钠ヅ洹＜词故且恍┨幚韱卧l(fā)生故障或完全失效，網(wǎng)絡(luò)也能根據(jù)它的缺省誤差發(fā)揮作用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠從單獨(dú)的例子中提取廣義相關(guān)性。它的模型是通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練建立起來的。假如用許多輸入輸出對（也就

22、是說輸入向量和目標(biāo)向量）訓(xùn)練一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，它就能夠從未訓(xùn)練的輸入值中得到正確的輸出值。目前，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，絕大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是采用BP網(wǎng)絡(luò)和它的變化形式，它也是前向網(wǎng)絡(luò)的核心部分，并體現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最精華的部分。BP網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其神經(jīng)元的傳遞函數(shù)是S型函數(shù)，因此輸出量為0到1之間的連續(xù)量，它可以實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的任意的非線性映射。由于權(quán)值的調(diào)整采用反向傳播（Back Propagation）的學(xué)習(xí)算法，因此也常被稱為BP網(wǎng)絡(luò)。圖4.4-1給出一個(gè)基本的BP神經(jīng)元，它具有R個(gè)輸入，每個(gè)輸入都通過一個(gè)適當(dāng)?shù)貦?quán)值w與下一層相連，網(wǎng)絡(luò)輸出可表示成：圖4.4-1 BP

23、神經(jīng)元一個(gè)巖土工程問題中的土性參數(shù)等與其內(nèi)力、變形間的關(guān)系顯然也是一種非常復(fù)雜的非線性隱函數(shù)，所以完全有可能用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬此種復(fù)雜的非線性關(guān)系，從而準(zhǔn)確預(yù)測基坑變形。而且作為比較成熟的算法，Matlab中有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，這樣就可以借助Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的強(qiáng)大功能，從繁瑣的編程工作中解脫出來，大大提高工作效率。監(jiān)測系統(tǒng)在地連墻體中布置了測斜管，所有孔的測試情況都是類似的，一般每隔1m測讀一次數(shù)據(jù)，并采用自下而上的數(shù)據(jù)處理方法，孔口數(shù)據(jù)再通過經(jīng)緯儀測讀數(shù)據(jù)校正，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，減小剛體位移的影響?？紤]到計(jì)算工作量以及實(shí)際工作時(shí)間的要求，預(yù)測數(shù)據(jù)以每孔為單位，每相鄰兩個(gè)深度構(gòu)成

24、一個(gè)訓(xùn)練文件，并建立相應(yīng)的訓(xùn)練模型。本項(xiàng)研究工作的基本程序如下：每期測斜孔數(shù)據(jù)的初步分析及數(shù)據(jù)庫的建立；建立訓(xùn)練樣本、測試樣本、預(yù)測樣本數(shù)據(jù)文件；樣本訓(xùn)練、測試，并建立訓(xùn)練模型；模型預(yù)測分析；編制預(yù)測報(bào)告。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.4-2，輸入層有6個(gè)神經(jīng)元（每個(gè)深度取前天的監(jiān)測結(jié)果預(yù)測第四天的位移），輸出層有2個(gè)神經(jīng)元，對應(yīng)變形值，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)依據(jù)樣本學(xué)習(xí)情況實(shí)驗(yàn)確定。這樣每孔的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在30至35個(gè)左右。每次完成預(yù)測成果的時(shí)間需要24至48小時(shí)。圖4.4-2 多步預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4.5 基坑開挖施工正裝模擬分析4.5.1影響基坑開挖過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形因素的分析地連墻基坑由于其圍護(hù)方式的空間特殊性

25、，通常情況下都會發(fā)生大變形，所以對于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇需慎重考慮。在深基坑工程中，在外圍土體出現(xiàn)高水位和較厚砂土層時(shí)需考慮采用地連墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其開挖方式一般采用橫向分區(qū)，縱向分層的開挖方式?；邮┕で埃私飧鞣N土層及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征以及如何按照基坑特點(diǎn)選擇合理圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這是控制基坑變形和圍護(hù)有效的必要前提。深基坑工程在施工過程中具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，支護(hù)不及時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工缺陷等都會導(dǎo)致基坑產(chǎn)生過大變形，甚至出現(xiàn)基坑周圍土體坍塌，嚴(yán)重影響工程的施工及后期使用。本工程共包括兩部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)，即地下連續(xù)墻和內(nèi)襯。地下連續(xù)墻下部嵌固在中風(fēng)化巖層中，嵌入深度10m20m；內(nèi)襯分為兩部分，0m6m

26、深度范圍內(nèi)其厚度為1.5m，6m以下范圍內(nèi)其厚度為2m。由于該深基坑工程規(guī)模較大，數(shù)值分析時(shí)在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，需對三維模型和施工步驟做一些必要的簡化，使得數(shù)值模擬工作的可行性得到滿足。4.5.2 深基坑三維有限元模型地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑未開挖前需施工建成；開挖方式選擇單層平挖，且開挖完成后加設(shè)該層內(nèi)襯，依次順序類推，直至完成所有施工步。參考水文地勘資料選取巖土參數(shù)，結(jié)合該地下連續(xù)墻深基坑的特征建立三維有限元數(shù)值分析模型，對該基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為其后續(xù)施工、設(shè)計(jì)提供一些理論輔助作用。巖土工程的數(shù)值分析就是以簡單的物理模型區(qū)描述復(fù)雜的工程問題，再將其轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題并用數(shù)學(xué)方法求解。將

27、巖土材料視為多相體，采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型分析巖土工程問題一般包括下述方程：（1）運(yùn)動微分方程式（包括動力和靜力兩大類）；（2）總應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙壓力之間的關(guān)系方程（有效應(yīng)力原理）；（3）連續(xù)方程（總體積變化為各相體積變化之和）；（4）幾何方程（包括小應(yīng)變分析和大應(yīng)變分析兩大類）；（5）本構(gòu)方程，即為力學(xué)和滲流本構(gòu)方程。對不同巖土工程中的問題，基本方程中運(yùn)動微分方程、有效應(yīng)力原理、連續(xù)介質(zhì)關(guān)系和幾何解析關(guān)系的表達(dá)式是相同的，不同的是本構(gòu)關(guān)系、邊界和荷載條件。本文使用MIDAS/GTS 4.0 版本對基坑進(jìn)行三維數(shù)值模擬并分析該基坑各區(qū)段在各工況下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。4.5.2.1 基坑三維數(shù)值分

28、析模型 數(shù)值分析工作中，首先建立該基坑的三維有限元分析模型，在建立有限元模型時(shí)，第一步建立幾何模型，同時(shí)對幾何模型中各單元組定義基本屬性，然后劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，按照所要分析的工況設(shè)置施工階段，最后進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，具體建立和計(jì)算模擬的過程見圖 4.5-1。圖4.5-1 數(shù)值模擬抽象簡圖計(jì)算時(shí)，每步開挖計(jì)算迭代次數(shù)設(shè)置30次，如若30次內(nèi)計(jì)算收斂，則進(jìn)行下一步開挖計(jì)算；如若30次內(nèi)不能收斂，則跳出計(jì)算截面，重新對模型進(jìn)行修改，直至計(jì)算結(jié)果收斂為止。按照該過程對每步開挖進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，最終得到所有基坑開挖步的有效計(jì)算結(jié)果。 在建立三維數(shù)值分析模型時(shí)，考慮該基坑的開挖方式、支撐類型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征以及

29、相鄰結(jié)構(gòu)尺寸大小等各種因素，避免導(dǎo)致計(jì)算不收斂的網(wǎng)格質(zhì)量不高，節(jié)點(diǎn)不耦合等等原因，可將節(jié)點(diǎn)的控制準(zhǔn)則采取以下措施： (1) 剛度變化處建立節(jié)點(diǎn)，同時(shí)避免多余節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生； (2) 巖土邊界處建立節(jié)點(diǎn)，同時(shí)防止建立節(jié)點(diǎn)的懸空； (3) 荷載作用處建立節(jié)點(diǎn)； (4) 應(yīng)力變化較大處建立節(jié)點(diǎn)； (5) 結(jié)構(gòu)或巖土形狀變化處建立節(jié)點(diǎn)； (6) 需要輸出結(jié)果處建立節(jié)點(diǎn)； (7) 建立的所有節(jié)點(diǎn)必須與周圍相鄰節(jié)點(diǎn)達(dá)到耦合。 對于單元的網(wǎng)格劃分需注意一下幾點(diǎn)： (1) 次級單元粗略劃分網(wǎng)格，以控制單元總數(shù)的上限要求； (2) 開挖土體周圍網(wǎng)格劃分需加密，以保證計(jì)算精度的要求； (3) 多維結(jié)構(gòu)相交部位需要細(xì)分

30、網(wǎng)格； (4) 存在不規(guī)則邊界的部位需要細(xì)分網(wǎng)格； (5) 土層之間，土體與面單元需設(shè)置接觸單元以優(yōu)化網(wǎng)格。 根據(jù)以上的規(guī)定，對錨碇基坑工程進(jìn)行數(shù)值分析建模。結(jié)合工程施工實(shí)際情況，為方便分析，參考已有基坑數(shù)值分析研究成果，模型作如下假定：(1) 同一標(biāo)高水平下的土層相同，（除風(fēng)化巖層）無橫向差異，縱向分層定義各層土的各自屬性； (2) 地連墻結(jié)構(gòu)等效擴(kuò)展為縱向板結(jié)構(gòu)； (3) 忽略同一種單元群內(nèi)各單元屬性的差異，定義為相同屬性； (4) 不同標(biāo)高范圍內(nèi)襯砌均以異型梁板結(jié)構(gòu)八節(jié)點(diǎn)單元等效，將計(jì)算精度保證為最優(yōu)； (5) 開挖土層劃分在縱向分層的基礎(chǔ)上，橫向分區(qū)段一步開挖。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告以及基坑

31、設(shè)計(jì)圖紙，地連墻基坑的預(yù)案設(shè)計(jì)的土層共分為8層，自上而下的順序?yàn)椋河倌?、淤泥質(zhì)黏土、粉砂、中砂、粗砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖。除巖層外，各土層均以平面性質(zhì)分界面進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固端在風(fēng)化巖層中，故將強(qiáng)風(fēng)化泥巖與中風(fēng)化巖的界面模擬為實(shí)際界面模式。為了對該基坑工程的最大化仿真實(shí)現(xiàn)，數(shù)值模型中將淤泥層厚度設(shè)定為2m；淤泥質(zhì)粘土層厚度設(shè)置為5m；粉砂、粗砂和中砂層厚度均設(shè)定為6m；強(qiáng)風(fēng)化泥巖層厚度設(shè)定為1015m；中風(fēng)化巖層厚度設(shè)定為724m；微風(fēng)化巖層厚度1520m。根據(jù)施工地形，模型的邊界狀態(tài)較簡單，模型頂面為地面，取自由面。模型四個(gè)側(cè)面限制水平方向的位移，底部限制豎直方向

32、的位移。該模型的荷載條件主要是由于初始自重應(yīng)力場產(chǎn)生。另外，計(jì)算過程中考慮了基坑周圍的填土荷載，200t履帶吊荷載及塔吊荷載。豎直方向的荷載由上覆各土層及水的重度提供，水平方向的荷載由側(cè)面土體的側(cè)面主動土壓力提供，即土體自重引起的土壓力(hka)、粘聚力引起的負(fù)側(cè)壓力(2C*ka/2)及靜水壓力（h）之和。計(jì)算力學(xué)模型選用摩爾-庫倫彈塑性模型。此外，河涌大堤距離基坑50m左右，其對基坑的影響主要是抬高基坑附近地下水位，造成靜水壓力增大，在數(shù)值計(jì)算過程中已充分考慮了水壓力荷載對地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。為了滿足計(jì)算精度的要求，在計(jì)算區(qū)域上需要考慮足夠的計(jì)算范圍。由工程概況、圍護(hù)體系支護(hù)體系綜合判定，

33、最終確定建立計(jì)算模型為：長 240m，寬240m，深度為80m。考慮到施工成槽誤差使相鄰槽段的搭接發(fā)生誤差，計(jì)算時(shí)墻厚折減為1.3m。模型共劃分單元36000個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 110000個(gè)?；诱w網(wǎng)格模型和圍、支護(hù)網(wǎng)格模型見圖4.5-2 、圖4.5-3和圖4.5-4。圖4.5-2 基坑模型網(wǎng)格圖圖4.5-3 支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖圖4.5-4 異型土層局部網(wǎng)格圖有限元模型中，混凝土材料按照規(guī)范賦值，巖土層厚度及力學(xué)參數(shù)皆根據(jù)虎門二橋詳勘報(bào)告（西錨碇）賦值。計(jì)算模型中本構(gòu)方程所需的物理力學(xué)參數(shù)詳見表 4.5-1、表 4.5-2。表4.5-1 土體參數(shù)指標(biāo)土層彈性模量(kN/ m2)泊松比摩擦角(度)內(nèi)

34、聚力(kN/m2)天然重度(kN/ m3)淤泥300000.33515.4淤泥質(zhì)土500000.275816.5粉砂800000.2318019中砂1200000.2425019.5粗砂2000000.2228018.8強(qiáng)風(fēng)化泥巖5000000.19205019.99中風(fēng)化巖10000000.173045020.5微風(fēng)化巖14000000.153560020.7表4.5-2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)結(jié)構(gòu)彈性模量(kN/ m2)重度(kN/ m3)泊松比地連墻3.0E7250.2內(nèi)襯3.0E7250.24.5.2.3深基坑施工影響特征分析根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，虎門二橋西錨碇基坑工程的施工工況如圖4.5-5所

35、示?；娱_挖過程中，土體的卸載和內(nèi)襯的架設(shè)將直觀反應(yīng)為基坑的水平變形和豎向變形兩方面。為分析在既定圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下對基坑施工響應(yīng)，確定施工引起的基坑土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形特性，對以上建立的模型進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值分析。利用MIDAS/GTS 4.0 有限元分析軟件附帶施工階段計(jì)算方法計(jì)算，分別按照圖4.5-5所示施工過程進(jìn)行模擬施工，并獲得了該基坑模型中支撐結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的應(yīng)力應(yīng)變、內(nèi)力和位移變形結(jié)果。工況1工況2工況3工況4工況5工況6工況7工況8工況9圖 4.5-5 基坑縱向施工過程順序圖（圖中藍(lán)色部分為襯砌）經(jīng)數(shù)值分析后，可得各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)提取部分具有代表性的主要計(jì)

36、算結(jié)果見圖 4.5-6。 (a) 竣工后土體 X方向位移云圖(b) 竣工后土體 Y 方向位移云圖(c) 竣工后土體應(yīng)力云圖(d) 竣工后圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(e) 竣工后圍護(hù)結(jié)構(gòu) Y 方向位移云圖(f) 竣工后圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(g) 竣工后土體豎直方向位移云圖圖 4.5-6 基坑三維數(shù)值模擬計(jì)算成果圖圖 4.5-6 中a和b為基坑竣工后土體的位移狀況。由圖可知，土體在開挖完畢后，在基坑圍護(hù)作用下的X方向水平位移最大值為13.6mm，Y方向最大水平位移為11.9mm，發(fā)生在履帶吊和塔吊綜合作用部位，從c可以明顯看出，該加載圈產(chǎn)生了較為明顯的局部高應(yīng)力水平。該部位的形變量對土體以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

37、應(yīng)變狀況均造成不利影響，但由于本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度較高，則整個(gè)基坑的穩(wěn)定性良好。 f 為開挖結(jié)束后的地連墻應(yīng)力云圖.從圖中可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中間部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由d和e可以看出該部位對應(yīng)的水平位移也最大，X方向最大水平位移為6.18mm，Y方向最大水平位移為3.64mm。從整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形來看，其水平位移較小，而頂部水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，且逐漸收斂為max(2/3)，造成該現(xiàn)象的主要原因是由于該部位基坑的上部處于無撐裸空狀態(tài)，在土體開挖卸載后，上部側(cè)土壓力的作用效果較為顯著。另一方面，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性較強(qiáng)，整體剛度相對較大，頂部的位移由鄰近支撐得到部分控制，底

38、部位移由墻體的縱向嵌固而使其發(fā)展也較緩慢，只有墻身中部位置的相對自由能力強(qiáng)，所以最終會造成該部位的水平位移累計(jì)量較縱向其他位置明顯。從圖 4.5-6 中g(shù)基坑的豎直方向位移云圖可以看出，基底隆起的最大量集中于開挖區(qū)底部，且該處存在明顯不均勻隆起。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基坑底部隆起符合M曲線型規(guī)律，即隆起最大值發(fā)生在介于坑底周邊和坑底中心的環(huán)形區(qū)域。了解基坑變形的大致情況后，從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中提取基坑相關(guān)部位的位移值，量化地對基坑變形特征進(jìn)行研究。 (a) 虎-廣方向圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面單元應(yīng)力 (b) 廣-虎方向圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面單元應(yīng)力(c) 垂直虎-廣方向圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面單元應(yīng)力(d) 垂直廣-虎方向圍護(hù)

39、結(jié)構(gòu)截面單元應(yīng)力圖 4.5-7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面處的內(nèi)力云圖4.5.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析4.5.3.1 計(jì)算工況分析說明該數(shù)值模擬基坑開挖共設(shè)置9個(gè)工況，每個(gè)工況基坑開挖深度為3m。下層土開挖前需采用內(nèi)襯對上層已開挖土體進(jìn)行支護(hù)。圖4.5-8為工況1下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-8 工況1下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖 從圖4.5-8可以看出，基坑周圍土體在工況1狀態(tài)下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，雖然受局部擾動作用明

40、顯，但其應(yīng)力應(yīng)變水平仍然較小。從上圖可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為3.24mm，Y方向最大水平位移為1.55mm，地連墻最大壓應(yīng)力為1.1MPa，發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊頂部位置。圖4.5-9為工況2下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-9 工況2下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況2狀態(tài)下，基坑開挖至C、水平較低的砂土層。從上圖4.5-9可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為4.67mm，Y方向最大水平

41、位移為2.79mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為1.2MPa，該部位距墻頂約3-6m。圖4.5-10為工況3下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-10 工況3下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況3狀態(tài)下，基坑開挖至C、水平較低的砂土層頂層部。從上圖4.5-10可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為5.52mm，Y方向最大水平位移為3.46mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為1.5MPa，該部位距墻頂約6-10m。圖4.5-11

42、為工況4下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-11 工況4下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況4狀態(tài)下，基坑開挖至C、水平較低的砂土層中上部。從上圖4.5-11可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為5.74mm，Y方向最大水平位移為3.62mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為1.54MPa，該部位距墻頂約8-12m。圖4.5-12為工況5下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c)

43、 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-12 工況5下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況5狀態(tài)下，基坑開挖至C、水平較低的砂土層中部。從上圖4.5-12可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為5.86mm，Y方向最大水平位移為3.68mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為1.57MPa，該部位距墻頂約9-12m。圖4.5-13為工況6下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y

44、方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-13 工況6下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況6狀態(tài)下，基坑開挖至C、水平較低的砂土層中部。從上圖4.5-13可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為5.96mm，Y方向最大水平位移為3.69mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為1.61MPa，該部位距墻頂約10-14m。圖4.5-14為工況7下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-14 工況7下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況7狀態(tài)

45、下，基坑開挖中砂層。從上圖4.5-14可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為6.03mm，Y方向最大水平位移為3.96mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為1.63MPa。圖4.5-15為工況8下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-15 工況8下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況8狀態(tài)下，基坑開挖粗砂層。從上圖4.5-15可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為6.11mm，Y方向最大水平位移為3.67mm，地連墻對應(yīng)

46、最大壓應(yīng)力為1.8MPa。圖4.5-16為工況9下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖。(a) 土體X方向位移云圖(b) 土體Y方向位移云圖(c) 土體X方向應(yīng)力云圖(d) 土體Y方向應(yīng)力云圖(e) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖(f) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖(g) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖4.5-16 工況9下基坑各部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖工況9狀態(tài)下，基坑開挖至砂層底部。從上圖4.5-16可知，該工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向最大水平位移為6.18mm，Y方向最大水平位移為3.64mm，地連墻對應(yīng)最大壓應(yīng)力為2.12MPa。另外，從以上9組圖中可知，履帶吊和塔吊荷載等外荷載分布于基坑周邊15m范圍之內(nèi)，但基坑開挖外荷載引起基坑塑性變

47、形的范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)基坑開挖至工況5（即15m）時(shí)，外荷載塑性圈基本趨于穩(wěn)定。4.5.3.2 計(jì)算結(jié)果(1) 圍護(hù)體系的應(yīng)力和變形基坑在開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受土應(yīng)力影響，產(chǎn)生變形。下圖給出基坑在開挖完成后圍護(hù)體系的應(yīng)力應(yīng)變云圖。(a) 開挖完成后地連墻水平位移(b) 開挖完成后地連墻正應(yīng)力(c) 開挖完成后內(nèi)襯水平位移(d) 開挖完成后內(nèi)襯正應(yīng)力圖4.5-17 開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變圖經(jīng)數(shù)值分析，在基坑開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不同程度的變形，下表示出基坑在各工況狀態(tài)下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀況。表4.5-3 基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀況工況123456789地下連續(xù)墻X方向max(mm

48、)3.24.65.55.75.865.966.036.116.18Y方向max(mm)1.552.73.43.63.683.693.963.673.64最小主應(yīng)力(MPa)-1.1-1.2-1.5-1.54-1.57-1.61-1.63-1.8-2.12最大主應(yīng)力(MPa)0.040.10.30.320.360.390.40.440.52內(nèi)襯X方向max(mm)3.24.525.455.65.845.966.016.086.14Y方向max(mm)1.522.663.33.53.63.63.93.63.61最小主應(yīng)力(MPa)-0.7-0.75-0.82-0.94-1.1-1.2-1.3-1.

49、38-1.5最大主應(yīng)力(MPa)0.010.10.250.270.290.340.380.380.44注：負(fù)號表示壓應(yīng)力；正號表示拉應(yīng)力。從上表可知，隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和其對應(yīng)的水平位移逐漸增大，當(dāng)基坑開挖完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大累計(jì)位移為6.18mm(小于規(guī)范要求預(yù)警值)。(2) 基坑周邊沉降該基坑周邊不存在建筑群落，故其周邊沉降主要由于基坑開挖、坑邊機(jī)械和堆土荷載造成。圖4.5-18 基坑周邊沉降過程曲線由上圖可見，開挖初期，基坑周圍沉降量可以忽略。隨著基坑深度的增加，其周圍沉降量也隨之增加。當(dāng)基坑施工至工況9時(shí)，基坑周邊最大沉降累積量可達(dá)68.96mm。另外，地表沉降累

50、積量與基坑之間距離存在量化關(guān)系，在基坑開挖過程中，地表累計(jì)沉降量最大值基本處于距基坑周邊10m40m范圍內(nèi)，地表沉降累積最大值會隨基坑開挖深度的增加而向基坑外側(cè)方向移動。(3) 基坑底部隆起基坑底部隆起是由于基坑開挖過程中，上部土體開挖卸載致使其下未開挖土體應(yīng)力釋放，造成開挖面豎直向上發(fā)生不均勻變形的現(xiàn)象。隨著基坑開挖深度增加，基坑周圍土體使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動，伴隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的側(cè)向土壓力逐漸增大，基坑底部的隆起現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。 基坑底部隆起在基坑施工過程中會導(dǎo)致許多不良施工災(zāi)害。雖然本工程基坑幾何形狀較為規(guī)則，但由于其下部土體厚度和其嵌入端深度的差異，致使其應(yīng)力應(yīng)變較為復(fù)雜

51、，且基底應(yīng)力重分布嚴(yán)重，所以對該深基坑的基底隆起變形研究更為重要。根據(jù)相關(guān)理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷，坑底隆起在基坑底部的不同位置會出現(xiàn)不同的量，通常為基坑中軸線附近的隆起量較小，遠(yuǎn)離中軸線的各位置隆起量逐漸增大。且隨著基坑工程的完成，隆起量逐漸收斂。圖4.5-19為各工況下數(shù)值計(jì)算所得基坑底隆起位移曲線圖。圖4.5-19 基坑隆起曲線圖上圖中表明，在基坑開挖初期，隆起量較小，該階段坑底土體處于應(yīng)變初期，發(fā)生彈性變形，土體卸載造成的坑底隆起曲線呈“V”形。位于基坑中軸線附近的隆起量較小，幾乎未發(fā)生變化，而距離基坑中軸線最遠(yuǎn)的基坑邊緣處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的隆起，隆起量最大值可達(dá)2.4mm，隨著基坑開挖深度的增

52、加，基坑底部的變形逐漸變成塑性變形，塑性變形區(qū)在基坑底部逐漸形成，隆起總量進(jìn)一步累計(jì)，同時(shí)最大變形位置逐漸向基坑中軸線方向移動，伴隨著基坑上述變形特征的形成，坑底隆起曲線由起初的“V”字形向“M”形轉(zhuǎn)變。隨著基坑開挖深度繼續(xù)增加，基坑底部的隆起量逐漸收斂，趨于穩(wěn)定。當(dāng)基坑開挖完成后，坑底隆起量最大值為1.1mm，最小值為-1.4mm。在該基坑開挖過程中，同一點(diǎn)的隆起量變化總值達(dá)3.1 mm，該變化值控制在設(shè)計(jì)規(guī)定的隆起量最大值范圍內(nèi)。4.5.4 非對稱開挖方案分析非對稱開挖方案為將島式開挖方案分為若干部分并分別對預(yù)設(shè)區(qū)段進(jìn)行依次開挖。經(jīng)研究，對該方案的數(shù)值分析采用先開挖每層1-7部位，再開挖8

53、-14部位，最后將中心60m圓形區(qū)域開挖，當(dāng)一層開挖完畢后按照相同順序?qū)ο聦油馏w進(jìn)行開挖。該方案的單層開挖順序詳解見下圖所示，各區(qū)段施工按照數(shù)字由大到小依次進(jìn)行開挖，且圖中陰影部分為已開挖部位。圖4.5-20 非對稱單層土體開挖示意圖按照上圖開挖方案對每工況的開挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，基坑開挖完畢后其數(shù)值計(jì)算結(jié)果見下圖所示。(a) 地連墻X方向位移云圖(b) 地連墻Y方向位移云圖(c) 地連墻X方向應(yīng)力云圖(d) 地連墻Y方向應(yīng)力云圖圖4.5-21 非對稱開挖地連墻應(yīng)力應(yīng)變狀況(工況9）由圖4.5-21可知，非對稱開挖方案條件下，最不利工況(工況9)下地連墻X方向最大水平位移為5.88mm，Y方向

54、最大水平位移為3.3mm，地連墻最大壓應(yīng)力為1.9MPa。相對于對稱開挖方案，其地連墻X方向最大位移降低0.3mm；地連墻Y方向最大位移降低0.36mm；最大壓應(yīng)力降低0.22MPa。(a) 內(nèi)襯X方向位移云圖(b) 內(nèi)襯Y方向位移云圖(c) 內(nèi)襯X方向應(yīng)力云圖(d) 內(nèi)襯Y方向應(yīng)力云圖圖4.5-22 非對稱開挖內(nèi)襯應(yīng)力-應(yīng)變狀況（工況9）由圖4.5-22可知，非對稱開挖方案條件下，最不利工況(工況9)下內(nèi)襯X方向最大水平位移為5.91mm，Y方向最大水平位移為3.33mm，襯砌最大壓應(yīng)力為1.9MPa。相對于對稱開挖方案，其內(nèi)襯X方向最大位移降低0.23mm；內(nèi)襯Y方向最大位移降低0.28m

55、m；最大壓應(yīng)力降低0.07MPa。采用非對稱開挖使地連墻和內(nèi)襯水平位移及最大主應(yīng)力有較小幅度的降低，應(yīng)力水平滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，不會引起支護(hù)體系的破壞，但是，在實(shí)際施工過程中建議采用對稱開挖方案。4.5.5 超挖方案分析為考慮施工過程中架設(shè)襯砌所需要的足夠空間，故需對基坑超挖進(jìn)行數(shù)值分析，以預(yù)防該基坑在超挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形。結(jié)合施工條件，在與設(shè)計(jì)方和施工方討論之后，對該工程進(jìn)行超挖預(yù)測，超挖規(guī)則按照每工況在島式開挖基礎(chǔ)上開挖深度下沿3m，且超挖3m為無內(nèi)砌支護(hù)臨空裸露狀態(tài)。下圖為工況8至工況9的開挖順序，當(dāng)開挖至工況8時(shí)，對稱開挖方案下該基坑應(yīng)挖至24m處，在超挖方案下，該工況基坑

56、開挖深度為27m，且0m-24m采用內(nèi)襯支護(hù)，25m-27m部位未設(shè)置內(nèi)襯，即此3m為無內(nèi)襯支護(hù)的“臨空無撐”部位，詳細(xì)示意圖如下所示。(a) 工況8(b) 工況9圖 4.5-23 基坑縱向施工過程工況8-工況9施工順序圖（圖中藍(lán)色部分為內(nèi)襯）按照上圖開挖方案對每工況的開挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，基坑開挖完畢后其數(shù)值計(jì)算結(jié)果見下圖所示。(a) 地連墻X方向位移云圖(b) 地連墻Y方向位移云圖(c) 地連墻X方向應(yīng)力云圖(d) 地連墻Y方向應(yīng)力云圖圖4.5-24 超挖方案地連墻應(yīng)力-應(yīng)變狀況由圖4.5-24可知，超挖方案條件下，最不利工況(工況9)下地連墻X方向最大水平位移為6.72mm，Y方向最大水

57、平位移為4.29mm，地連墻最大壓應(yīng)力為2.33MPa。(a) 內(nèi)襯X方向位移云圖(b) 內(nèi)襯Y方向位移云圖(c) 內(nèi)襯X方向應(yīng)力云圖(d) 內(nèi)襯Y方向應(yīng)力云圖圖4.5-25 超挖方案內(nèi)襯應(yīng)力應(yīng)變狀況由圖4.5-25可知，超挖方案條件下，最不利工況(工況9)下內(nèi)襯X方向最大水平位移為6.75mm，Y方向最大水平位移為4.29mm，襯砌最大壓應(yīng)力為1.99MPa。采用超挖方式使地連墻和內(nèi)襯水平位移及最大主應(yīng)力有較小幅度增加，應(yīng)力水平滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，不會引起支護(hù)體系的破壞，說明在實(shí)際的施工過程中采用超挖方式是可行的。4.5.6 支護(hù)體系敏感性分析為考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工變形效應(yīng)，該方案將支護(hù)體系

58、平面形式由半徑為r的圓形轉(zhuǎn)換為橢圓形，橢圓長軸為r(1+5%)，短軸為r(1-5%)，即長軸長84m，短軸長76m。在島式開挖方案數(shù)值計(jì)算結(jié)果中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向顯著向基坑外側(cè)發(fā)生水平位移，Y方向相對向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生水平位移，故對于該基坑支護(hù)體系敏感性分析時(shí)將圍護(hù)結(jié)構(gòu)延X方向增加至84m，延Y方向縮減至76m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖如下所示。圖4.5-26 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意圖該支護(hù)方案下，基坑開挖完畢后其數(shù)值計(jì)算結(jié)果見下圖所示。(a) 地連墻X方向位移云圖(b) 地連墻Y方向位移云圖(c) 地連墻X方向應(yīng)力云圖(d) 地連墻Y方向應(yīng)力云圖圖4.5-27 變形圍護(hù)方案地連墻應(yīng)力應(yīng)變狀況由圖4.5-27可

59、知，變形圍護(hù)方案條件下，最不利工況(工況9)下地連墻X方向最大水平位移為5.52mm，Y方向最大水平位移為7.06mm，地連墻最大壓應(yīng)力為2.84MPa。(a) 內(nèi)襯X方向位移云圖(b) 內(nèi)襯Y方向位移云圖(c) 內(nèi)襯X方向應(yīng)力云圖(d) 內(nèi)襯Y方向應(yīng)力云圖圖4.5-28 變形圍護(hù)方案內(nèi)襯應(yīng)力應(yīng)變狀況 由圖4.5-28可知，變形圍護(hù)方案條件下，最不利工況(工況9)下襯砌X方向最大水平位移為5.56mm，Y方向最大水平位移為7.09mm，內(nèi)襯最大壓應(yīng)力為2.97MPa。支護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸變形后地連墻和內(nèi)襯水平位移及最大主應(yīng)力有較小幅度增加或減小，但是，應(yīng)力水平滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，不會引起支護(hù)體系

60、的破壞，說明在實(shí)際的施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸發(fā)生微小變形是可行的。4.5.7 基坑監(jiān)測預(yù)警值建議表4.5-4 為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的基坑監(jiān)測項(xiàng)目警戒值，該值根據(jù)大多數(shù)基坑工程的施工經(jīng)驗(yàn)，加之大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)綜合考慮而來，但由于巖土工程區(qū)域性特點(diǎn)，不同地區(qū)土層條件千差萬別，其警戒值存在較大差異。據(jù)此，本文針對該基坑在其特殊圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下的應(yīng)力應(yīng)變狀況提出警戒建議值，以供參考。表4.5-4 監(jiān)測項(xiàng)目警戒值一覽表監(jiān)測區(qū)域項(xiàng) 目報(bào) 警 指 標(biāo)日變化量累計(jì)變化量周邊環(huán)境周邊地表沉降監(jiān)測2mm50mm堤壩變形監(jiān)測2mm20mm周邊管線監(jiān)測2mm10 mm周邊建筑物監(jiān)測2mm10mm 地下水位監(jiān)測300 mm500