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1、深大基坑群“疊加擾動”深大基坑群“疊加擾動”施工仿真技術(shù)施工仿真技術(shù) 上海建工集團(tuán)工程研究總院上海建工集團(tuán)工程研究總院 地下工程研究所地下工程研究所 程子聰程子聰 2017年年4月月 目目 錄錄 緒論“疊加疊加擾動”擾動”預(yù)估變形應(yīng)用預(yù)估變形應(yīng)用“疊加擾動”優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用 深大基坑模擬的一些思考 一、緒論一、緒論 2121世紀(jì)是人類合理開發(fā)利用城市地下空間的世紀(jì)世紀(jì)是人類合理開發(fā)利用城市地下空間的世紀(jì) 1.城市中心區(qū)用地短缺城市中心區(qū)用地短缺 2.地價昂貴地價昂貴 3.交通和環(huán)境狀況日益惡化交通和環(huán)境狀況日益惡化 城市進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸城市進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸 地下空間地下空間 開發(fā)與利用開發(fā)與利用 2、1.解決交通擁堵解決交通擁堵 2.改善城市環(huán)境改善城市環(huán)境 3.保護(hù)城市景觀保護(hù)城市景觀 4.減少土地資源的浪費(fèi)減少土地資源的浪費(fèi) 地下空間開發(fā)利用顯著功效地下空間開發(fā)利用顯著功效 上海市總體規(guī)劃上海市總體規(guī)劃：在世博園：在世博園、五角場五角場、徐家匯徐家匯、靜安寺等一批重點(diǎn)地區(qū)地下空靜安寺等一批重點(diǎn)地區(qū)地下空間的適度超前開發(fā)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上間的適度超前開發(fā)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，鼓勵與支持與超大規(guī)模鼓勵與支持與超大規(guī)模、超深層次地下空間開發(fā)利用超深層次地下空間開發(fā)利用相匹配的系列重大關(guān)鍵技術(shù)相匹配的系列重大關(guān)鍵技術(shù)。基坑發(fā)展方向基坑發(fā)展方向（1）基坑深度、面積越來越大，施工難度逐漸提高）基坑深度、面積越來3、越大，施工難度逐漸提高 （2）周邊環(huán)境趨于復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求更加嚴(yán)苛）周邊環(huán)境趨于復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求更加嚴(yán)苛 軌道交通軌道交通4號線事故導(dǎo)致近旁防汛墻局部坍塌號線事故導(dǎo)致近旁防汛墻局部坍塌 基坑施工導(dǎo)致煤氣管道破裂基坑施工導(dǎo)致煤氣管道破裂 深大基坑群施工難點(diǎn)深大基坑群施工難點(diǎn)（1）自身施工方面（坑外降水，圍護(hù)止水）自身施工方面（坑外降水，圍護(hù)止水）（2）環(huán)境保護(hù)難點(diǎn)（中心城區(qū)，時空，疊加，）環(huán)境保護(hù)難點(diǎn)（中心城區(qū)，時空，疊加，）（3）施工組織設(shè)計（可實(shí)現(xiàn)性，環(huán)境友好）施工組織設(shè)計（可實(shí)現(xiàn)性，環(huán)境友好）超深基坑群“疊加效應(yīng)”評估方法超深基坑群“疊加效應(yīng)”評估方法3DFEM 有限元計算優(yōu)勢有限元計4、算優(yōu)勢 （1）預(yù)先性）預(yù)先性先于施工，預(yù)先于施工，預(yù)估施工變形估施工變形 （2）低成本低成本不耗費(fèi)材料不耗費(fèi)材料 （3）可反復(fù)性）可反復(fù)性反復(fù)驗算不反復(fù)驗算不同工況，評估最佳施工方案同工況，評估最佳施工方案 超深基坑群“疊加效應(yīng)”評估方法超深基坑群“疊加效應(yīng)”評估方法3DFEM 有限元計算存在的問題有限元計算存在的問題 （1）真實(shí)性欠缺）真實(shí)性欠缺工況模擬（無支撐時間，降水模擬）工況模擬（無支撐時間，降水模擬）（2）準(zhǔn)確性欠缺準(zhǔn)確性欠缺網(wǎng)格劃分，單元性質(zhì)（土體單元，加固體單元）網(wǎng)格劃分，單元性質(zhì)（土體單元，加固體單元）二、二、“疊加疊加擾動”擾動”預(yù)估變形應(yīng)用預(yù)估變形應(yīng)用 B樓樓 264m A5、樓樓 264m 群樓群樓 24m 項目用地面積40577.40，總建筑面積445844.4，由2幢264m的辦公樓和一座3層的主題商業(yè)中心組織，地下室6層，地下總面積為192778。本工程為一類高層建筑，耐火等級一級，抗震設(shè)防烈度為7度，建筑物合理使用年限50年，屋面防水等級級，地下工程防水等級一級，地下室設(shè)有民防工程。工程示范工程示范:虹口區(qū)虹口區(qū)55號地塊號地塊 工程概況工程概況 海門路海門路55號工程號工程 東長治路東長治路 公平路公平路 海門路海門路 東大名路東大名路 工程地理位置工程地理位置 已通車已通車12號線號線 地塊南側(cè)高樓林立 地塊北側(cè)緊鄰地鐵12號線 地塊南側(cè)有白金灣廣場，6、臨江大廈；東方海港地塊南側(cè)有白金灣廣場，臨江大廈；東方海港國際大廈，長江大樓等高樓林立；北側(cè)地鐵國際大廈，長江大樓等高樓林立；北側(cè)地鐵1212號線號線由西向東橫穿而過；場地條件復(fù)雜。由西向東橫穿而過；場地條件復(fù)雜。場地及周邊概況場地及周邊概況 坑底坑底27.3m 55m地墻底地墻底 41m槽壁加固底槽壁加固底 根據(jù)地鐵代建區(qū)的地勘資料，場地下根據(jù)地鐵代建區(qū)的地勘資料，場地下3t層為微層為微承壓水層，層為承壓水層。承壓水層，層為承壓水層。工程地質(zhì)概況工程地質(zhì)概況 1、超大、超深基坑的基坑安全及環(huán)境保護(hù)，特別是地鐵保護(hù) 本工程基坑長約220米，寬約140米，基坑面積達(dá)30440。大部分地下6層，主7、樓區(qū)域挖土深度29.05米，裙房區(qū)域挖土深度27.3米；臨近地鐵12號線車站側(cè)地下5層，挖土深度24.4米。超大、超深基坑的開挖在時間、空間上形成對基坑自身風(fēng)險的增加，對周邊環(huán)境產(chǎn)生疊加影響。工程難點(diǎn)工程難點(diǎn) 2、基坑?xùn)|、南、西三側(cè)緊鄰市政道路，道路下各類重要管線密集 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離最近管線距離僅45米。北側(cè)與已由12號線項目公司代建的地下三層結(jié)構(gòu)外墻（地下連續(xù)墻）共墻，并距離提籃橋站約1925m。以上管線和地鐵車站均處于2倍基坑開挖深度的影響范圍內(nèi)。本工程基坑面積達(dá)30440，開挖深度24.4m-29.05m，屬于深大基坑。深大基坑的開挖在時間、空間上形成對基坑自身風(fēng)險的增加。需要通過數(shù)值8、仿真，研究基坑分區(qū)卸載“疊加效應(yīng)”，達(dá)到對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全狀態(tài)控制，分析不同開挖方式、不同開挖階段下，結(jié)構(gòu)的受力與變形，對開挖方式與開挖階段進(jìn)行優(yōu)化 有限元建模目的有限元建模目的 有限元建模過程有限元建模過程 土體本構(gòu)：土體本構(gòu)：修正摩爾修正摩爾-庫倫模型；庫倫模型；圍護(hù)結(jié)構(gòu)：圍護(hù)結(jié)構(gòu)：采用線彈性模型；采用線彈性模型；單元類型及邊界條件：單元類型及邊界條件：土體采用實(shí)體單元；土體采用實(shí)體單元；圍護(hù)墻和隧道采用板單元、支撐采用梁單元；圍護(hù)墻和隧道采用板單元、支撐采用梁單元；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界；模型尺寸：模型尺寸：基坑外四個方向計算寬度為均為基坑外四個方向計9、算寬度為均為100m左右，模型長度總計左右，模型長度總計350m，寬度總計，寬度總計250m，計算深度取地表下，計算深度取地表下90m。計算工況：計算工況：工況工況 內(nèi)容內(nèi)容 施工步施工步1 計算初始地應(yīng)力場計算初始地應(yīng)力場 施工步施工步2 開挖開挖55地塊地塊1,2分區(qū)分區(qū) 施工步施工步3 開挖開挖55地塊地塊3,4,6分區(qū)分區(qū) 施工步施工步4 開挖開挖55地塊地塊5分區(qū)分區(qū) 土體加固通過改變土體性質(zhì)模擬土體加固通過改變土體性質(zhì)模擬 坑外降水通過改變地下水位（直線型）坑外降水通過改變地下水位（直線型）“疊加效應(yīng)”模擬結(jié)果分析“疊加效應(yīng)”模擬結(jié)果分析 基坑變形基坑變形 豎向位移疊加效果豎向位移10、疊加效果 1.2分區(qū)開挖后 所有分坑開挖后 開挖開挖1,2分區(qū)后最大坑內(nèi)分區(qū)后最大坑內(nèi)隆起為隆起為6.1cm，坑外沉降最，坑外沉降最大值為大值為2cm。全部開挖后。全部開挖后坑內(nèi)最大隆起量為坑內(nèi)最大隆起量為7cm，坑外最大沉降量為坑外最大沉降量為2.2cm “疊加效應(yīng)”模擬結(jié)果分析“疊加效應(yīng)”模擬結(jié)果分析 基坑變形基坑變形 橫向位移疊加效果（基坑寬度方向）橫向位移疊加效果（基坑寬度方向）所有分坑開挖后 開挖開挖1,2分區(qū)后沿基坑寬分區(qū)后沿基坑寬度最大水平位移為度最大水平位移為1.2cm，全部開挖后最大水平位移全部開挖后最大水平位移為為2.1cm 1.2分區(qū)開挖后 “疊加效應(yīng)”模擬結(jié)果分析“疊加11、效應(yīng)”模擬結(jié)果分析 基坑變形基坑變形 地鐵車站結(jié)構(gòu)疊加效應(yīng)分析（基坑西側(cè)）地鐵車站結(jié)構(gòu)疊加效應(yīng)分析（基坑西側(cè)）所有分坑開挖后 1.2區(qū)開挖后變形區(qū)開挖后變形3mm，全部開挖后靠基坑一側(cè)全部開挖后靠基坑一側(cè)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)也只水平位移也只水平位移4.6mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家和上海市對遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家和上海市對鄰近構(gòu)件物變形要求。鄰近構(gòu)件物變形要求。1.2分區(qū)開挖后 三、三、“疊加擾動”優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用“疊加擾動”優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用 世博會世博會B B片區(qū)片區(qū)（企業(yè)總部集聚區(qū)企業(yè)總部集聚區(qū)）位于世博園區(qū)一位于世博園區(qū)一軸四館西側(cè)軸四館西側(cè)，規(guī)劃范圍東臨世博館路規(guī)劃范圍東臨世博館路，西至長清北路西至長清北路，南臨國展路南臨國12、展路，北至世博大道北至世博大道，規(guī)劃用地面積約規(guī)劃用地面積約1818.7272公公頃頃。工程示范工程示范:世博會世博會B片區(qū)片區(qū) 難點(diǎn)一：難點(diǎn)一：周邊有多條軌道交通線路和多座軌道交通車站周邊有多條軌道交通線路和多座軌道交通車站，特別緊鄰已運(yùn)營的特別緊鄰已運(yùn)營的1313號線號線，而且世博園區(qū)內(nèi)埋設(shè)有大而且世博園區(qū)內(nèi)埋設(shè)有大量的地下管線量的地下管線/管溝管溝，使得深基坑施工的風(fēng)險極高使得深基坑施工的風(fēng)險極高，環(huán)境保護(hù)的要求極為苛刻環(huán)境保護(hù)的要求極為苛刻。難點(diǎn)二：難點(diǎn)二：超大規(guī)模深基坑施工超大規(guī)模深基坑施工，“時空效應(yīng)時空效應(yīng)”顯著顯著，如控如控制不力制不力，將對基坑穩(wěn)定將對基坑穩(wěn)定、周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)13、重影響周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。開展基于開展基于“疊加擾動疊加擾動”的超大規(guī)模基坑安全評估的超大規(guī)模基坑安全評估研究具有十分重要的意義研究具有十分重要的意義 開展世博園區(qū)基坑開挖開展世博園區(qū)基坑開挖“疊加效應(yīng)疊加效應(yīng)”評估評估 環(huán)境影響評價主要研究了環(huán)境影響評價主要研究了B03-A、B03-B、B03-C、B03-D基坑開挖不同工況對周邊環(huán)境影響；基坑開挖不同工況對周邊環(huán)境影響；考慮到模型過于龐大考慮到模型過于龐大，不進(jìn)行基坑間規(guī)劃一路不進(jìn)行基坑間規(guī)劃一路、規(guī)劃二路以及規(guī)劃二路以及B02兩個基坑的施工模擬兩個基坑的施工模擬。土體本構(gòu)：土體本構(gòu)：修正摩爾修正摩爾-庫倫模型庫倫模型 圍護(hù)結(jié)構(gòu)：圍護(hù)結(jié)構(gòu)14、：采用線彈性模型；采用線彈性模型；單元類型及邊界條件：單元類型及邊界條件：土體采用實(shí)體單元；土體采用實(shí)體單元；圍護(hù)墻和隧道采用板單元、支撐采用梁單元；圍護(hù)墻和隧道采用板單元、支撐采用梁單元；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界；施工步按照擬定工況進(jìn)行計算。施工步按照擬定工況進(jìn)行計算。建立了實(shí)際施工工況和建立了實(shí)際施工工況和5種虛擬工況對比研究了疊加效應(yīng)和不同施工部署對種虛擬工況對比研究了疊加效應(yīng)和不同施工部署對環(huán)境的影響。環(huán)境的影響。建立了實(shí)際施工工況和建立了實(shí)際施工工況和5種虛擬工況對比研究了疊加效應(yīng)和不同施工部署對種虛擬工況對比研究了疊加效應(yīng)和不同施工部署對環(huán)境的影響。環(huán)境的15、影響。實(shí)際施工工況下基坑開挖對基坑及周邊環(huán)境的影響實(shí)際施工工況下基坑開挖對基坑及周邊環(huán)境的影響 基坑內(nèi)部和周邊隆沉云圖基坑內(nèi)部和周邊隆沉云圖 基坑土體變形依次基坑土體變形依次B03-DB03-BB03-CB03-A；根據(jù)施工部署分析可知群坑開挖過程中；根據(jù)施工部署分析可知群坑開挖過程中由于由于B03-A1、B03-B、B03-C1依次開挖對依次開挖對B03-D的多次開挖疊加擾動，使得的多次開挖疊加擾動，使得B03-D的隆起量最大。的隆起量最大。基坑周邊沉降較為均勻，最大沉降量為基坑周邊沉降較為均勻，最大沉降量為1.6cm。實(shí)際施工工況下基坑開挖對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)際施工工況下基坑開挖對基坑圍16、護(hù)結(jié)構(gòu)的影響 基坑圍護(hù)水平位移基坑圍護(hù)水平位移（隧道方向隧道方向）沿隧道方向，基坑圍護(hù)隧道方向最大水平位移在沿隧道方向，基坑圍護(hù)隧道方向最大水平位移在B03-D，最大水平位移為，最大水平位移為4.12cm。垂直隧道方向，基坑圍護(hù)垂直隧道方向最大水平位移在垂直隧道方向，基坑圍護(hù)垂直隧道方向最大水平位移在B03-D，最大水平位移為，最大水平位移為4.9cm。基坑圍護(hù)水平位移基坑圍護(hù)水平位移（垂直隧道方向垂直隧道方向）實(shí)際施工工況下基坑開挖導(dǎo)致的車站結(jié)構(gòu)變形實(shí)際施工工況下基坑開挖導(dǎo)致的車站結(jié)構(gòu)變形 車站結(jié)構(gòu)水平位移車站結(jié)構(gòu)水平位移 車站結(jié)構(gòu)變形較小，最大水平位移為車站結(jié)構(gòu)變形較小，最大水平位移為4.17、4mm。實(shí)際施工部署和假定工況實(shí)際施工部署和假定工況1、2基坑開挖對長清北路車站基坑開挖對長清北路車站“疊加效應(yīng)疊加效應(yīng)”對于后世博對于后世博B03區(qū)域基坑施工而言區(qū)域基坑施工而言，實(shí)施期間需要重點(diǎn)保護(hù)的對象為西側(cè)長清北路車站實(shí)施期間需要重點(diǎn)保護(hù)的對象為西側(cè)長清北路車站，此此外基坑本身圍護(hù)變形也是基坑安全的重要評判標(biāo)準(zhǔn)外基坑本身圍護(hù)變形也是基坑安全的重要評判標(biāo)準(zhǔn)。故本次疊加效應(yīng)分析主要研究對象為車站結(jié)故本次疊加效應(yīng)分析主要研究對象為車站結(jié)構(gòu)變形構(gòu)變形。對比實(shí)際施工部署和假定工況對比實(shí)際施工部署和假定工況1、2。B03-A1開挖后，車站最大水平位移為開挖后，車站最大水平位移為0.9mm。B03-18、B、B03-C1、B03-D開挖后開挖后，車站開挖后開挖后，車站最大水平位移為最大水平位移為1.1mm。B03-C2開挖后，車站近臨開挖后，車站近臨B03-C2處在原先處在原先1mm基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)生基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)生3.2mm位移，總位移為位移，總位移為4.2mm。B03-A2開挖后開挖后，車站近臨開挖后開挖后，車站近臨B03-A2處在原處在原先先1.1mm基礎(chǔ)上發(fā)生基礎(chǔ)上發(fā)生3.3mm位移。位移。B03-A1離車站距離較遠(yuǎn)（離車站距離較遠(yuǎn)（70m）B03-B、B03-C1、B03-D離車站距離離車站距離較遠(yuǎn)（較遠(yuǎn)（70m）B03-C2離車站距離極近（離車站距離極近（10m）B03-A2離車站距離極19、近（離車站距離極近（10m）實(shí)際施工部署實(shí)際施工部署對長清北路車站的對長清北路車站的“疊加效應(yīng)疊加效應(yīng)”假定施工部署假定施工部署（工況工況4,5,6）對長清北路車站的對長清北路車站的 影響影響 假定工況四：東西分區(qū)、車站結(jié)構(gòu)變形假定工況四：東西分區(qū)、車站結(jié)構(gòu)變形 假定工況五：南北分區(qū)、車站結(jié)構(gòu)變形假定工況五：南北分區(qū)、車站結(jié)構(gòu)變形 假定工況四：先施工緊鄰地鐵車站基坑假定工況四：先施工緊鄰地鐵車站基坑，后施工遠(yuǎn)離隧道基坑后施工遠(yuǎn)離隧道基坑，則車站結(jié)構(gòu)變形較大則車站結(jié)構(gòu)變形較大，增加幅度達(dá)增加幅度達(dá)30%。假定工況五：先開挖北側(cè)基坑假定工況五：先開挖北側(cè)基坑，可以看到車站靠近基坑處產(chǎn)生的變形較為均20、勻可以看到車站靠近基坑處產(chǎn)生的變形較為均勻，靠近靠近B03-A2最大變形量為最大變形量為5.27mm，靠近靠近B03-C2最大變形為最大變形為5.02mm。假定工況六：先開挖南側(cè)基坑假定工況六：先開挖南側(cè)基坑，可以看到車站靠近南北基坑處產(chǎn)生的變形差別較大可以看到車站靠近南北基坑處產(chǎn)生的變形差別較大，靠靠近近B03-A2最大變形量為最大變形量為6.01mm，靠近靠近B03-C2最大變形為最大變形為4.71mm。假定工況六：南北分區(qū)、車站結(jié)構(gòu)變形假定工況六：南北分區(qū)、車站結(jié)構(gòu)變形（1 1）群坑的疊加效應(yīng)不利于基坑周邊構(gòu)件物的變形控制群坑的疊加效應(yīng)不利于基坑周邊構(gòu)件物的變形控制。基坑周邊結(jié)基坑周邊結(jié)21、構(gòu)受擾動后再受到基坑二次開挖影響構(gòu)受擾動后再受到基坑二次開挖影響，其變形大于單純二次開挖基坑本身其變形大于單純二次開挖基坑本身對基坑的擾動影響對基坑的擾動影響，變形增加幅度約為變形增加幅度約為1010%左右左右。（2 2）對于車站結(jié)構(gòu)保護(hù)而言對于車站結(jié)構(gòu)保護(hù)而言，遠(yuǎn)離車站的基坑先施工要優(yōu)于靠近車站遠(yuǎn)離車站的基坑先施工要優(yōu)于靠近車站的基坑先施工的基坑先施工。前者產(chǎn)生的車站結(jié)構(gòu)變形要大于后者前者產(chǎn)生的車站結(jié)構(gòu)變形要大于后者3030%左右左右。（3 3）對于車站結(jié)構(gòu)保護(hù)而言對于車站結(jié)構(gòu)保護(hù)而言，南側(cè)基坑先施工要優(yōu)于北側(cè)基坑先施工南側(cè)基坑先施工要優(yōu)于北側(cè)基坑先施工。前者產(chǎn)生的車站結(jié)構(gòu)變形較為均勻前者產(chǎn)22、生的車站結(jié)構(gòu)變形較為均勻，且最大變形僅為后者且最大變形僅為后者8080%左右左右。結(jié)論結(jié)論 四、深大基坑模擬的一些思考四、深大基坑模擬的一些思考 建模過程建模過程 本構(gòu)模型：合適本構(gòu)模型本構(gòu)模型：合適本構(gòu)模型（修正修正mc？硬化土硬化土（hs small）？適應(yīng)對象適應(yīng)對象）邊界條件：邊界條件：3倍開挖深度倍開挖深度？土體加固影響土體加固影響？坑外降水影響坑外降水影響？網(wǎng)格劃分：避免畸變點(diǎn)產(chǎn)生網(wǎng)格劃分：避免畸變點(diǎn)產(chǎn)生，手動劃分手動劃分 坑外降水：直線型缺陷坑外降水：直線型缺陷，解決途徑解決途徑水位觀測水位觀測 虛擬工況設(shè)立虛擬工況設(shè)立 反映真實(shí)工程情況反映真實(shí)工程情況（支撐和挖土工序安排支撐和挖土工序安排）荷載釋放系數(shù)選擇荷載釋放系數(shù)選擇（4,3,3？）是否要考慮支撐暴露時間是否要考慮支撐暴露時間？時空效應(yīng)模擬時空效應(yīng)模擬（蠕變計算蠕變計算？）謝謝！