1、深大基坑群“疊加擾動”深大基坑群“疊加擾動”施工仿真技術施工仿真技術 2017年年4月月 目目 錄錄 緒論“疊加疊加擾動”擾動”預估變形應用預估變形應用“疊加擾動”優化設計應用 深大基坑模擬的一些思考 一、緒論一、緒論 2121世紀是人類合理開發利用城市地下空間的世紀世紀是人類合理開發利用城市地下空間的世紀 1.城市中心區用地短缺城市中心區用地短缺 2.地價昂貴地價昂貴 3.交通和環境狀況日益惡化交通和環境狀況日益惡化 城市進一步發展的瓶頸城市進一步發展的瓶頸 地下空間地下空間 開發與利用開發與利用 1.解決交通擁堵解決交通擁堵 2.改善城市環境改善城市環境 3.保護城市景觀保護城市景觀 4.
2、減少土地資源的浪費減少土地資源的浪費 地下空間開發利用顯著功效地下空間開發利用顯著功效 上海市總體規劃上海市總體規劃：在世博園：在世博園、五角場五角場、徐家匯徐家匯、靜安寺等一批重點地區地下空靜安寺等一批重點地區地下空間的適度超前開發的經驗基礎上間的適度超前開發的經驗基礎上，鼓勵與支持與超大規模鼓勵與支持與超大規模、超深層次地下空間開發利用超深層次地下空間開發利用相匹配的系列重大關鍵技術相匹配的系列重大關鍵技術。基坑發展方向基坑發展方向（1）基坑深度、面積越來越大，施工難度逐漸提高）基坑深度、面積越來越大，施工難度逐漸提高 （2）周邊環境趨于復雜，環境保護要求更加嚴苛）周邊環境趨于復雜，環境保
3、護要求更加嚴苛 軌道交通軌道交通4號線事故導致近旁防汛墻局部坍塌號線事故導致近旁防汛墻局部坍塌 基坑施工導致煤氣管道破裂基坑施工導致煤氣管道破裂 深大基坑群施工難點深大基坑群施工難點（1）自身施工方面（坑外降水，圍護止水）自身施工方面（坑外降水，圍護止水）（2）環境保護難點（中心城區，時空，疊加，）環境保護難點（中心城區，時空，疊加，）（3）施工組織設計（可實現性，環境友好）施工組織設計（可實現性，環境友好）超深基坑群“疊加效應”評估方法超深基坑群“疊加效應”評估方法3DFEM 有限元計算優勢有限元計算優勢 （1）預先性）預先性先于施工，預先于施工，預估施工變形估施工變形 （2）低成本低成本不
4、耗費材料不耗費材料 （3）可反復性）可反復性反復驗算不反復驗算不同工況，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”評估方法超深基坑群“疊加效應”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）真實性欠缺）真實性欠缺工況模擬（無支撐時間，降水模擬）工況模擬（無支撐時間，降水模擬）（2）準確性欠缺準確性欠缺網格劃分，單元性質（土體單元，加固體單元）網格劃分，單元性質（土體單元，加固體單元）二、二、“疊加疊加擾動”擾動”預估變形應用預估變形應用 B樓樓 264m A樓樓 264m 群樓群樓 24m 項目用地面積40577.40，總建筑面積445844.4，由
5、2幢264m的辦公樓和一座3層的主題商業中心組織，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，地下室設有民防工程。工程示范工程示范:虹口區虹口區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 地塊南側高樓林立 地塊北側緊鄰地鐵12號線 地塊南側有白金灣廣場，臨江大廈；東方海港地塊南側有白金灣廣場，臨江大廈；東方海港國際大廈，長江大樓等高樓林立；北側地
6、鐵國際大廈，長江大樓等高樓林立；北側地鐵1212號線號線由西向東橫穿而過；場地條件復雜。由西向東橫穿而過；場地條件復雜。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 根據地鐵代建區的地勘資料，場地下根據地鐵代建區的地勘資料，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。工程地質概況工程地質概況 1、超大、超深基坑的基坑安全及環境保護，特別是地鐵保護 本工程基坑長約220米，寬約140米，基坑面積達30440。大部分地下6層，主樓區域挖土深度29.05米，裙房區域挖土深度27.3米；臨近地鐵12號線車站側地下5層，挖土深
7、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險的增加，對周邊環境產生疊加影響。工程難點工程難點 2、基坑東、南、西三側緊鄰市政道路，道路下各類重要管線密集 基坑圍護結構距離最近管線距離僅45米。北側與已由12號線項目公司代建的地下三層結構外墻（地下連續墻）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。本工程基坑面積達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險的增加。需要通過數值仿真，研究基坑分區卸載“疊加效應”，達到對圍護結構和周邊環境的安全狀態控制，分析不同開挖方式、
8、不同開挖階段下，結構的受力與變形，對開挖方式與開挖階段進行優化 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：土體本構：修正摩爾修正摩爾-庫倫模型；庫倫模型；圍護結構：圍護結構：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：土體采用實體單元；土體采用實體單元；圍護墻和隧道采用板單元、支撐采用梁單元；圍護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準邊界；模型邊界條件采用標準邊界；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，
9、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 內容內容 施工步施工步1 計算初始地應力場計算初始地應力場 施工步施工步2 開挖開挖55地塊地塊1,2分區分區 施工步施工步3 開挖開挖55地塊地塊3,4,6分區分區 施工步施工步4 開挖開挖55地塊地塊5分區分區 土體加固通過改變土體性質模擬土體加固通過改變土體性質模擬 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”模擬結果分析“疊加效應”模擬結果分析 基坑變形基坑變形 豎向位移疊加效果豎向位移疊加效果 1.2分區開挖后 所有分坑開挖后 開挖開挖1,2分區后最大坑內分區后最大坑內隆起為隆
10、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。全部開挖后坑內最大隆起量為坑內最大隆起量為7cm，坑外最大沉降量為坑外最大沉降量為2.2cm “疊加效應”模擬結果分析“疊加效應”模擬結果分析 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分區后沿基坑寬分區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分區開挖后 “疊加效應”模擬結果分析“疊加效應”模擬結果分析 基坑變形基坑變形 地鐵車站結構疊加效應分析（基坑西側）地鐵車站結構疊加效應
11、分析（基坑西側）所有分坑開挖后 1.2區開挖后變形區開挖后變形3mm，全部開挖后靠基坑一側全部開挖后靠基坑一側結結構構也只水平位移也只水平位移4.6mm，遠遠低于國家和上海市對遠遠低于國家和上海市對鄰近構件物變形要求。鄰近構件物變形要求。1.2分區開挖后 三、三、“疊加擾動”優化設計應用“疊加擾動”優化設計應用 世博會世博會B B片區片區（企業總部集聚區企業總部集聚區）位于世博園區一位于世博園區一軸四館西側軸四館西側，規劃范圍東臨世博館路規劃范圍東臨世博館路，西至長清北路西至長清北路，南臨國展路南臨國展路，北至世博大道北至世博大道，規劃用地面積約規劃用地面積約1818.7272公公頃頃。工程示
12、范工程示范:世博會世博會B片區片區 難點一：難點一：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，特別緊鄰已運營的特別緊鄰已運營的1313號線號線，而且世博園區內埋設有大而且世博園區內埋設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險極高使得深基坑施工的風險極高，環境保護的要求極為苛刻環境保護的要求極為苛刻。難點二：難點二：超大規模深基坑施工超大規模深基坑施工，“時空效應時空效應”顯著顯著，如控如控制不力制不力，將對基坑穩定將對基坑穩定、周邊環境產生嚴重影響周邊環境產生嚴重影響。開展基于開展基于“疊加擾動疊加擾動”的超大規模基坑安全評估的超大規
13、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 開展世博園區基坑開挖開展世博園區基坑開挖“疊加效應疊加效應”評估評估 環境影響評價主要研究了環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境影響；基坑開挖不同工況對周邊環境影響；考慮到模型過于龐大考慮到模型過于龐大，不進行基坑間規劃一路不進行基坑間規劃一路、規劃二路以及規劃二路以及B02兩個基坑的施工模擬兩個基坑的施工模擬。土體本構：土體本構：修正摩爾修正摩爾-庫倫模型庫倫模型 圍護結構：圍護結構：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：土體采用實體單元；土
14、體采用實體單元；圍護墻和隧道采用板單元、支撐采用梁單元；圍護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準邊界；模型邊界條件采用標準邊界；施工步按照擬定工況進行計算。施工步按照擬定工況進行計算。建立了實際施工工況和建立了實際施工工況和5種虛擬工況對比研究了疊加效應和不同施工部署對種虛擬工況對比研究了疊加效應和不同施工部署對環境的影響。環境的影響。建立了實際施工工況和建立了實際施工工況和5種虛擬工況對比研究了疊加效應和不同施工部署對種虛擬工況對比研究了疊加效應和不同施工部署對環境的影響。環境的影響。實際施工工況下基坑開挖對基坑及周邊環境的影響實際施工工況下基坑開挖對基坑及周邊環境的影響
15、 基坑內部和周邊隆沉云圖基坑內部和周邊隆沉云圖 基坑土體變形依次基坑土體變形依次B03-DB03-BB03-CB03-A；根據施工部署分析可知群坑開挖過程中；根據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。實際施工工況下基坑開挖對基坑圍護結構的影響實際施工工況下基坑開挖對基坑圍護結構的影響 基坑圍護水平位移基坑圍護水平位移（隧道方向隧道方向）沿隧道方向，基坑圍護隧道方向
16、最大水平位移在沿隧道方向，基坑圍護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，基坑圍護垂直隧道方向最大水平位移在垂直隧道方向，基坑圍護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。基坑圍護水平位移基坑圍護水平位移（垂直隧道方向垂直隧道方向）實際施工工況下基坑開挖導致的車站結構變形實際施工工況下基坑開挖導致的車站結構變形 車站結構水平位移車站結構水平位移 車站結構變形較小，最大水平位移為車站結構變形較小，最大水平位移為4.4mm。實際施工部署和假定工況實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
17、北路車站“疊加效應疊加效應”對于后世博對于后世博B03區域基坑施工而言區域基坑施工而言，實施期間需要重點保護的對象為西側長清北路車站實施期間需要重點保護的對象為西側長清北路車站，此此外基坑本身圍護變形也是基坑安全的重要評判標準外基坑本身圍護變形也是基坑安全的重要評判標準。故本次疊加效應分析主要研究對象為車站結故本次疊加效應分析主要研究對象為車站結構變形構變形。對比實際施工部署和假定工況對比實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-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
18、.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基礎上繼續發生基礎上繼續發生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基礎上發生基礎上發生3.3mm位移。位移。B03-A1離車站距離較遠（離車站距離較遠（70m）B03-B、B03-C1、B03-D離車站距離離車站距離較遠（較遠（70m）B03-C2離車站距離極近（離車站距離極近（10m）B03-A2離車站距離極近（離車站距離極近（10m）實際施工部署實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
19、疊加效應”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、車站結構變形假定工況四：東西分區、車站結構變形 假定工況五：南北分區、車站結構變形假定工況五：南北分區、車站結構變形 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，后施工遠離隧道基坑后施工遠離隧道基坑，則車站結構變形較大則車站結構變形較大，增加幅度達增加幅度達30%。假定工況五：先開挖北側基坑假定工況五：先開挖北側基坑，可以看到車站靠近基坑處產生的變形較為均勻可以看到車站靠近基坑處產生的變形較為均勻，靠近靠近B03-A2最大變形量為最大變形量為5.2
20、7mm，靠近靠近B03-C2最大變形為最大變形為5.02mm。假定工況六：先開挖南側基坑假定工況六：先開挖南側基坑，可以看到車站靠近南北基坑處產生的變形差別較大可以看到車站靠近南北基坑處產生的變形差別較大，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、車站結構變形假定工況六：南北分區、車站結構變形（1 1）群坑的疊加效應不利于基坑周邊構件物的變形控制群坑的疊加效應不利于基坑周邊構件物的變形控制。基坑周邊結基坑周邊結構受擾動后再受到基坑二次開挖影響構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
21、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）對于車站結構保護而言對于車站結構保護而言，遠離車站的基坑先施工要優于靠近車站遠離車站的基坑先施工要優于靠近車站的基坑先施工的基坑先施工。前者產生的車站結構變形要大于后者前者產生的車站結構變形要大于后者3030%左右左右。（3 3）對于車站結構保護而言對于車站結構保護而言，南側基坑先施工要優于北側基坑先施工南側基坑先施工要優于北側基坑先施工。前者產生的車站結構變形較為均勻前者產生的車站結構變形較為均勻，且最大變形僅為后者且最大變形僅為后者8080%左右左右。結論結論 四
22、、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 本構模型：合適本構模型本構模型：合適本構模型（修正修正mc？硬化土硬化土（hs small）？適應對象適應對象）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？網格劃分：避免畸變點產生網格劃分：避免畸變點產生，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 虛擬工況設立虛擬工況設立 反映真實工程情況反映真實工程情況（支撐和挖土工序安排支撐和挖土工序安排）荷載釋放系數選擇荷載釋放系數選擇（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？時空效應模擬時空效應模擬（蠕變計算蠕變計算？）謝謝！
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