市政道桥锚碇基坑支护结构施工监控方案

市政道桥锚碇基坑支护结构

施工监控方案

目录

1.工程概况......................................................1

1.1工程概况................................................1

1.2工程地质条件...........................................1

1.2.1工程概况及周边环境...................................1

1.2.2工程地质...............................................1

1.2.3水文地质..............................................3

2.监3则目的......................................................4

3.监测方案设计原则、内容及标准..............................4

3.1监测方案设计原则.....................................4

3.2监测内容...............................................6

3.3监控测量标准...........................................8

4.施工监测系统...................................................8

4.1施工监测方法...........................................8

4.2高精度的监测系统......................................10

4.3有限元反分析法........................................10

4.4深基坑工程变形的神经网络预测建模...................13

4.5基坑开挖施工正装模拟分析............................15

4.5.1影响基坑开挖过程围护结构变形因素的分析..........15

4.5.2深基坑三维有限元模型..............................16

4.5.3数值模拟计算结果与分析............................26

4.5.4非对称开挖方案分析...............................42

4.5.5超挖方案分析.....................................44

4.5.6支护体系敏感性分析..............................47

4.5.7基坑监测预警值建议...............................49

4.5.8结论..............................................51

5.监测方法、测点布置、监测频率及预警值...................51

5.1地下连续墙基础施工监测方法.......................51

5.1.1地连墙圈梁顶、周边地表、珠江大堤、涌道大堤、建筑及

管线变形监测............................................52

5.1.2基坑内、外地下水位监测..........................56

5.1.3地下连续墙应力监测...............................57

5.1.4地下连续墙深层位移监测..........................59

5.1.5基坑外土压力监测.................................60

5.1.6内衬应力监测.....................................60

5.1.7基坑外孔隙水压力监测.............................61

5.2监测布置...........................................61

5.2.1地下连续墙周边地表、珠江大堤、涌道大堤、建筑及管线

变形监测.................................................61

5.2.2基坑内、外地下水位监测..........................63

5.2.3地下连续墙姿态监测，墙圈梁顶变形监测...........64

5.2.4地下连续墙应力监测...............................65

5.2.5地下连续墙深层侧向变形监测.......................67

5.2.6基坑外土压力监测..................................70

5.2.7内衬横向应力监测..................................71

5.2.8基坑外孔隙水压力监测............................73

5.3监测项目监测频率及预警值..........................75

5.3.1施工监控频率......................................75

5.3.2施工监控预警值....................................76

5.3.3误差控制..........................................77

6.施工监控机构组织分工、人员及设备.....................77

6.1施工监控组织机构..................................77

6.2各参建单位在监控中的职责..........................79

6.3各参建单位在施工监控中的关系.....................81

6.4数据传递路线及反馈程序............................82

6.5设备...............................................83

7.质量保障措施...........................................84

7.1技术保障措施......................................84

7.2监测工作具体管理.................................86

附件一：监测资料统一用表...................................87

附件二：企业资质..........................................100

1.工程概况

1.1工程概况

本地下连续墙为**二桥大**道桥西锚碇基坑支护结构，**二桥起点位

于**市**区**镇，与珠江三角洲经济区环形公路南环段对接，沿线跨越珠

江大**道、海鸥岛、珠江泥洲水道，终点位于东莞市沙田镇，与广深沿江

高速公路连接，主线全线均为桥梁工程，总长度12.891公里，采用双向八

车道的高速公路标准，设计时速100km/h,桥梁宽度40.5m。

锚碇基础采用地连墙方案作为基坑开挖的支护结构，根据地质情况及

锚体设计需要，地连墙采用外径为82.0m,壁厚为1.5m的圆形结构，顶面标

高+1.00m,底标高-35.00~-43.00m,底部嵌入中风化泥岩、泥质粉砂岩层；

地连墙分I期、II期两种槽段施工，槽段共54个，设计最大槽深46.0m,在

地连墙两侧，采用直径50cm水泥粉喷桩加固淤泥质土，间距40cm,加固深

度15.0m,地连墙施工完成后进行墙底灌浆。

地连墙施工完成后，采用逆作法分层开挖土体，分层施工内衬。各层

施工工期由土体开挖控制，土体开挖深度为27m,内衬及土体分层高度控制

在3m以内。采用岛式开挖法进行土体开挖，一层沿圆周分十四个区域进行

对称开挖并浇筑内衬混凝土。内衬从上向下：0~6m深度内厚1.5m,6m深度

以下厚2m。顶、底板厚6m,中间为填芯混凝土。

1.2工程地质条件

1.2.1工程概况及周边环境

本工程地处广东省**镇沙公堡村，东距珠江大堤约300m,南侧150m为

涌道大堤，西距县道X928约180m,北距庆沙路(Y946)约150m,庆沙路距

市南路3.5公里，市南路南侧与京珠高速连接，对外交通便利。

1.2.2工程地质

大**道桥西锚碇区域覆盖层主要由第四系全新统海陆交互相淤泥、淤

泥质土、砂土和第四系更新统粉质黏土、砂土、圆砾土组成，厚度约

24.20~28.50m；基底由白垩系白鹤洞组（K1b）泥岩组成，存在风化不均匀、

风化夹层现象；稳定连续中~微风化岩埋深约32.10~52.00m,起伏大，高差

19.9m。中风化泥岩饱和单轴抗压强度在3.r3.8MPa,微风化泥岩饱和单轴

抗压强度在8.7~24.1MPa,属软岩~较软岩。

工—田田

图1.27西锚碇地连墙地址剖面图

基坑开挖及支护有关岩土参数建议值见表1.27。

表1.2-1各土层参数建议值

承载力摩阻力

容重浮容重内摩擦

容许值标准粘聚力c

参数YY'角

[faO]值[qik]

kN/m3kN/m3kPakPaokPa

淤泥15.45.4502035

淤泥质土16.56.5602558

粉砂1998020180

中砂19.59.530040250

粗砂18.88.840070280

强风化泥

19.999.994501002050

岩

中风化泥

20.510.565018030450

岩

1.2.3水文地质

地下水由第四系孔隙承压水和基岩裂隙承压水组成，以第四系孔隙水

为主。淤泥（淤泥质土）、粉质黏土、残积土、全风化岩可视为相对弱透水

层及相对隔水层；砂砾层为主要储水层，连通性较好，透水性好；地下水

由于水力梯度小，水平排泄缓慢，水位一般埋深较浅。下伏基岩强~中风化

岩层风化裂隙发育，裂隙开裂不大，有地下水活动痕迹，其赋存及运动条

件较差，透水性较弱，基岩裂隙受岩性、埋深等因素的控制，裂隙发育具

有不均匀性，因而其水量分布不均。

各地层渗透系数参考值如下：

表1.2-2各土层渗透系数参考值

地层渗透系数备注

淤泥1.668X10-4m/d土工试验

第四系砂层6.Om/d经验值

粉砂5.Om/d经验值

中砂10.Om/d经验值

粗砂15.Om/d经验值

强风化层0.386m/d抽水试验

中风化层0.257m/d压水试验

2.监测目的

通过本工程的监测工作，可以达到以下目的：

(1)及时发现不稳定因素

由于土体成分和结构的不均匀性、各向异性及不连续性决定了土体力

学性质的复杂性，加上自然环境因素的不可控影响，借助监测手段以便能

及时采取补救措施，确保基坑稳定安全，减少和避免不必要的损失。

⑵验证设计、指导施工

通过监测可以了解周边土体的实际变形和应力分布，用于验证设计与

实际符合程度，根据基坑变形和应力分布情况为施工步骤的实施、施工工

艺的采用提供有价值的指导性意见。

⑶保障业主及相关社会利益

在施工中，通过对周边土体和大堤监测数据的分析，调整施工参数、

施工工序、重车进出及停靠位置，确保周边建(构)筑物、塔吊以及其它

机具设备的正常运行，有利于保障业主及相关社会利益。

3.监测方案设计原则、内容及标准

3.1监测方案设计原则

(1)系统性原则

1)设计的监测项目有机结合，并形成整体，测试的数据相互能进行校

核；

2)运用、发挥系统功效对基坑进行全方位、立体监测，确保所测数据

的准确、及时;

3）在施工工程中进行连续监测，确保数据的连续性；

4）利用系统功效减少监测点布设，节约成本。

（2）可靠性原则

I）设计中采用的监测手段是己基本成熟的方法；

2）监测中使用的监测仪器、元件均通过计量标定且在有效期内；

3）在设计中对布设的测点进行保护设计。

（3）与结构设计相结合原则

1）对结构设计中使用的关键参数进行监测，达到进一步优化设计的目

的；

2）对结构设计中在专家审查会上有争议的方法、原理所涉及的受力部

位及受力内容进行监测，提供反演分析的依据；

3）根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）要求，监

测报警值应由基坑工程设计方确定，依据设计计算情况，确定围护体、内

衬结构的报警值。

（4）关键部位优先、兼顾全面的原则

1）对围护体、内衬结构中相对敏感的区域加密测点数和监测内容，进

行重点监测；

2）对勘察工程中发现的地质条件变化较大的位置及施工过程中有异常

的部位进行重点监测；

3）除关键部位优先布设测点外，在系统性基础上均匀布设监测点。

（5）与施工相结合原则

1）结合施工实际确定测试方法、监测元件的种类、监测点的保护措施；

2）结合施工实际调整监测点的布设位置，尽量减少监测元件的埋设对

地连墙和内衬施工质量的影响；

3）结合施工实际确定测试频率。

（6）经济合理原则

1）监测方法的选择，在安全、可靠的前提下结合工程经验尽可能采用

直观、简单、有效的方法；

2）监测设备的选择，在确保可靠的基础上尽可能使用国产仪器设备；

3）监测点的数量，在确保全面、安全的前提下，合理利用监测点之间

联系，减少测点数量，提高工作效率，降低成本。

3.2监测内容

根据**二桥工程S2标西锚碇地下连续墙地质勘察报告、施工图设计、

施工组织设计及设计计算书，为了保证施工的顺利进行，结合本工程特点、

现场情况及总体设计要求，确定项目监测内容如下：

（1）水文监测

**二桥工程S2标西锚碇地下连续墙区域地表径流发育，大**道、小河

道等水系呈网状分布，河流水位受潮汐、上游河流的影响，为地下水渗入

补给提供了充足水源。

西锚碇地下连续墙区域还存在灌溉河涌，水位随潮水涨落变化，一般

变化量2m左右，河涌对地下水水位及地下渗流场影响较大。

西锚碇地下连续墙区域地处珠江三角洲平原区，地下水类型以第四系

松散层弱承压水及基岩裂隙水为主，浅部土层中，淤泥C於泥质土）、粉质

粘土为相对弱透水层及相对隔水层，砂层为透水层及主要含水层，地下水

量丰富。

考虑以上影响因素，水文监测主要包括以下内容：

1）基坑内、外地下水位监测；

2）地下渗流场、坑外孔隙水压力监测。

⑵地下连续墙监测

1）地下连续墙姿态监测：通过监测地连墙顶圈梁的径向水平、垂直位

移，实现对地下连续墙实时姿态的掌握;

2)地下连续墙应力监测，包括混凝土应力监测、钢筋应力监测；

3)地连墙深层位移监测；

(3)水土压力监测：坑外水土压力监测。

(4)内衬应力监测

内衬应力监测：包括混凝土应力监测、钢筋应力监测；

⑸周边地形、构筑物变形监测：地下连续墙周边地表沉降、位移监测;

珠江大堤、涌道大堤及其他地面构筑物、管线变形监测。

表3.2-1监测项目汇总表

序号监测类别监测项目监测方法

基坑内、外地下水位监

1水位计

测

地下渗流场、坑外孔隙

2孔隙水压力计

周边环境水压力

3坑外水土压力监测土压力计

周边地形、构筑物变形

4高精度水准仪

监测

5地下连续墙姿态监测高精度水准仪、全站仪

地下连续墙混凝土应力

6混凝土应力计

监测

地下连续墙钢筋应力监

7地下连续墙结钢筋应力计

测；

构

内衬混凝土应力监

8混凝土应力计

测

9内衬钢筋应力监测钢筋应力计

1地连墙深层位移监测；测斜仪

3.3监控测量标准

⑴行业标准《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)

⑵行业标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)

⑶行业标准《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)

⑷国家标准《地下工程防水技术规范》(GB50108-2001)

⑸行业标准《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)

⑸国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)

⑺行业标准《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)

⑻国家标准《精密水准测量规范》(GB/T15314-940)

(9)国家标准《国家一、二等水准测量规范》(GB/T12897-2006)

(10)国家标准《工程测量规范》(GB50026-2007)

(11)国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)

(12)行业标准《城市测量规范》(CJJ8-99)

(13)行业标准《建筑物基坑支护技术规程》(JGJ120-99)

(14)行业标准《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)

(15)行业标准《建筑物变形测量规范》(JGJ/T8-97)

(16)《岩土工程测试手册》(林宗元主编)

(17)《**二桥工程施工图设计(第三部分-大**道桥、第二册-锚碇、第一

分册-西锚碇基础)》**公路规划设计院有限公司、广东省公路勘察规划设

计院股份有限公司2014.2。

4.施工监测系统

4.1施工监测方法

本工程的施工监控拟采用自适应法，监测控制框图见图4.17。当结构

监测到的受力、变形状态与设计模型计算结果不相符时，通过将误差输入

到参数辨识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测试

到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理

想状态。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结

构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制，并对后续施工

状态进行有效预估。

图4.1T自适应施工监控法基本原理

针对本工程，我们将通过前期结构分析、设计沟通、现场调查等确定

施工阶段控制目标，在施工过程中对主要参数进行识别和采集，并对各阶

段变形和应力的实测值进行误差分析，在逐步完善动态计算模型的同时继

续预估下步参数变化值和趋势，直至设计建成状态的实现。图4.1-2为本工

程拟采用的施工控制框图。

图4.1-2施工监控框图

4.2高精度的监测系统

高精度监测系统是指在基坑开挖施工过程中采用科学仪器设备和手段

对支护结构、周边环境的位移和变形以及地下水位的动态变化、土层孔隙

水压力变化等进行综合观测。通过在施工过程中进行监测，可以得到前一

段开挖期间的各种信息，如支护结构的内力和变形、周围水土压力变化等，

从而为施工期间进行设计优化和合理组织施工提供可靠的信息，对后续开

挖方案及开挖步骤提出建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时预报。

4.3有限元反分析法

利用有限元方法对基坑施工全过程进行模拟从理论上是完善的，但是

各项参数的取值非常困难导致计算精度降低。因此利用监测数据来反演地

层及结构的力学性质参数，并用所得到的参数输入有限元模型进行下一步

开挖施工预测是非常必要的，这也就是有限元反分析法解决的主要问题。

根据大型深基坑工程的实践经验，对地层及结构的力学性质参数可以

分成以下三类：

⑴直接根据已有资料确定，比如岩土容重、地连墙的弹性模量等；

⑵根据现场监测结果直接确定，而不是通过反分析迭代来确定，比如

土体的泊松比可根据实测土压力来确定；X

⑶需要通过反分析迭代确定的参数，这种参数包括土体模量及强度参

数，还包括施工过程的模拟，因为在实际工程中，土方的开挖、支护结构

的施工、地下水位的变化都是连续的，而在有限元模型中，这些连续的过

程只能通过有限个“时间点”来模拟，是不连续的。因此，如何调整生成

支撑单元、杀死土体单元、降低水压力之间的关系，使之尽可能和真实情

况一致，也是反分析的一个重要内容。

反分析采用直接法，即把有限元分析与优化方法联合来确定拟求的参

数，使由所求参数计算给出的内力及变形值与实测值接近。由于实测之既

有位移也有内力，我们所采用的目标函数定义为：

m/C

/=£叱油-1

I7------>min

式中：m—应用于目标函数的实测值数目

S：—第i个实测值

—相应于上列实测值的计算值

叱—第i个量在目标函数中的权值

在上列目标函数中，引入了所考虑各量的权值，以考虑不同量的不同

重要性及相应观测量的可靠性差异。另外需指出，由于实测量很多，不可

能用所有的数据来进行反分析。比如，利用测斜仪测出的墙体水平位移，

在一个孔中便有几十个值，在反分析中主要利用包含最大变形的一段上的

数据。具体选择时，首先选中最大变形所在的数据点，然后向上和向下间

隔选取3~4个数据点，最后将这7~8个实测数据和相应的计算值代入目标函

数，求出目标函数的值。

在反分析中可使用的优化方法有多种，包括传统的方法及新近发展的

智能方法（遗传算法、神经网络方法）等。传统方法一般迭代次数较少，

但有些情况下会陷入局部最优；而遗传算法在理论上可以求出全局最优，

但计算量很大。本项目本着实用而有可靠的原则，着重研究了复合形法。

复合形法是对单纯形法的发展，它可以在n维受非线性约束的设计空间

选择并改进设计点。所谓复合形，就是在n维设计空间内，由K>n+1（一般

是2n）个可行点所构成的多面体。而复合形法就是在受非线性约束的n维设

计空间中，对复合形的各顶点函数值逐一比较，不断丢掉最坏点，代之以

既能使目标函数有所改进，又满足约束条件的新点，逐步调向最优点。其

流程如图4.37所示：

图4.37复合形法流程图

按上述思路，我们拟采用复合形法反分析本工程基坑的土体模量。再

利用反分析所求出的模量值计算得出下一个施工步骤的支护结构的位移、

内力等指标，满足信息化施工的要求。

4.4深基坑工程变形的神经网络预测建模

根据现场监测数据资料，实施锚碇基坑施工变形位移的智能预测与控

制，是信息化施工的重要环节，是动态控制基坑施工安全的重要方法。施

工中，将运用基于神经网络理论的正演分析方法，将预测结果与变形警戒

值比较，必要时调整设计、施工参数，以减小后续施工中将发生的变形，

达到指导施工、有效控制变形的目的。

随着科学的发展，其他学科的知识、方法也不断被引入到岩土工程，

由此也推动了反分析的发展。尤其是由于人工智能技术的蓬勃发展，越来

越多的智能化技术应用到岩土工程反分析的领域，如人工神经网络(ANN)、

遗传算法(GA)等。

人工神经网络(ANN,ArtificiaINeutraINetwork)在本质上是一种具

有可训练性能的非线性映射。它是一种高度简化的人脑生物结构模型，其

层结构包括许多相互连接的基本处理单元，用以模拟生物神经元。神经网

络的特征来自于传递函数和连接权重，通过调整权重有可能用分布表达式

识别复杂的映射。神经网络的理论已经证明，三层以上(含三层)的神经网

络可以逼近任意非线性函数，所以人工神经网络是描述和解决非线性关系

的一个有效手段。即使数据不完整或者不明确，神经网络也能够寻找最接

近的匹配。即使是一些处理单元发生故障或完全失效，网络也能根据它的

缺省误差发挥作用。神经网络能够从单独的例子中提取广义相关性。它的

模型是通过学习和训练建立起来的。假如用许多输入输出对(也就是说输

入向量和目标向量)训练一个网络模型，它就能够从未训练的输入值中得

到正确的输出值。

目前，在人工神经网络的实际应用中，绝大部分的神经网络模型是采

用BP网络和它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，并体现了人工神

经网络最精华的部分。

BP网络是一种多层前馈神经网络，其神经元的传递函数是S型函数，因

此输出量为0到1之间的连续量，它可以实现从输入到输出的任意的非线性

映射。由于权值的调整采用反向传播(BackPropagation)的学习算法，

因此也常被称为BP网络。图4.47给出一个基本的BP神经元，它具有R个输

入，每个输入都通过一个适当地权值w与下一层相连，网络输出可表示成：

a-/(w*p,b)

输入.一般邺经元.

9⑴2(1,1)0

p(2)-W(L2)Q

,⑶”(1,3)=

：2(l,X)oo

p(&)・w(l,R)=1

a=f(yv*p+b')

图4.4TBP神经元

一个岩土工程问题中的土性参数等与其内力、变形间的关系显然也是

一种非常复杂的非线性隐函数，所以完全有可能用人工神经网络来模拟此

种复杂的非线性关系，从而准确预测基坑变形。而且作为比较成熟的算法，

MatIab中有神经网络工具箱，这样就可以借助MatIab神经网络工具箱的强

大功能，从繁琐的编程工作中解脱出来，大大提高工作效率。

监测系统在地连墙体中布置了测斜管，所有孔的测试情况都是类似的，

一般每隔1m测读一次数据，并采用自下而上的数据处理方法，孔口数据再

通过经纬仪测读数据校正，以保证监测数据的精度，减小刚体位移的影响。

考虑到计算工作量以及实际工作时间的要求，预测数据以每孔为单位，每

相邻两个深度构成一个训练文件，并建立相应的训练模型。本项研究工作

的基本程序如下：

⑴每期测斜孔数据的初步分析及数据库的建立；

⑵建立训练样本、测试样本、预测样本数据文件；

⑶样本训练、测试，并建立训练模型；

⑷模型预测分析；

⑸编制预测报告。

网络结构如图4.4-2,输入层有6个神经元（每个深度取前3天的监测

结果预测第四天的位移），输出层有2个神经元，对应变形值，隐层神经元

个数依据样本学习情况实验确定。这样每孔的神经网络模型在30至35个左

右。每次完成预测成果的时间需要24至48小时。

图4.4-2多步预测神经网络结构

4.5基坑开挖施工正装模拟分析

4.5.1影响基坑开挖过程围护结构变形因素的分析

地连墙基坑由于其围护方式的空间特殊性，通常情况下都会发生大变形,

所以对于其围护结构的选择需慎重考虑。在深基坑工程中，在外围土体出

现高水位和较厚砂土层时需考虑采用地连墙作为基坑的围护结构。其开挖

方式一般采用横向分区，纵向分层的开挖方式。基坑施工前，了解各种土

层及围护结构的受力特征以及如何按照基坑特点选择合理围护结构，这是

控制基坑变形和围护有效的必要前提。深基坑工程在施工过程中具有明显

的时空效应，支护不及时，围护结构施工缺陷等都会导致基坑产生过大变

形，甚至出现基坑周围土体坍塌，严重影响工程的施工及后期使用。

本工程共包括两部分围护结构，即地下连续墙和内衬。地下连续墙下部

嵌固在中风化岩层中，嵌入深度10m~20m;内衬分为两部分，0m~6m深度范

围内其厚度为1.5m,6m以下范围内其厚度为2m。由于该深基坑工程规模较

大，数值分析时在保证计算精度的基础上，需对三维模型和施工步骤做一

些必要的简化，使得数值模拟工作的可行性得到满足。

4.5.2深基坑三维有限元模型

地下连续墙围护结构在基坑未开挖前需施工建成；开挖方式选择单层平

挖，且开挖完成后加设该层内衬，依次顺序类推，直至完成所有施工步。

参考水文地勘资料选取岩土参数，结合该地下连续墙深基坑的特征建立三

维有限元数值分析模型，对该基坑进行数值模拟分析，为其后续施工、设

计提供一些理论辅助作用。

岩土工程的数值分析就是以简单的物理模型区描述复杂的工程问题，再

将其转化成数学问题并用数学方法求解。将岩土材料视为多相体，采用连

续介质力学模型分析岩土工程问题一般包括下述方程：（1）运动微分方程

式（包括动力和静力两大类）；（2）总应力、有效应力和孔隙压力之间的关

系方程（有效应力原理）；（3）连续方程（总体积变化为各相体积变化之和）；

（4）几何方程（包括小应变分析和大应变分析两大类）；（5）本构方程，

即为力学和渗流本构方程。对不同岩土工程中的问题，基本方程中运动微

分方程、有效应力原理、连续介质关系和几何解析关系的表达式是相同的，

不同的是本构关系、边界和荷载条件。本文使用MIDAS/GTS4.0版本对基

坑进行三维数值模拟并分析该基坑各区段在各工况下的应力应变关系。

4.5.2.1基坑三维数值分析模型

数值分析工作中，首先建立该基坑的三维有限元分析模型，在建立有

限元模型时，第一步建立几何模型，同时对几何模型中各单元组定义基本

属性，然后划分结构网格，按照所要分析的工况设置施工阶段，最后进行

有限元数值计算，具体建立和计算模拟的过程见图4.5-1o

实体_____定义网格划分_一定义施「________分收敛结果

组设置属性及赋属性阶段析输出

图4.5T数值模拟抽象简图

计算时，每步开挖计算迭代次数设置30次，如若30次内计算收敛，

则进行下一步开挖计算；如若30次内不能收敛，则跳出计算截面，重新对

模型进行修改，直至计算结果收敛为止。按照该过程对每步开挖进行数值

计算，最终得到所有基坑开挖步的有效计算结果。

在建立三维数值分析模型时，考虑该基坑的开挖方式、支撑类型、围

护结构变形特征以及相邻结构尺寸大小等各种因素，避免导致计算不收敛

的网格质量不高，节点不耦合等等原因，可将节点的控制准则采取以下措

施：

(1)刚度变化处建立节点，同时避免多余节点的产生；

(2)岩土边界处建立节点，同时防止建立节点的悬空；

(3)荷载作用处建立节点；

(4)应力变化较大处建立节点；

(5)结构或岩土形状变化处建立节点；

(6)需要输出结果处建立节点；

(7)建立的所有节点必须与周围相邻节点达到耦合。

对于单元的网格划分需注意一下几点:

(1)次级单元粗略划分网格，以控制单元总数的上限要求；

(2)开挖土体周围网格划分需加密，以保证计算精度的要求；

(3)多维结构相交部位需要细分网格；

(4)存在不规则边界的部位需要细分网格；

(5)土层之间，土体与面单元需设置接触单元以优化网格。

根据以上的规定，对锚碇基坑工程进行数值分析建模。结合工程施工

实际情况，为方便分析，参考已有基坑数值分析研究成果，模型作如下假

定：

(1)同一标高水平下的土层相同，(除风化岩层)无横向差异，纵向分

层定义各层土的各自属性；

(2)地连墙结构等效扩展为纵向板结构；

(3)忽略同一种单元群内各单元属性的差异，定义为相同属性；

(4)不同标高范围内衬砌均以异型梁板结构八节点单元等效，将计算

精度保证为最优；

(5)开挖土层划分在纵向分层的基础上，横向分区段一步开挖。

根据地质勘查报告以及基坑设计图纸，地连墙基坑的预案设计的土层

共分为8层，自上而下的顺序为：淤泥、淤泥质黏土、粉砂、中砂、粗砂、

强风化泥岩、中风化岩和微风化岩。除岩层外，各土层均以平面性质分界

面进行区分。同时，由于围护结构的嵌固端在风化岩层中，故将强风化泥

岩与中风化岩的界面模拟为实际界面模式。为了对该基坑工程的最大化仿

真实现，数值模型中将淤泥层厚度设定为2m;淤泥质粘土层厚度设置为5m;

粉砂、粗砂和中砂层厚度均设定为6m;强风化泥岩层厚度设定为

中风化岩层厚度设定为7~24m;微风化岩层厚度15~20m。

根据施工地形，模型的边界状态较简单，模型顶面为地面，取自由面。

模型四个侧面限制水平方向的位移，底部限制竖直方向的位移。该模型的

荷载条件主要是由于初始自重应力场产生。另外，计算过程中考虑了基坑

周围的填土荷载，200t履带吊荷载及塔吊荷载。竖直方向的荷载由上覆各

土层及水的重度提供，水平方向的荷载由侧面土体的侧面主动土压力提供，

即土体自重引起的土压力（Yhk）、粘聚力引起的负侧压力（20^/2）及静水

压力（y/?）之和。计算力学模型选用摩尔-库伦弹塑性模型。

此外，河涌大堤距离基坑50m左右，其对基坑的影响主要是抬高基坑

附近地下水位，造成静水压力增大，在数值计算过程中已充分考虑了水压

力荷载对地连墙支护结构的影响。

为了满足计算精度的要求，在计算区域上需要考虑足够的计算范围。

由工程概况、围护体系支护体系综合判定，最终确定建立计算模型为：长

240m,宽240m,深度为80m。考虑到施工成槽误差使相邻槽段的搭接发生

误差，计算时墙厚折减为1.3m。模型共划分单元36000个，节点总数为

110000个。

基坑整体网格模型和围、支护网格模型见图4.5-2、图4.5-3和图

4.5-4o

图4.5-3支护结构网格图

0.00044.22688453132.679176905

图4.5-4异型土层局部网格图

有限元模型中，混凝土材料按照规范赋值，岩土层厚度及力学参数皆

根据《**二桥详勘报告（西锚碇）》赋值。计算模型中本构方程所需的物理

力学参数详见表4.57、表4.5-2o

表4.57土体参数指标

弹性模量（kN/泊松摩擦角内聚力天然重度（kN/

土层

m2）比（度）(kN/m2)m3）

淤泥300000.33515.4

淤泥质土500000.275816.5

粉砂800000.2318019

中砂1200000.2425019.5

粗砂2000000.2228018.8

强风化泥

5000000.19205019.99

岩

中风化岩10000000.173045020.5

微风化岩14000000.153560020.7

表4.5-2围护结构力学参数指标

结构弹性模量(kN/m2)重度(kN/m3)泊松比

地连墙3.0E7250.2

内衬3.0E7250.2

4.5.2.3深基坑施工影响特征分析

根据设计图纸，**二桥西锚碇基坑工程的施工工况如图4.5-5所示。

基坑开挖过程中，土体的卸载和内衬的架设将直观反应为基坑的水平变形

和竖向变形两方面。为分析在既定围护结构条件下对基坑施工响应，确定

施工引起的基坑土体及围护结构的受力和变形特性，对以上建立的模型进

行系统的数值分析。

利用MIDAS/GTS4.0有限元分析软件附带施工阶段计算方法计算，分

别按照图4.5-5所示施工过程进行模拟施工，并获得了该基坑模型中支撑

结构、围护结构和土体的应力应变、内力和位移变形结果。

开挖面

工况1

开挖面

工况4工况5工况6

图4.5-5基坑纵向施工过程顺序图(图中蓝色部分为衬砌)

经数值分析后，可得各结构的应力、应变数值计算结果，现提取部分

具有代表性的主要计算结果见图4.5-6o

(a)竣工后土体X方向位移云(b)竣工后土体Y方向位移云

图图

(d)竣工后围护结构X方向位移

(c)竣工后土体应力云图

云图

(e)竣工后围护结构Y方向位

(f)竣工后围护结构应力云图

移云图

(g)竣工后土体竖直方向位移云图

图4.5-6基坑三维数值模拟计算成果图

图4.5-6中a和b为基坑嫉工后土体的位移状况。由图可知，土体在

开挖完毕后，在基坑围护作用下的X方向水平位移最大值为13.6mm,Y方

向最大水平位移为11.9mm,发生在履带吊和塔吊综合作用部位，从c可以

明显看出，该加载圈产生了较为明显的局部高应力水平。该部位的形变量

对土体以及围护结构的应力应变状况均造成不利影响，但由于本工程围护

结构的安全度较高，则整个基坑的稳定性良好。

f为开挖结束后的地连墙应力云图.从图中可以看出，围护结构中间部

位出现明显的应力集中现象。由d和e可以看出该部位对应的水平位移也

最大，X方向最大水平位移为6.18mm,Y方向最大水平位移为3.64mm。

从整个围护结构变形来看，其水平位移较小，而顶部水平位移随着基

坑开挖深度的增加而增大，且逐渐收敛为△max(2/3),造成该现象的主要

原因是由于该部位基坑的上部处于无撑裸空状态，在土体开挖卸载后，上

部侧土压力的作用效果较为显著。另一方面，由于围护结构的连续性较强，

整体刚度相对较大，顶部的位移由邻近支撑得到部分控制，底部位移由墙

体的纵向嵌固而使其发展也较缓慢，只有墙身中部位置的相对自由能力强，

所以最终会造成该部位的水平位移累计量较纵向其他位置明显。从图

4.5-6中g基坑的竖直方向位移云图可以看出，基底隆起的最大量集中于

开挖区底部，且该处存在明显不均匀隆起。根据数值计算结果，发现基坑

底部隆起符合M曲线型规律，即隆起最大值发生在介于坑底周边和坑底中

心的环形区域。了解基坑变形的大致情况后，从数值模拟计算结果中提取

基坑相关部位的位移值，量化地对基坑变形特征进行研究。

(b)广-虎方向围护结构截面单

(a)虎-广方向围护结构截面单

元应力

元应力

(c)垂直虎-广方向围护结构截(d)垂直广-虎方向围护结构截

面单元应力面单元应力

图4.5-7围护结构截面处的内力云图

4.5.3数值模拟计算结果与分析

4.5.3.1计算工况分析说明

该数值模拟基坑开挖共设置9个工况，每个工况基坑开挖深度为3m。

下层土开挖前需采用内衬对上层已开挖土体进行支护。图4.5-8为工况1

下基坑各部分数值计算云图。

(a)土体X方向位移云图(b)土体Y方向位移云图

(c)土体X方向应力云图(d)土体Y方向应力云图

')uc:Xft>n<*>.

(e)围护结构X方向位移云图(f)围护结构Y方向位移云图

二

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