0 引言

　　随着城市经济迅猛发展，地上空间已日趋饱和。在此背景下，人们对地下空间的利用需求日益提高，出现了越来越多深基坑^[1]。

　　深基坑、超深基坑施工过程中，传统的顺作法施工往往面临施工难度大、施工效率低且安全难保证等难题^[2]。近年来，逆作法施工技术应用范围越来越广，国内外学者对此展开大量研究，如Drummond等^[3]基于大量工程实例数据，采用抽样树的贝叶斯进化分析法进行研究，研究表明:顺作法相比于逆作法，基坑开挖会导致更大土体位移;曾晓晓等^[4]通过上海地区多个软土逆作法基坑监测数据，研究了支护结构水平位移极值与开挖深度的关系;康志军等^[5]依托上海市地铁工程项目，研究了软土地层下逆作法施工对深基坑变形规律及周边环境响应规律;苏世凯^[6]基于国内若干逆作工程实例，探讨了超高层深基坑坑边逆作法施工中的关键技术;施斌^[7]以某商业办公楼为例，考虑了降雨因素的影响，针对城市深基坑逆作法施工设计并制定了相应对策;苏洁等^[8]以北京地铁4号线工程施工为例，研究采用盖挖逆作法施工时地铁车站结构变形规律及其控制措施;王美华等^[9]针对上海地铁基坑工程，在逆作法施工过程中采取主体结构与支护结构相结合的模式，解决了超大型深基坑施工的一些关键施工技术;李新刚^[10]提出了软土深基坑逆作法桩柱一体化施工技术，有效降低了施工成本。尽管现有研究表明逆作法施工技术在基坑工程中得到了有效应用，但该技术仍需更多实际工程项目来得到进一步发展和完善。此外，少有研究采用数值模拟方法对逆作法施工全过程进行模拟。

　　鉴于此，以湖南旺旺医院(二期)———医疗大楼扩建工程(以下简称“湖南旺旺医院(二期)”)大型基坑开挖为工程背景，提出了“先顶后底”全逆作法施工技术，借助有限元对每个施工工况进行精准建模，并分析逆作法施工完成后基坑邻近建筑的位移沉降。

　　1 工程概况

　　湖南旺旺医院(二期)项目位于长沙市芙蓉区万家丽路和人民路交会处的东南角。基坑北侧为一期医疗大楼，东侧为一期综合大楼，南侧为省军区樟木坝干休所，西侧为万家丽中路。医疗大楼为20层，檐口高97.30m，地下7层，建筑面积约6万m²，为框架-剪力墙结构，总荷载为12 000k N/柱，建筑物等级为二级。

　　根据勘察资料，拟建场地自上而下分布有人工填土、植被层、粉质黏土、夹带含有机质的粉质黏土、中砂、圆砾、强风化及中风化泥质砂岩等地层。主要力学参数如表1所示。

　　表1 地基场地物理力学参数 

　　表1 地基场地物理力学参数

　　2“先顶后底”全逆作法施工技术

　　“先顶后底”全逆作法施工技术即在地下结构施工的同时进行上部结构施工。根据工程实际进度，在上部结构施工封顶后，地下室梁板继续施工。采用“一柱一桩”及格构柱体系须满足先封顶、后封底施工工艺的需求。其优点如下。

　　1)采用梁板作为内支撑可有效控制基坑变形并提高基坑稳定性，有利于保护周边环境。

　　2)本方案考虑在逆作地下室结构时同步完成地上结构，实现上、下同步施工，可大大加快地上结构施工进度，缩短总工期。

　　3)地下室结构梁板作为水平支撑体系代替临时围护结构，地下连续墙与立柱桩和钢立柱作为正常使用阶段的地下室外墙、工程桩及框架柱的设计形式，具有明显的经济性。

　　2.1 施工设计

　　采用地下连续墙作为基坑周边围护体，其既作为基坑围护结构起到挡土和止水作用的同时，又作为正常使用阶段地下室结构外墙，称为“两墙合一”。地下连续墙具有抗侧刚度大、可有效控制基坑变形保护周边环境及施工工艺成熟等诸多优势。

　　1)水平支撑系统以地下室各层结构梁板作为基坑开挖阶段的水平内支撑。其支撑刚度大，对水平变形的控制极有效，对周边环境保护有利，同时也避免了临时支撑拆除过程中围护墙的二次受力和二次变形对环境造成的进一步影响;最大优势在于避免了大量临时支撑的设置和拆除，具有较明显的经济优越性，对资源节省和环境保护意义重大。

　　2)首层楼面作为施工平台利用首层结构梁板作为施工机械的挖土平台及车辆运作通道，可有效解决基地周边施工场地狭小的问题。各层结构梁板均匀预留较大出土口，对逆作施工阶段的出土带来极大方便，有利于加快施工进度、缩短工期。

　　2.2 施工技术难点

　　1)基坑开挖深度为32m，属于深基坑工程。深基坑工程实施过程中受到基坑开挖、地下水、大气降水及施工动荷载等不确定因素的影响，在本地区水量丰富、渗透性较强的地层中开挖此基坑存在一定风险。

　　2)基坑位于医院内部，周边已有建(构)筑物较多且与基坑距离较近，周边环境保护要求高。

　　3)地下室外墙紧邻建筑红线，场地内施工场地较小。

　　4)业主对地下空间的利用和施工工期提出了较高要求，希望最大化利用基坑作为地下室空间。

　　2.3 施工关键技术

　　根据工程特点，提出“先顶后底”全逆作法施工方案，基坑整体采用逆作法施工，逆作施工阶段同步完成地上20层结构施工，基坑周边采用“两墙合一”的地下连续墙作为围护体，利用地下结构梁板作为水平支撑，采用“一柱一桩”(钢立柱结合柱下钻孔灌注桩)作为竖向支撑构件承受施工阶段结构自重和施工荷载。地下7层从上至下层高分别为5.1,5.1,3.0,3.0,6.0,6.0,2.5m，现场将地下3层与地下4层合为一体一次性开挖，先逆作施工地下4层，再顺作施工地下3层;地下6层与地下7层合为一体一次性开挖，先施工底板，再施工地下6层。即现场按地下5层进行土石方开挖。主要分为8个施工工况。

　　1)工况1采用三轴搅拌等工艺加固土层内槽壁土体;施工地面导墙;钻抓结合施工地下连续墙的同时，采用“一柱一桩”施工至地下1层板底，地下1层板底以上为空桩。

　　2)工况2顺作露天开挖土方至地下1层梁底标高处;中间区域采用盆式继续开挖至控制标高;地模加支模施工地下1层结构梁板，并与地下连续墙连接。

　　3)工况3地下1层施工完成后向上施工地下室顶板结构梁板。

　　4)工况4向下开挖土方至控制标高，施工地下2层结构梁板，上部结构向上继续施工至设计控制楼层。

　　5)工况5向下开挖土方至控制标高，施工地下3层结构梁板，上部结构向上继续施工至设计控制楼层。

　　6)工况6向下开挖土方至控制标高，施工地下4层结构梁板，上部结构向上继续施工至设计控制楼层。

　　7)工况7向下开挖土方至基础底部标高，施工地下室底板，上部结构向上继续施工至设计控制楼层。

　　8)工况8施工至地下5层梁板结构、壁柱、内衬墙及钢管柱外包混凝土，上部结构向上继续施工至设计控制楼层。地下室主体结构施工完毕。

　　3 数值模拟分析

　　3.1 计算模型

　　计算本构模型选择既可适用于软土也适用于较硬土层的等向硬化弹塑性模型(HS)，该模型应用于基坑开挖分析时具有较好的精度。

　　3.2 模型参数及接触面单元选取

　　1)计算模型参数如表1所示，由于HS模型还涉及临界破坏比、参考应力、侧压力系数等非常规参数，可由对类似性质土体的大量监测数据及试验数据反演分析得到。

　　2)围护结构采用梁单元，相应的截面积与惯性矩等几何参数按每延米宽度等效计算。而支撑构件采用弹簧单元，其刚度按设计的支撑布置情况进行计算。

　　3)围护结构与土体的相互作用采用接触面来模拟，该接触面单元切线方向服从莫尔-库仑破坏准则。

　　3.3 网格划分及边界条件设立

　　采用自适应网格划分技术建立计算模型。模型底部采用完全约束条件，即约束竖向和水平位移;左、右边界约束水平位移。根据“先顶后底”全逆作法施工工艺，在数值模拟中可进一步细分为10个模拟工况。

　　3.4 有限元模拟施工工况(见图1)

　　1)工况1计算已有建筑物对初始地应力场的影响。

　　2)工况2计算地下连续墙及“一柱一桩”施工对初始地应力场的影响。

　　3)工况3第1批土方开挖至地下1层底板并施工地下1层底板。

　　4)工况4施工1层底板。

　　5)工况5第2批土方开挖至地下2层底板并施工地下2层底板。

　　6)工况6第3批土方开挖至地下4层底板并施工地下3层及地下4层底板，地上结构施工2～5层。

　　7)工况7第4批土方开挖至地下5层底板并施工地下5层底板，地上结构施工6～9层。

　　8)工况8第5批土方开挖，地上结构施工10～13层。

　　9)工况9第6批土方开挖至坑底，地上结构施工14层至封顶。

　　10)工况10先后施工地下室底板(地下7层底板)、地下6层底板，基坑逆作实施完成。

　　4 计算结果

　　基坑逆作实施完成位移云图如图2所示。由计算结果可知，基坑开挖深度32m，逆作工况完成时，北侧地下连续墙最大水平位移为14.2mm，南侧地下连续墙最大水平位移为15.2mm。北侧一期医疗大楼最大水平位移为2.4mm(向坑内侧)、最大竖向位移为8.3mm(沉降)，南侧住宅楼最大水平位移为4.9mm(向坑内侧)、最大竖向位移为7.6mm (沉降)。

　　图1 有限元模拟施工工况  

　　图2 基坑逆作实施完成时位移云图  

　　从整个周期的实际监测情况来看，去除观测误差的影响，基坑南侧累计沉降最大值为-7.24mm，基坑北侧累计沉降最大值为-7.97mm，与数值模拟结果较接近，表明有限元模拟计算结果的合理性与科学性，能为现场施工提供有效指导。

　　根据模拟计算结果，结合GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》^[11]和CCES 03—2016《城市软土基坑与隧道施工队邻近建(构)筑物影响评价与控制技术指南》^[12]可知，基坑最大水平位移和最大竖向位移均在警报值以内(±(25～30) mm)，且变化速率未超过报警值±(2～3) mm/d。故本文所提出的“先顶后底”全逆作法施工方案能保证基坑开挖对邻近建(构)筑物位移的影响在可控制范围内，达到设计的稳定性要求。

　　5 结语

　　以旺旺医院(二期)项目为依托，基于有限元软件，对超大深基坑施工关键技术进行数值模拟，结论如下。

　　1)采用“先顶后底”全逆作法施工技术能显著提高施工效率、缩短工期。

　　2)基于数值模拟的全逆作法基坑施工，其计算最大位移值与实测值较接近，且均未超过警报值，能有效将施工对土体沉降的影响控制在安全范围内。

　　3)在实际施工过程中，为确保施工安全，建议加强对邻近建(构)筑物及埋设管线的监测工作。