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摘要：通过模拟计算，研究传统逆作法和跃层逆作法在南宁某地下车库中对基坑变形和稳定的影响。研究表明，较传统逆作法，跃层逆作法在最不利工况下，整体计算和单元计算模拟结果各项目变化趋势相同，单元计算结果偏于安全，整体计算结果较单元计算结果稍小；基坑整体稳定性变化不大，坑底隆起失稳性降低，但对抗倾覆能力有一定影响；地下连续墙最大弯矩和变形发生在最底层支撑至坑底的连续墙中部，最大弯矩约为传统逆作法下的1.5倍，最大变形约为1.5~2倍。
关键词：跃层逆作法；土方施工；基坑稳定性
中国分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：
Abstract：Through simulation computation, research of the traditional top-down and jump-layer top down method effect the deformation and stable of an underground foundation pit in Nanning. Analysis show that, comparing with traditional top-down method, using the jump-layer top down method under the most unfavorable conditions: the calculation and simulation results of whether the whole or unit have the same change tendency in each item. The calculation results are on the safe side. The calculation results of whole are slightly small than unit’s. Integral stability of foundation pit changes little, bottom heave instability is depressed, but it influence of the ability of resisting overturning. The maximum bending moment and deformation of diaphragm wall are both occurred in the middle of the diaphragm wall of foundation bottom and the bottom support, the maximum bending moment are about 1.5 times to traditional top-down method, and the maximum deformation are about 1.5~2 times.
Key words: jump-layer top down method; earthwork construction; stability of foundation pit
引言
逆作法是基坑开挖常用的一种施工方法，利用主体结构顶、中板作为支撑，减小围护结构的变形和地面沉降[1-2]。跃层逆作法是对传统逆作法的一种改进，其基本原理是在适当的地质环境条件下，根据设计计算结果，通过局部楼板加强以及适当的施工措施，在确保安全的前提下实现跃层超挖，即跳过一层或两层结构梁板的施工，实现土方施工的大空间化，提高施工效率[3]。
由于跃层逆作法取消了一层梁板支撑，对上层梁板及围护结构的结构强度和变形控制提出了更高的要求，基坑稳定性将会受到较大影响。目前国内对传统逆作法施工的研究较为成熟[4-8]，但对跃层逆作法下基坑稳定计算的研究鲜有报道。本文结合南宁某地下车库基坑工程，对采用跃层逆作法后的基坑稳定性进行计算分析，以期为类似基坑工程的设计计算提供参考。
1工程概况
南宁市某工程位于南宁市城市交通重要节点位置，南侧为城市道路，东侧为某大桥引桥，西北侧为一高层建筑，整个场地呈扇形（如图1所示）。工程设3层地下停车场，地下室深度约15 m，原采用传统逆作法，以地下连续墙作为支护结构，建筑梁、板、柱作为内支撑结构，基坑安全等级为一级。受某些因素的影响，工程亟待加快施工进度，拟采用跃层超挖，变更设计为开挖至负一层后，浇筑该层底板和顶板，然后直接开挖至负三层位置再进行其他层楼板的浇筑，按此，内支撑结构较原设计少了负二层的梁板，基坑的稳定性将会降低。
2工程地质及水文地质条件
根据钻探深度范围内揭露的岩土层分布，结合室内土工试验，场地岩土层分布及主要参数从上到下依次分述如表1所示。场地有两层地下水，第一层地下水赋存于杂填土层中，水量小，无统一水位。第二层地下水赋存于⑥细砂及⑦圆砾层中，属孔隙潜水，其透水好，稍具承压性，稳定水位标高约为70.3 m。据南宁市多年地下水动态观测资料，场地地下水位年变化幅度约为3 m。根据南宁市水文地质条件，各岩土层的渗透系数如表1所示。
表1土层分布及主要参数表
3计算分析
3.1场地划分
该基坑东侧5 m处为某大桥引桥，基坑南侧为机械施工及土方运输道路，考虑这两面有附加荷载的影响，并结合工程詳细勘察资料，现将场地划分了3个支护分区（Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区），划分结果如图1所示。
图1支护区划分以及墙、立柱划分图
3.2模拟计算
支护体系在各种荷载的作用下，存在着不同的失稳模式，对于基坑支护体系，可看成由倾覆失稳、坑底隆起失稳、整体失稳3种主要失稳模式所组成的串联体系。本次采用北京理正深基坑计算软件对基坑的稳定行进行模拟分析，分析包括整体计算模拟和单元计算模拟。其中单元计算根据分区情况，取3个单元进行计算，每个单元参数取值对应于3个支护分区的情况。两者内力计算方法均采用增量法，周边均没有放坡，超载的施加方式为：
（1）1-1剖面拟施加东侧桥荷载对基坑的影响，荷载施加部位距基坑5 m，从地面至基坑底深度每隔2 m施加一个，每个荷载大小为10 kPa，作用宽度为7 m；
（2）2-2剖面拟施加施工荷载对基坑的影响，荷载施加部位为距基坑3 m处的地面，每个荷载大小为20 kPa，作用宽度为6 m。
3.3整体计算模拟结果分析
研究对最不利工况下各结构的内力、变形进行计算分析。计算结果显示，基坑开挖至坑底时对基坑最不利。分别计算获得传统逆作法及跃层逆作法在最不利工况下的连续墙竖向弯矩图和位移变形图（如图2、图3所示）。
（1）传统逆作法 （2）跃层逆作法
图2 最不利工况下连续墙竖向弯矩图
（1）传统逆作法 （2）跃层逆作法
图3最不利工况下连续墙变形图
从计算结果获得最不利工况下地下连续墙竖向最大弯矩值、最大变形值（如表2所示）。
表2 整体计算各剖面弯矩变形值表
由图3及表2可见，传统逆作法及跃层逆作法下各支护分区地下连续墙最大的竖向弯矩和位移均分布在最后一道支撑和基坑底之间墙段的中部；采用跃层逆作法时，Ⅰ~Ⅲ分区最大弯矩分别达到1798 kN•m、1775kN•m和1650 kN•m，约为传统逆作法的1.5倍；而各分区最大变形则分别达到22.99 mm、22.99 mm和18.16 mm，是传统逆作法的将近2倍。
3.4单元计算模拟结果分析
分别對传统逆作法和跃层逆作法下3个支护分区对应的单元进行了计算分析，计算内容包括结构计算、截面计算、整体稳定性验算、抗倾覆验算和抗隆起验算。以典型Ⅰ支护分区为例，整体稳定性验算、抗倾覆验算和抗隆起验算结果如表3所示。
表3 单元计算各项验算统计表（Ⅰ区）
由表3可知，较传统逆作法，跃层逆作法下基坑整体稳定性变化不大，抗倾覆稳定性下降了22%，抗隆起稳定性有所上升，三项验算得出安全系数均超过规范规定的安全系数，即各项验算均满足要求。
单元计算结果表明，最不利工况和整体计算相符，即基坑开挖至坑底时基坑处于最不利状态，故只对最不利工况进行分析，对传统逆作法及跃层逆作法（以典型Ⅰ支护分区为例），通过弹性支点法计算分析其内力及变形（如图4、图5所示）。
图4 Ⅰ区单元计算内力变形图（传统逆作法）
图5Ⅰ区单元计算内力变形图（跃层逆作法）
由图4及图5可以看出，最大变形、最大弯矩均发生在最后一道支撑和基坑底之间墙段的中部，与整体结构计算相符合。通过该方法，计算得出最不利工况下，传统逆作法及跃层逆作法各分区单元最大弯矩和变形值（如表4所示）。
表4各单元计算最大值统计表
由表4可见，最不利工况下，跃层逆作法较传统逆作法最大竖向弯矩变化较大，Ⅰ~Ⅲ分区分别达到1830 kN•m、1994 kN•m及1959 kN•m，为传统逆作法的约1.5倍，其中变化最大的Ⅱ分区最大弯矩达到传统逆作法的153.3%；而各分区最大变形分别达到31.29 mm、36.43 mm和32.16 mm，为传统逆作法的150%以上，其中变化最大的Ⅰ分区最大位移较达到传统逆作法下的165.6%。
3.5整体计算和单元计算模拟分析对比
整体计算和单元计算结果表明，单元计算结果中墙体的最大竖向弯矩和变形较整体计算结果要大，跃层超挖后整体计算最大变形22.99 mm，单元计算最大变形36.43 mm，单元计算比整体计算大约50%，但两者均未超过规范要求的报警值50 mm；变更后整体计算最大弯矩1798 kN•m，单元计算最大弯矩1994 kN•m，单元计算结果与整体计算结果相差不大，且均小于弯矩控制值3000 kN•m。
4结论
通过上述分析可见，该基坑开挖方式变更为跃层超挖逆作法后，支护结构不会发生整体稳定性和倾覆破坏，基坑隆起量和墙体位移量、弯矩值均满足规范及设计要求，并得出以下结论：
（1）整体计算和单元计算各项目模拟结果变化趋势相同，单元计算结果偏于安全，整体计算结果较单元计算结果稍小，设计时可以单元计算结果为主要参考，使基坑偏于保守安全。
（2）采用跃层超挖逆作法后，基坑整体稳定性变化不大，坑底隆起失稳性降低，但抗倾覆能力降低22%，设计及施工过程中应注重对基坑倾覆的预防和监测。
（3）传统逆作法和跃层超挖逆作法最不利工况均为开挖至坑底时的情况，地下连续墙最大弯矩和变形均发生在最底层支撑至坑底的连续墙中部。采用跃层超挖逆作法时支护结构最大弯矩约为传统逆作法的1.5倍，最大变形约为1.5~2倍。故采用跃层超挖逆作法设计时，应充分考虑对支护结构抗弯刚度及变形控制的要求。
参考文献
[1]元翔,孙玉永.宫全美,等. 世博轴深大基坑逆作法施工变形控制研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(7)：1127-1132
[2]冯海涛,王祺国,钟铮,等. 跃层逆作法在某深基坑工程中的应用[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊1):271-274.
[3]李定江,钟铮,等. 深基坑工程汇总跃层逆作法关键技术研究[J]. 建筑施工, 2009,31(5): 313-315.
[4]玛海涛,陈华,等. 跃层逆作法高效取土工艺的研究[J]. 建筑施工, 2009,31(5): 316-318.
[5]范庆国,赵锡宏. 深基坑工程逆作法的理论与计算[J]. 岩土力学, 2006, 27(12):2167–2176.
[6]徐营营,徐中华,土建华,等. 采用逆作法的超大刑深基坑三维有限元分析[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(5): 789-792.
[7]王美华,季房. 超大而积深基坑逆作法施工技术的探词[J]. 地下空间, 2005, 1(4):599-602.
[8]徐至均,赵锡宏. 逆作法设计与施工[M]. 北京机械工业出版社, 2002.
关键词：跃层逆作法；土方施工；基坑稳定性
中国分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：
Abstract：Through simulation computation, research of the traditional top-down and jump-layer top down method effect the deformation and stable of an underground foundation pit in Nanning. Analysis show that, comparing with traditional top-down method, using the jump-layer top down method under the most unfavorable conditions: the calculation and simulation results of whether the whole or unit have the same change tendency in each item. The calculation results are on the safe side. The calculation results of whole are slightly small than unit’s. Integral stability of foundation pit changes little, bottom heave instability is depressed, but it influence of the ability of resisting overturning. The maximum bending moment and deformation of diaphragm wall are both occurred in the middle of the diaphragm wall of foundation bottom and the bottom support, the maximum bending moment are about 1.5 times to traditional top-down method, and the maximum deformation are about 1.5~2 times.
Key words: jump-layer top down method; earthwork construction; stability of foundation pit
引言
逆作法是基坑开挖常用的一种施工方法，利用主体结构顶、中板作为支撑，减小围护结构的变形和地面沉降[1-2]。跃层逆作法是对传统逆作法的一种改进，其基本原理是在适当的地质环境条件下，根据设计计算结果，通过局部楼板加强以及适当的施工措施，在确保安全的前提下实现跃层超挖，即跳过一层或两层结构梁板的施工，实现土方施工的大空间化，提高施工效率[3]。
由于跃层逆作法取消了一层梁板支撑，对上层梁板及围护结构的结构强度和变形控制提出了更高的要求，基坑稳定性将会受到较大影响。目前国内对传统逆作法施工的研究较为成熟[4-8]，但对跃层逆作法下基坑稳定计算的研究鲜有报道。本文结合南宁某地下车库基坑工程，对采用跃层逆作法后的基坑稳定性进行计算分析，以期为类似基坑工程的设计计算提供参考。
1工程概况
南宁市某工程位于南宁市城市交通重要节点位置，南侧为城市道路，东侧为某大桥引桥，西北侧为一高层建筑，整个场地呈扇形（如图1所示）。工程设3层地下停车场，地下室深度约15 m，原采用传统逆作法，以地下连续墙作为支护结构，建筑梁、板、柱作为内支撑结构，基坑安全等级为一级。受某些因素的影响，工程亟待加快施工进度，拟采用跃层超挖，变更设计为开挖至负一层后，浇筑该层底板和顶板，然后直接开挖至负三层位置再进行其他层楼板的浇筑，按此，内支撑结构较原设计少了负二层的梁板，基坑的稳定性将会降低。
2工程地质及水文地质条件
根据钻探深度范围内揭露的岩土层分布，结合室内土工试验，场地岩土层分布及主要参数从上到下依次分述如表1所示。场地有两层地下水，第一层地下水赋存于杂填土层中，水量小，无统一水位。第二层地下水赋存于⑥细砂及⑦圆砾层中，属孔隙潜水，其透水好，稍具承压性，稳定水位标高约为70.3 m。据南宁市多年地下水动态观测资料，场地地下水位年变化幅度约为3 m。根据南宁市水文地质条件，各岩土层的渗透系数如表1所示。
表1土层分布及主要参数表
3计算分析
3.1场地划分
该基坑东侧5 m处为某大桥引桥，基坑南侧为机械施工及土方运输道路，考虑这两面有附加荷载的影响，并结合工程詳细勘察资料，现将场地划分了3个支护分区（Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区），划分结果如图1所示。
图1支护区划分以及墙、立柱划分图
3.2模拟计算
支护体系在各种荷载的作用下，存在着不同的失稳模式，对于基坑支护体系，可看成由倾覆失稳、坑底隆起失稳、整体失稳3种主要失稳模式所组成的串联体系。本次采用北京理正深基坑计算软件对基坑的稳定行进行模拟分析，分析包括整体计算模拟和单元计算模拟。其中单元计算根据分区情况，取3个单元进行计算，每个单元参数取值对应于3个支护分区的情况。两者内力计算方法均采用增量法，周边均没有放坡，超载的施加方式为：
（1）1-1剖面拟施加东侧桥荷载对基坑的影响，荷载施加部位距基坑5 m，从地面至基坑底深度每隔2 m施加一个，每个荷载大小为10 kPa，作用宽度为7 m；
（2）2-2剖面拟施加施工荷载对基坑的影响，荷载施加部位为距基坑3 m处的地面，每个荷载大小为20 kPa，作用宽度为6 m。
3.3整体计算模拟结果分析
研究对最不利工况下各结构的内力、变形进行计算分析。计算结果显示，基坑开挖至坑底时对基坑最不利。分别计算获得传统逆作法及跃层逆作法在最不利工况下的连续墙竖向弯矩图和位移变形图（如图2、图3所示）。
（1）传统逆作法 （2）跃层逆作法
图2 最不利工况下连续墙竖向弯矩图
（1）传统逆作法 （2）跃层逆作法
图3最不利工况下连续墙变形图
从计算结果获得最不利工况下地下连续墙竖向最大弯矩值、最大变形值（如表2所示）。
表2 整体计算各剖面弯矩变形值表
由图3及表2可见，传统逆作法及跃层逆作法下各支护分区地下连续墙最大的竖向弯矩和位移均分布在最后一道支撑和基坑底之间墙段的中部；采用跃层逆作法时，Ⅰ~Ⅲ分区最大弯矩分别达到1798 kN•m、1775kN•m和1650 kN•m，约为传统逆作法的1.5倍；而各分区最大变形则分别达到22.99 mm、22.99 mm和18.16 mm，是传统逆作法的将近2倍。
3.4单元计算模拟结果分析
分别對传统逆作法和跃层逆作法下3个支护分区对应的单元进行了计算分析，计算内容包括结构计算、截面计算、整体稳定性验算、抗倾覆验算和抗隆起验算。以典型Ⅰ支护分区为例，整体稳定性验算、抗倾覆验算和抗隆起验算结果如表3所示。
表3 单元计算各项验算统计表（Ⅰ区）
由表3可知，较传统逆作法，跃层逆作法下基坑整体稳定性变化不大，抗倾覆稳定性下降了22%，抗隆起稳定性有所上升，三项验算得出安全系数均超过规范规定的安全系数，即各项验算均满足要求。
单元计算结果表明，最不利工况和整体计算相符，即基坑开挖至坑底时基坑处于最不利状态，故只对最不利工况进行分析，对传统逆作法及跃层逆作法（以典型Ⅰ支护分区为例），通过弹性支点法计算分析其内力及变形（如图4、图5所示）。
图4 Ⅰ区单元计算内力变形图（传统逆作法）
图5Ⅰ区单元计算内力变形图（跃层逆作法）
由图4及图5可以看出，最大变形、最大弯矩均发生在最后一道支撑和基坑底之间墙段的中部，与整体结构计算相符合。通过该方法，计算得出最不利工况下，传统逆作法及跃层逆作法各分区单元最大弯矩和变形值（如表4所示）。
表4各单元计算最大值统计表
由表4可见，最不利工况下，跃层逆作法较传统逆作法最大竖向弯矩变化较大，Ⅰ~Ⅲ分区分别达到1830 kN•m、1994 kN•m及1959 kN•m，为传统逆作法的约1.5倍，其中变化最大的Ⅱ分区最大弯矩达到传统逆作法的153.3%；而各分区最大变形分别达到31.29 mm、36.43 mm和32.16 mm，为传统逆作法的150%以上，其中变化最大的Ⅰ分区最大位移较达到传统逆作法下的165.6%。
3.5整体计算和单元计算模拟分析对比
整体计算和单元计算结果表明，单元计算结果中墙体的最大竖向弯矩和变形较整体计算结果要大，跃层超挖后整体计算最大变形22.99 mm，单元计算最大变形36.43 mm，单元计算比整体计算大约50%，但两者均未超过规范要求的报警值50 mm；变更后整体计算最大弯矩1798 kN•m，单元计算最大弯矩1994 kN•m，单元计算结果与整体计算结果相差不大，且均小于弯矩控制值3000 kN•m。
4结论
通过上述分析可见，该基坑开挖方式变更为跃层超挖逆作法后，支护结构不会发生整体稳定性和倾覆破坏，基坑隆起量和墙体位移量、弯矩值均满足规范及设计要求，并得出以下结论：
（1）整体计算和单元计算各项目模拟结果变化趋势相同，单元计算结果偏于安全，整体计算结果较单元计算结果稍小，设计时可以单元计算结果为主要参考，使基坑偏于保守安全。
（2）采用跃层超挖逆作法后，基坑整体稳定性变化不大，坑底隆起失稳性降低，但抗倾覆能力降低22%，设计及施工过程中应注重对基坑倾覆的预防和监测。
（3）传统逆作法和跃层超挖逆作法最不利工况均为开挖至坑底时的情况，地下连续墙最大弯矩和变形均发生在最底层支撑至坑底的连续墙中部。采用跃层超挖逆作法时支护结构最大弯矩约为传统逆作法的1.5倍，最大变形约为1.5~2倍。故采用跃层超挖逆作法设计时，应充分考虑对支护结构抗弯刚度及变形控制的要求。
参考文献
[1]元翔,孙玉永.宫全美,等. 世博轴深大基坑逆作法施工变形控制研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(7)：1127-1132
[2]冯海涛,王祺国,钟铮,等. 跃层逆作法在某深基坑工程中的应用[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊1):271-274.
[3]李定江,钟铮,等. 深基坑工程汇总跃层逆作法关键技术研究[J]. 建筑施工, 2009,31(5): 313-315.
[4]玛海涛,陈华,等. 跃层逆作法高效取土工艺的研究[J]. 建筑施工, 2009,31(5): 316-318.
[5]范庆国,赵锡宏. 深基坑工程逆作法的理论与计算[J]. 岩土力学, 2006, 27(12):2167–2176.
[6]徐营营,徐中华,土建华,等. 采用逆作法的超大刑深基坑三维有限元分析[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(5): 789-792.
[7]王美华,季房. 超大而积深基坑逆作法施工技术的探词[J]. 地下空间, 2005, 1(4):599-602.
[8]徐至均,赵锡宏. 逆作法设计与施工[M]. 北京机械工业出版社, 2002.