基于MIDAS GTS/NX 基坑開挖變形數值模擬分析

楊洪娜，段志宏，張 政，趙嘉輝，武 科

1.中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384；2.山東大學土建與水利學院，濟南 山東 250061

隨著國家現代交通的快速發展，地鐵已成為一種方便快捷的交通方式。地鐵線路的修建不可避免會穿過一些既有建筑物，例如車站，基坑等［1］。基坑開挖會對周圍土體產生影響，造成周邊既有結構的變形或土體應力重分布現象，因此有必要探究基坑開挖過程中對周邊環境的影響。Duncan 和Changt 將利用大型數值計算軟件，將用數值模擬應用到基坑工程中［3-4］，利用數值軟件對邊坡開挖的力學性能進行討論，并進行現場試驗，將所得數值模擬結果與其做對比。

本文選取巖土工程軟件Midas GTS/NX 模擬深圳地鐵四號線松元廈站基坑開挖施工過程，驗證數值模擬方法的可靠性和合理性，為基坑工程提供一定的指導和借鑒［5-8］。

1 工程概況

松元廈站（原松元公園站）位于觀大道與高爾夫大道交口北側，呈東西向布量，車站部分位于松元廈村住宅區范圍內，東側局部位于現狀松元公園山體范圍內。此車站標準段寬度22.4m，總長172.8m，基坑深度約為17.9m，寬度為22.4m，頂板覆土約3.5m（局部位置深度22.6～29.3m，頂板覆土約2.5m）。

2 數值計算模型

2.1 數值近似模型

基坑開挖過程采用大型數值模擬軟件Midas GTS/NX 進行模擬，對基坑開挖過程建立不同工況。防止模型邊界效應所造成的影響，模型的最終尺寸為長173m，寬120m，高90m。模型分為7 層土，分別為雜填土、全風化粉砂巖、土狀強風化粉砂巖、塊狀強風化粉砂巖、中風化粉砂巖、微風化粉砂巖、碎裂石。

模型中土體和支護結構材料為各向同性材料，土體采用Mohr-Coulomb 模型。

2.2 模型力學參數

模型參數如表1、2 所示。

表1 土層力學參數

表2 支護結構材料屬性

3 數值模擬計算分析

利用大型有限元數值軟件Midas GTS NX 進行施工步驟模擬，得到模型位移云圖，然后對比監測數據并進行分析。

3.1 巖石土層沉降分析

基坑施工根據模擬結果所繪制的地表沉降曲線圖如圖1所示。

圖1 地表沉降曲線圖

從圖1 可以看出：初始應力階段，巖石土層位移隨著深度增加而增大，位移云圖呈平行階梯樁，此時地表最大沉降量為2.67mm；隨著樁式圍護結構鉆孔樁的施工，巖石土層應力場重分布。從圖中可以看出，混凝土支撐相比于鋼支撐，更能有效地降低地表沉降。

3.2 樁式圍護結構鉆孔樁水平位移分析

現取模型鉆孔樁進行分析，其產生的水平位移隨施工步驟變化，在基坑開挖過程中，樁式圍護結構鉆孔樁的最大位移大致發生在緊靠支撐附近，且鉆孔樁的一維水平位移結果圖呈波浪狀，在鉆孔樁施工后，其水平位移隨著基坑深度增加而減少，基本上呈現線性負相關關系，最大水平位移為1.31mm。

4 結論

模擬計算出地表沉降量和樁式圍護結構鉆孔樁的水平位移，并與實際施工過程中的實測數據進行對比，可以得出以下結論

（1）數值模擬計算數據和實測數據變化趨勢相似。地面撓度變化隨著離基坑距離的增加而減小，鉆孔水平撓度變化為在一定距離處增大再減小。

（2）車站基坑開挖支撐能有效的降低周圍地表最大沉降量。

（3）在基坑開挖施工過程中，混凝土支撐相比于鋼支撐，更能有效地降低基坑周圍地表沉降量。