深厚淤泥質砂層深基坑降水施工數值研究

童建勇

（中鐵一局集團（廣州）建設工程有限公司）

1 緒論

近年來，我國經濟社會的快速增長，城市人口不斷迅速增多，地上空間已無法滿足需求，地下空間的開發規模不斷壯大，深基坑工程日益增多，而保證無明水開挖施工為基坑工程的重中之重。尤其在我國沿海地區，土層多為軟弱且富水的不良地質，給深基坑降水開挖施工帶來了較大的挑戰。在地下水位較高時進行開挖施工，若不進行降水操作，基坑底部會持續滲水，從而影響進一步開挖施工。而基坑降水施工則會引起土體中孔隙水壓力的重新分布，導致土體的不穩定。目前，很多學者對深基坑降水開挖施工引起土體變形規律進行研究總結。

鄭剛等[1]總結了近年來基坑施工造成的環境污染及安全事故案例，對降水施工引起的支護結構側移、地表沉降等進行分析總結，為基坑工程的施工提供安全控制策略；曾超峰等[2]結合工程實測與三維有限元方法研究大面積基坑開挖降水引起支護結構的變形，分析了降水施工中基坑內外土層的變形規律及基坑結構的受力特性，為實際工程施工提供理論指導；相興華[3]采用Flac3D 的Cysoil 模型對太原市中環壹號深基坑工程進行數值模擬，分析基坑降水開挖施工對支護結構受力及周邊土體變形的影響，為該工程的設計及施工提供指導作用；周勇[4]采用ADINA 有限元軟件建立深基坑降水數值模型，結合實測數據分析了降水施工對周邊結構的影響規律；劉帥君[5]考慮了飽和土流固耦合模型，建立深基坑降水施工二維模型，結合現場試驗分析降水開挖施工引起的地表沉降規律，并提出了相應的控制措施；黃顯貴等[6]推導出了一套理論計算公式，并結合實際基坑降水施工工程進行計算驗證；曾超峰等[7]結合工程實測資料與數值模型，分析了軟土地基滲透性條件對基坑降水開挖施工引起的支護結構變形規律；苑成旺[8]結合深基坑降水工程，采用MIDAS GTS 建立有限元模型，分析基坑降水開挖引起坑底的變形規律，為實際工程施工提供指導；尹利潔等[9]利用MIDAS 建立蘭州地鐵深基坑模型，對比分析基坑施工過程圍護結構的變形，驗證設計的合理性；陳松[10]建立深基坑開挖降水三維數值模型，分析富水砂層下不同基坑降水方案的降水效果，提出更好的降水施工方案。

廣州市軌道交通七號線二期洪圣沙地鐵車站深基坑工程處于深厚淤泥質砂層的不良地質條件中，且車站四周為珠江水系，影響深基坑的降水開挖施工。針對洪圣沙深基坑降水施工問題，本研究采用MIDAS 有限元軟件建立數值模型，分析降水施工引起的周邊土體沉降、土體孔隙水壓力分布以及不同淤泥層厚度對基坑開挖變形的影響規律，為實際工程施工提供指導。

2 工程概況

洪圣沙站車站設計全長172.8m，標準段寬度21.5m，基坑深度27m，建筑面積14260m2。由于站址四周均為珠江水系，地下水水頭壓力較高，具有一定的承壓性，基坑的小滲漏可能極快地發展為涌砂、涌泥，對基坑安全帶來較大影響。結合勘察數據與土工試驗數據，根據工程經驗進行土層參數選取，得到洪圣沙工程各土層的力學性能參數，如表1 所示。

表1 洪圣沙工程各土層的力學性能參數

3 深厚淤泥質砂層深基坑降水施工引起的變形分析

3.1 MIDAS GTS NX 簡介

MIDAS GTS NX 為針對巖土工程數值分析的大型有限元軟件，能夠進行巖土的靜力分析、滲流分析、施工階段分析等。本研究采用MIDAS GTS NX 洪圣沙島三維有限元模型，選擇摩爾庫倫本構模型進行洪圣沙島深基坑降水開挖施工的模擬分析。

3.2 有限元模型建立

3.2.1 幾何模型建立及網格劃分

根據表1 的土層信息建立深厚淤泥質砂層深基坑降水施工數值模型，如圖1 所示。采用實體單元建立并進行網格劃分，網格劃分完成后，在基坑內進行結構單元析取，得到降水井模型。

圖1 幾何模型

3.2.2 根據施工工況設置施工階段

根據設計的深基坑施工工況進行有限元中的施工階段設置。同時，結合相應的施工特點選擇不同的分析方式，如滲流分析、應力-滲流耦合分析等。

⑴初始滲流場分析：階段類型選為穩態，激活所有土體單元及圍護結構單元，自動設置邊界條件，并激活邊界水頭；

⑵初始應力場分析：階段類型選為應力，激活所有原狀土，激活自重和邊界約束，同時對位移清零；

⑶降水1：（瞬態）降水至開挖面的0.5m 以下，激活降水水頭；

⑷開挖1：（應力）開挖到冠梁安裝點以下0.5m 處，安裝冠梁和第一道支撐；

⑸降水2：（瞬態）降水至開挖面的0.5m 以下，激活降水水頭；

⑹開挖2：（應力）開挖到冠梁安裝點以下0.5m 處，安裝冠梁和第二道支撐；

⑺降水3：（瞬態）降水至開挖面的0.5m 以下，激活降水水頭；

⑻開挖3：（應力）開挖到冠梁安裝點以下0.5m 處，安裝冠梁和第三道支撐；

⑼降水4：（瞬態）降水至開挖面的0.5m 以下，激活降水水頭；

⑽開挖4：（應力）開挖到冠梁安裝點以下0.5m 處，安裝冠梁和第四道支撐；

⑾降水5：（瞬態）降水至開挖面的0.5m 以下，激活降水水頭；

⑿開挖5：（應力）開挖到冠梁安裝點以下0.5m 處，安裝冠梁和第五道支撐；

⒀開挖6：（應力）開挖到基坑底。

3.3 洪圣沙島深基坑降水開挖施工有限元模擬分析

3.3.1 深基坑降水開挖施工引起的周邊土體變形分布規律分析

在深基坑進行降水開挖施工過程中，由于土體孔隙的存在，隨著水分的抽離，土體間孔隙水壓力發生較大改變，與有水區域形成水頭壓力差，導致土體發生變形。隨著降水開挖的進行，土體變形增大，勢必引起圍護結構的變形，因此，研究深基坑降水開挖引起的土體及圍護結構變形具有重要意義。圖2、圖3 與圖4 為不同降水開挖施工工況下深基坑周邊土體豎向沉降云圖。

圖2 開挖2

圖3 開挖4

圖4 開挖6

由圖2、圖3 與圖4 可以看出，在開挖2、開挖4、開挖6 時，深基坑周邊地表沉降隨開挖深度增大而增大，且土體沉降區域逐漸外延。該沉降區域主要表現為沿深基坑邊緣向外先增大后減小，在完成最后的開挖施工后，沉降量達到最大值，為7.72mm。在每次開挖后，開挖面土體向上凸起，這是由于土體的開挖，開挖面上部荷載卸除，開挖完成后，基坑底部最大凸起位移約為3mm。

3.3.2 深基坑降水開挖施工引起的土體孔隙水壓力分析

模擬值中降水施工引起的土體沉降主要呈凹陷狀，這主要是由于土體間孔隙水壓力發生較大改變，引起土體的變形。圖5、圖6 與圖7 為不同降水開挖施工工況下土體孔隙水壓力分布云圖。

圖5 初始孔隙水壓力

圖6 第一次降水開挖后孔隙水壓力

圖7 降水完成后孔隙水壓力

由孔隙水壓力云圖分析可知，在降水開挖施工過程中，土體中的孔隙水壓力分布云圖與基坑周邊土體沉降云圖規律相似。隨著降水開挖施工的進行，基坑內外孔隙水壓力不一致，形成較大的壓力差，隨著開挖深度增大，孔隙水壓力差逐漸增大。且由于圍護結構的存在，基坑外側水向基坑底部匯集，不斷涌向降水井井管中。在降水施工完成后，整體孔隙水壓力達到相對穩定狀態。

3.3.3 淤泥層厚度對基坑開挖變形的影響

本小節分析不同淤泥層厚度對基坑開挖變形的影響規律。以淤泥層厚度為5m、10m 與15m 建立三個深基坑降水施工三維有限元模型，并根據降水開挖的施工工況進行數值模擬，得到開挖后的深基坑整體變形量，如圖8、圖9、圖10 所示。

由圖8、圖9 與圖10 分析可知，隨著淤泥層厚度的增大，深基坑開挖后整體變形量也隨之增大，基坑底部隆起量也隨之增大。其中，淤泥層厚度為5m、10m 與15m的深基坑最大變形量分別為0.0041m、0.0043m 與0.0046m，最大變形量滿足設計要求，證明該基坑支護的可靠性。

圖8 淤泥層厚度5m 的深基坑整體變形量

圖9 淤泥層厚度10m 的深基坑整體變形量

圖10 淤泥層厚度15m 的深基坑整體變形量

4 結論

針對廣州市軌道交通七號線二期洪圣沙車站工程的降水施工問題，采用MIDAS GTS 建立基坑降水開挖施工模型進行數值研究分析，得出以下結論：

⑴隨著基坑降水開挖施工的進行，地表沉降沿基坑邊緣的變形先變大后變小，且在開挖完成時，變形值達到最大；

⑵深基坑在降水開挖施工過程中，基坑外部孔隙水壓力主要呈漏斗狀變化，且孔隙水壓力差隨基坑開挖逐漸增大。

⑶隨著淤泥層厚度的增大，深基坑開挖后整體變形量也隨之增大，且基坑底部的隆起也隨之增大。