基于Midas GTS 分析的深基坑降水開挖變形特性研究

溫世聰，周匯智

（1.廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣州 510500；2. 廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司，廣州 510500）

1 引言

隨著城市軌道交通的快速發展與城市用地資源的緊張，地鐵車站深基坑大量出現在建筑密集、地下水位較淺的地區。地鐵深基坑在開挖前需要先降低地下水位，而降水出現問題時，可能會引起一定范圍內地表沉降，甚至會造成支護結構破壞，基坑整體倒塌，危及周邊建筑物與地下管線安全，造成嚴重工程事故。此外，基坑降水開挖過程中，周圍的滲流場平衡會被破壞，這會引起基坑周邊水平與垂直方向上應力場的變化，應力場變化直接導致了位移場的變化[1-2]，即基坑周邊土體會因此出現位移變形。鑒于深基坑工程的危險性與復雜性，有必要總結基坑降水開挖過程中周邊土體與圍護結構的變形，找出相關的規律。

數值模擬在建立基坑滲流場與應力場耦合的有限元模型中得到廣泛的應用，可為基坑降水和支護優化提供理論指導[3]。Midas GTS 可以模擬較為復雜的巖土工程問題，在基坑開挖設計計算中應用較為廣泛[4-5]。本文結合地鐵車站深基坑的工程實例，選取不利截面進行基坑降水開挖模擬，考慮滲流作用存在與否對于基坑開挖的影響，并分析基坑開挖引起周邊地表沉降變形、圍護結構水平位移變化規律，與實際調查結果進行對比驗證。

2 工程概況

廣州某地鐵站深基坑，距離基坑西北側16 m 處有密集村民住宅分布，北側6.2 m 處有一座學校，南側現狀為農田。本基坑標準段寬22.5 m，開挖深度約為19 m，基坑安全等級為一級，周邊環境復雜，對變形控制要求較高。本區域屬于珠江三角洲沖積平原地貌，根據地質鉆探揭示的場地地層依次為：雜填土、淤泥質土、淤泥質粉細砂、砂質黏性土、基巖。

本工程場地內存在多處地表水體，基坑北側存在一條水深約1.0 m 的小河，與地下水存在密切水力聯系；地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖風化及構造裂隙承壓水，初見地下水水位埋深0.60 m。潛水主要分布在淺部土層、＜2-2＞淤泥質粉細砂及＜5Z-2＞砂質黏性土（硬塑）中，主要靠大氣降水和地表水徑流補給，其排泄方式主要為大氣蒸發或人工抽汲地下水。

主體結構基坑支護主要采用800 mm 厚地下連續墻+ 三道內支撐（二道混凝土內支撐+ 一道鋼支撐）支護體系，連續墻外側采用直徑600 mm、 間距450 mm 單軸攪拌樁加固，加固至相對不透水層（砂質黏性土）以下1.5 m。降水采用管井并結合排水明溝+ 集水井方案，基坑外側不降水，基坑內側設疏干降水井，基坑外側設置回灌井，保護沉降敏感建筑[6]。降水井深度為基底以下0.5 m，成孔直徑1 200 mm。

3 計算模型概況

只考慮基坑開挖，未考慮滲流作用時，建立三維模型，模型計算范圍為長約650 m，寬約200 m，土層計算深度為60 m。模型底部約束Z方向位移，模型前后兩面約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。整體模型的荷載條件為：巖土層自重，一般地面按20 kPa。

為考慮基坑開挖過程中滲流耦合作用的影響，選取了三維模型中不利截面進行基坑降水開挖模擬，分析周邊地表沉降[7-8]。模型底部約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。利用Midas GTS 根據地層條件及基坑支護結構尺寸劃分單元，建立基坑降水相應物理模型（見圖1）和模型邊界條件（見圖2）。

圖1 基坑降水模型示意圖

圖2 邊界條件示意圖

4 模型參數和施工工況設置

基坑開挖模型中土層本構模型采用修正摩爾庫倫模型[9]，地連墻、板撐采用板單元，支撐采用梁單元；基坑降水開挖模型中土層、 地下連續墻采用平面應變單元，內支撐采用梁單元。土體參數建議值見表1。支護結構參數見表2。

表1 土體參數建議值表

表2 支護結構參數表

基坑開挖深度19 m，分4 次開挖，每次開挖土層底標高分別為1.0 m、7.7 m、13.7 m、19 m。考慮滲流作用影響，即每次開挖前先進行降水，基坑施工期間保持坑內水位在開挖面以下1.0 m。地面絕對高程為8.4 m，降水后絕對高程分別為6.4 m、－0.3 m、－6.3 m、－11.6 m。結合實際施工步驟，基坑降水開挖模型共分為個13 工況，具體見表3。

表3 基坑降水開挖模擬施工步驟（考慮滲流作用）

5 計算結果分析

5.1 各工況下地表沉降極值分析

各工況下地表沉降極值見表4。擬建基坑施工期間，地表豎向變形最終變現為沉降，沉降整體呈增加趨勢。

表4 各工況地表豎向位移極值 mm

5.2 地表沉降分析

考慮滲流作用情況時，地表沉降模擬結果如圖3 所示，地表沉降變化規律沿坑外方向先增大后減小，逐漸趨向穩定；隨著開挖深度的增加，沉降逐漸變大，地表最大沉降位置在距離基坑邊（1/3～2/3）h（h 為基坑開挖深度）處。基坑開挖至19 m時，地表最大沉降為43.994 mm，在相同開挖條件下，考慮滲流影響時的地表最大沉降比不考慮滲流影響時的大1.5 倍。

圖3 考慮滲流各工況下地表沉降示意圖

5.3 地下連續墻水平位移分析

當考慮滲流作用情況時，地下連續墻水平位移模擬結果如圖4 所示。當基坑開挖至1.0 m 且未施加第一道水平支撐時，墻頂出現最大變形，沿墻身隨深度增加，水平位移逐漸減小趨向0。隨著基坑開挖深度的增加，地下連續墻墻身水平位移逐漸變大，并分別在墻身7.7 m、13.7 m 處達到最大值，之后水平位移逐漸變小。基坑開挖至13.7 m 時，墻身最大水平位移為25.410 mm，為不考慮滲流時的2 倍。

圖4 考慮滲流各工況下墻體水平位移示意圖

綜上所述，基坑降水開挖引起的滲流作用對地表沉降的影響不容忽視。在基坑降水過程中，當地下水位下降而不能及時進行補充時，極易引起土體變形，進而通過沉降影響地面結構的豎向沉降和水平位移。

5.4 Mi das GTS 數值模擬與現場調查結果對比

本工程在施工期間進行了現場基坑監測，監測內容包括地表沉降、地下水位、支護樁（墻）體水平位移、支撐軸力等。通過與調查區地面沉降等值線圖進行對比發現，本基坑施工過程中，基坑周邊地面沉降量為0～5 cm，較遠處地面沉降可達15～20 cm。模擬范圍內基坑周圍地表沉降數值與調查值較為符合。

數值模擬過程中，有限元模型中各材料的本構選取、模型計算時土體簡化為各向同性材料、 滲流模擬過程中假定土體體積保持不變、模擬中基坑土層簡化為平行分布[10]等，均與實際情況有些許區別。因此，模擬值與實測值存在一定差異，但總體誤差可接受。

綜上，Midas GTS 軟件在考慮滲流作用時的基坑降水開挖模擬結果的準確性較為可靠，可以為基坑降水和基坑支護結構設計優化提供一定的參考。

6 結語

本文借助Midas GTS 軟件，以廣州市某深基坑開挖為例，考慮滲流作用，模擬基坑降水開挖所引起支護結構外側土體的沉降變形，模擬結果與實際調查結果基本相符。根據分析結果，得出以下結論：

1）基坑降水開挖引起的滲流對基坑支護結構和周邊環境影響較大，在設計與施工過程中應重視滲流作用帶來的影響，同時在地下水位較高、 飽和性砂土層較厚地區更應該重視降水工作；

2）考慮滲流影響時，基坑周邊地表沉降變化和支護結構水平位移規律相似，為不考慮滲流作用時的1.5 倍和2 倍；

3）實際基坑降水開挖過程，會受到很多額外因素的影響，利用Midas GTS 軟件進行模擬分析時，應結合現實情況進行考慮，必要時應結合實測數據進行反演分析。