基于Midas GTS 分析的深基坑降水开挖变形特性研究

温世聪，周汇智

（1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广州 510500；2. 广东省建设工程质量安全检测总站有限公司，广州 510500）

1 引言

随着城市轨道交通的快速发展与城市用地资源的紧张，地铁车站深基坑大量出现在建筑密集、地下水位较浅的地区。地铁深基坑在开挖前需要先降低地下水位，而降水出现问题时，可能会引起一定范围内地表沉降，甚至会造成支护结构破坏，基坑整体倒塌，危及周边建筑物与地下管线安全，造成严重工程事故。此外，基坑降水开挖过程中，周围的渗流场平衡会被破坏，这会引起基坑周边水平与垂直方向上应力场的变化，应力场变化直接导致了位移场的变化[1-2]，即基坑周边土体会因此出现位移变形。鉴于深基坑工程的危险性与复杂性，有必要总结基坑降水开挖过程中周边土体与围护结构的变形，找出相关的规律。

数值模拟在建立基坑渗流场与应力场耦合的有限元模型中得到广泛的应用，可为基坑降水和支护优化提供理论指导[3]。Midas GTS 可以模拟较为复杂的岩土工程问题，在基坑开挖设计计算中应用较为广泛[4-5]。本文结合地铁车站深基坑的工程实例，选取不利截面进行基坑降水开挖模拟，考虑渗流作用存在与否对于基坑开挖的影响，并分析基坑开挖引起周边地表沉降变形、围护结构水平位移变化规律，与实际调查结果进行对比验证。

2 工程概况

广州某地铁站深基坑，距离基坑西北侧16 m 处有密集村民住宅分布，北侧6.2 m 处有一座学校，南侧现状为农田。本基坑标准段宽22.5 m，开挖深度约为19 m，基坑安全等级为一级，周边环境复杂，对变形控制要求较高。本区域属于珠江三角洲冲积平原地貌，根据地质钻探揭示的场地地层依次为：杂填土、淤泥质土、淤泥质粉细砂、砂质黏性土、基岩。

本工程场地内存在多处地表水体，基坑北侧存在一条水深约1.0 m 的小河，与地下水存在密切水力联系；地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩风化及构造裂隙承压水，初见地下水水位埋深0.60 m。潜水主要分布在浅部土层、＜2-2＞淤泥质粉细砂及＜5Z-2＞砂质黏性土（硬塑）中，主要靠大气降水和地表水径流补给，其排泄方式主要为大气蒸发或人工抽汲地下水。

主体结构基坑支护主要采用800 mm 厚地下连续墙+ 三道内支撑（二道混凝土内支撑+ 一道钢支撑）支护体系，连续墙外侧采用直径600 mm、 间距450 mm 单轴搅拌桩加固，加固至相对不透水层（砂质黏性土）以下1.5 m。降水采用管井并结合排水明沟+ 集水井方案，基坑外侧不降水，基坑内侧设疏干降水井，基坑外侧设置回灌井，保护沉降敏感建筑[6]。降水井深度为基底以下0.5 m，成孔直径1 200 mm。

3 计算模型概况

只考虑基坑开挖，未考虑渗流作用时，建立三维模型，模型计算范围为长约650 m，宽约200 m，土层计算深度为60 m。模型底部约束Z方向位移，模型前后两面约束Y方向位移，模型左右两面约束X方向位移。整体模型的荷载条件为：岩土层自重，一般地面按20 kPa。

为考虑基坑开挖过程中渗流耦合作用的影响，选取了三维模型中不利截面进行基坑降水开挖模拟，分析周边地表沉降[7-8]。模型底部约束Y方向位移，模型左右两面约束X方向位移。利用Midas GTS 根据地层条件及基坑支护结构尺寸划分单元，建立基坑降水相应物理模型（见图1）和模型边界条件（见图2）。

图1 基坑降水模型示意图

图2 边界条件示意图

4 模型参数和施工工况设置

基坑开挖模型中土层本构模型采用修正摩尔库伦模型[9]，地连墙、板撑采用板单元，支撑采用梁单元；基坑降水开挖模型中土层、 地下连续墙采用平面应变单元，内支撑采用梁单元。土体参数建议值见表1。支护结构参数见表2。

表1 土体参数建议值表

表2 支护结构参数表

基坑开挖深度19 m，分4 次开挖，每次开挖土层底标高分别为1.0 m、7.7 m、13.7 m、19 m。考虑渗流作用影响，即每次开挖前先进行降水，基坑施工期间保持坑内水位在开挖面以下1.0 m。地面绝对高程为8.4 m，降水后绝对高程分别为6.4 m、－0.3 m、－6.3 m、－11.6 m。结合实际施工步骤，基坑降水开挖模型共分为个13 工况，具体见表3。

表3 基坑降水开挖模拟施工步骤（考虑渗流作用）

5 计算结果分析

5.1 各工况下地表沉降极值分析

各工况下地表沉降极值见表4。拟建基坑施工期间，地表竖向变形最终变现为沉降，沉降整体呈增加趋势。

表4 各工况地表竖向位移极值 mm

5.2 地表沉降分析

考虑渗流作用情况时，地表沉降模拟结果如图3 所示，地表沉降变化规律沿坑外方向先增大后减小，逐渐趋向稳定；随着开挖深度的增加，沉降逐渐变大，地表最大沉降位置在距离基坑边（1/3～2/3）h（h 为基坑开挖深度）处。基坑开挖至19 m时，地表最大沉降为43.994 mm，在相同开挖条件下，考虑渗流影响时的地表最大沉降比不考虑渗流影响时的大1.5 倍。

图3 考虑渗流各工况下地表沉降示意图

5.3 地下连续墙水平位移分析

当考虑渗流作用情况时，地下连续墙水平位移模拟结果如图4 所示。当基坑开挖至1.0 m 且未施加第一道水平支撑时，墙顶出现最大变形，沿墙身随深度增加，水平位移逐渐减小趋向0。随着基坑开挖深度的增加，地下连续墙墙身水平位移逐渐变大，并分别在墙身7.7 m、13.7 m 处达到最大值，之后水平位移逐渐变小。基坑开挖至13.7 m 时，墙身最大水平位移为25.410 mm，为不考虑渗流时的2 倍。

图4 考虑渗流各工况下墙体水平位移示意图

综上所述，基坑降水开挖引起的渗流作用对地表沉降的影响不容忽视。在基坑降水过程中，当地下水位下降而不能及时进行补充时，极易引起土体变形，进而通过沉降影响地面结构的竖向沉降和水平位移。

5.4 Mi das GTS 数值模拟与现场调查结果对比

本工程在施工期间进行了现场基坑监测，监测内容包括地表沉降、地下水位、支护桩（墙）体水平位移、支撑轴力等。通过与调查区地面沉降等值线图进行对比发现，本基坑施工过程中，基坑周边地面沉降量为0～5 cm，较远处地面沉降可达15～20 cm。模拟范围内基坑周围地表沉降数值与调查值较为符合。

数值模拟过程中，有限元模型中各材料的本构选取、模型计算时土体简化为各向同性材料、 渗流模拟过程中假定土体体积保持不变、模拟中基坑土层简化为平行分布[10]等，均与实际情况有些许区别。因此，模拟值与实测值存在一定差异，但总体误差可接受。

综上，Midas GTS 软件在考虑渗流作用时的基坑降水开挖模拟结果的准确性较为可靠，可以为基坑降水和基坑支护结构设计优化提供一定的参考。

6 结语

本文借助Midas GTS 软件，以广州市某深基坑开挖为例，考虑渗流作用，模拟基坑降水开挖所引起支护结构外侧土体的沉降变形，模拟结果与实际调查结果基本相符。根据分析结果，得出以下结论：

1）基坑降水开挖引起的渗流对基坑支护结构和周边环境影响较大，在设计与施工过程中应重视渗流作用带来的影响，同时在地下水位较高、 饱和性砂土层较厚地区更应该重视降水工作；

2）考虑渗流影响时，基坑周边地表沉降变化和支护结构水平位移规律相似，为不考虑渗流作用时的1.5 倍和2 倍；

3）实际基坑降水开挖过程，会受到很多额外因素的影响，利用Midas GTS 软件进行模拟分析时，应结合现实情况进行考虑，必要时应结合实测数据进行反演分析。