基于MIDAS GTS/NX 基坑开挖变形数值模拟分析

杨洪娜，段志宏，张 政，赵嘉辉，武 科

1.中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384；2.山东大学土建与水利学院，济南 山东 250061

随着国家现代交通的快速发展，地铁已成为一种方便快捷的交通方式。地铁线路的修建不可避免会穿过一些既有建筑物，例如车站，基坑等［1］。基坑开挖会对周围土体产生影响，造成周边既有结构的变形或土体应力重分布现象，因此有必要探究基坑开挖过程中对周边环境的影响。Duncan 和Changt 将利用大型数值计算软件，将用数值模拟应用到基坑工程中［3-4］，利用数值软件对边坡开挖的力学性能进行讨论，并进行现场试验，将所得数值模拟结果与其做对比。

本文选取岩土工程软件Midas GTS/NX 模拟深圳地铁四号线松元厦站基坑开挖施工过程，验证数值模拟方法的可靠性和合理性，为基坑工程提供一定的指导和借鉴［5-8］。

1 工程概况

松元厦站（原松元公园站）位于观大道与高尔夫大道交口北侧，呈东西向布量，车站部分位于松元厦村住宅区范围内，东侧局部位于现状松元公园山体范围内。此车站标准段宽度22.4m，总长172.8m，基坑深度约为17.9m，宽度为22.4m，顶板覆土约3.5m（局部位置深度22.6～29.3m，顶板覆土约2.5m）。

2 数值计算模型

2.1 数值近似模型

基坑开挖过程采用大型数值模拟软件Midas GTS/NX 进行模拟，对基坑开挖过程建立不同工况。防止模型边界效应所造成的影响，模型的最终尺寸为长173m，宽120m，高90m。模型分为7 层土，分别为杂填土、全风化粉砂岩、土状强风化粉砂岩、块状强风化粉砂岩、中风化粉砂岩、微风化粉砂岩、碎裂石。

模型中土体和支护结构材料为各向同性材料，土体采用Mohr-Coulomb 模型。

2.2 模型力学参数

模型参数如表1、2 所示。

表1 土层力学参数

表2 支护结构材料属性

3 数值模拟计算分析

利用大型有限元数值软件Midas GTS NX 进行施工步骤模拟，得到模型位移云图，然后对比监测数据并进行分析。

3.1 岩石土层沉降分析

基坑施工根据模拟结果所绘制的地表沉降曲线图如图1所示。

图1 地表沉降曲线图

从图1 可以看出：初始应力阶段，岩石土层位移随着深度增加而增大，位移云图呈平行阶梯桩，此时地表最大沉降量为2.67mm；随着桩式围护结构钻孔桩的施工，岩石土层应力场重分布。从图中可以看出，混凝土支撑相比于钢支撑，更能有效地降低地表沉降。

3.2 桩式围护结构钻孔桩水平位移分析

现取模型钻孔桩进行分析，其产生的水平位移随施工步骤变化，在基坑开挖过程中，桩式围护结构钻孔桩的最大位移大致发生在紧靠支撑附近，且钻孔桩的一维水平位移结果图呈波浪状，在钻孔桩施工后，其水平位移随着基坑深度增加而减少，基本上呈现线性负相关关系，最大水平位移为1.31mm。

4 结论

模拟计算出地表沉降量和桩式围护结构钻孔桩的水平位移，并与实际施工过程中的实测数据进行对比，可以得出以下结论

（1）数值模拟计算数据和实测数据变化趋势相似。地面挠度变化随着离基坑距离的增加而减小，钻孔水平挠度变化为在一定距离处增大再减小。

（2）车站基坑开挖支撑能有效的降低周围地表最大沉降量。

（3）在基坑开挖施工过程中，混凝土支撑相比于钢支撑，更能有效地降低基坑周围地表沉降量。