深厚淤泥质砂层深基坑降水施工数值研究

童建勇

（中铁一局集团（广州）建设工程有限公司）

1 绪论

近年来，我国经济社会的快速增长，城市人口不断迅速增多，地上空间已无法满足需求，地下空间的开发规模不断壮大，深基坑工程日益增多，而保证无明水开挖施工为基坑工程的重中之重。尤其在我国沿海地区，土层多为软弱且富水的不良地质，给深基坑降水开挖施工带来了较大的挑战。在地下水位较高时进行开挖施工，若不进行降水操作，基坑底部会持续渗水，从而影响进一步开挖施工。而基坑降水施工则会引起土体中孔隙水压力的重新分布，导致土体的不稳定。目前，很多学者对深基坑降水开挖施工引起土体变形规律进行研究总结。

郑刚等[1]总结了近年来基坑施工造成的环境污染及安全事故案例，对降水施工引起的支护结构侧移、地表沉降等进行分析总结，为基坑工程的施工提供安全控制策略；曾超峰等[2]结合工程实测与三维有限元方法研究大面积基坑开挖降水引起支护结构的变形，分析了降水施工中基坑内外土层的变形规律及基坑结构的受力特性，为实际工程施工提供理论指导；相兴华[3]采用Flac3D 的Cysoil 模型对太原市中环壹号深基坑工程进行数值模拟，分析基坑降水开挖施工对支护结构受力及周边土体变形的影响，为该工程的设计及施工提供指导作用；周勇[4]采用ADINA 有限元软件建立深基坑降水数值模型，结合实测数据分析了降水施工对周边结构的影响规律；刘帅君[5]考虑了饱和土流固耦合模型，建立深基坑降水施工二维模型，结合现场试验分析降水开挖施工引起的地表沉降规律，并提出了相应的控制措施；黄显贵等[6]推导出了一套理论计算公式，并结合实际基坑降水施工工程进行计算验证；曾超峰等[7]结合工程实测资料与数值模型，分析了软土地基渗透性条件对基坑降水开挖施工引起的支护结构变形规律；苑成旺[8]结合深基坑降水工程，采用MIDAS GTS 建立有限元模型，分析基坑降水开挖引起坑底的变形规律，为实际工程施工提供指导；尹利洁等[9]利用MIDAS 建立兰州地铁深基坑模型，对比分析基坑施工过程围护结构的变形，验证设计的合理性；陈松[10]建立深基坑开挖降水三维数值模型，分析富水砂层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。

广州市轨道交通七号线二期洪圣沙地铁车站深基坑工程处于深厚淤泥质砂层的不良地质条件中，且车站四周为珠江水系，影响深基坑的降水开挖施工。针对洪圣沙深基坑降水施工问题，本研究采用MIDAS 有限元软件建立数值模型，分析降水施工引起的周边土体沉降、土体孔隙水压力分布以及不同淤泥层厚度对基坑开挖变形的影响规律，为实际工程施工提供指导。

2 工程概况

洪圣沙站车站设计全长172.8m，标准段宽度21.5m，基坑深度27m，建筑面积14260m2。由于站址四周均为珠江水系，地下水水头压力较高，具有一定的承压性，基坑的小渗漏可能极快地发展为涌砂、涌泥，对基坑安全带来较大影响。结合勘察数据与土工试验数据，根据工程经验进行土层参数选取，得到洪圣沙工程各土层的力学性能参数，如表1 所示。

表1 洪圣沙工程各土层的力学性能参数

3 深厚淤泥质砂层深基坑降水施工引起的变形分析

3.1 MIDAS GTS NX 简介

MIDAS GTS NX 为针对岩土工程数值分析的大型有限元软件，能够进行岩土的静力分析、渗流分析、施工阶段分析等。本研究采用MIDAS GTS NX 洪圣沙岛三维有限元模型，选择摩尔库伦本构模型进行洪圣沙岛深基坑降水开挖施工的模拟分析。

3.2 有限元模型建立

3.2.1 几何模型建立及网格划分

根据表1 的土层信息建立深厚淤泥质砂层深基坑降水施工数值模型，如图1 所示。采用实体单元建立并进行网格划分，网格划分完成后，在基坑内进行结构单元析取，得到降水井模型。

图1 几何模型

3.2.2 根据施工工况设置施工阶段

根据设计的深基坑施工工况进行有限元中的施工阶段设置。同时，结合相应的施工特点选择不同的分析方式，如渗流分析、应力-渗流耦合分析等。

⑴初始渗流场分析：阶段类型选为稳态，激活所有土体单元及围护结构单元，自动设置边界条件，并激活边界水头；

⑵初始应力场分析：阶段类型选为应力，激活所有原状土，激活自重和边界约束，同时对位移清零；

⑶降水1：（瞬态）降水至开挖面的0.5m 以下，激活降水水头；

⑷开挖1：（应力）开挖到冠梁安装点以下0.5m 处，安装冠梁和第一道支撑；

⑸降水2：（瞬态）降水至开挖面的0.5m 以下，激活降水水头；

⑹开挖2：（应力）开挖到冠梁安装点以下0.5m 处，安装冠梁和第二道支撑；

⑺降水3：（瞬态）降水至开挖面的0.5m 以下，激活降水水头；

⑻开挖3：（应力）开挖到冠梁安装点以下0.5m 处，安装冠梁和第三道支撑；

⑼降水4：（瞬态）降水至开挖面的0.5m 以下，激活降水水头；

⑽开挖4：（应力）开挖到冠梁安装点以下0.5m 处，安装冠梁和第四道支撑；

⑾降水5：（瞬态）降水至开挖面的0.5m 以下，激活降水水头；

⑿开挖5：（应力）开挖到冠梁安装点以下0.5m 处，安装冠梁和第五道支撑；

⒀开挖6：（应力）开挖到基坑底。

3.3 洪圣沙岛深基坑降水开挖施工有限元模拟分析

3.3.1 深基坑降水开挖施工引起的周边土体变形分布规律分析

在深基坑进行降水开挖施工过程中，由于土体孔隙的存在，随着水分的抽离，土体间孔隙水压力发生较大改变，与有水区域形成水头压力差，导致土体发生变形。随着降水开挖的进行，土体变形增大，势必引起围护结构的变形，因此，研究深基坑降水开挖引起的土体及围护结构变形具有重要意义。图2、图3 与图4 为不同降水开挖施工工况下深基坑周边土体竖向沉降云图。

图2 开挖2

图3 开挖4

图4 开挖6

由图2、图3 与图4 可以看出，在开挖2、开挖4、开挖6 时，深基坑周边地表沉降随开挖深度增大而增大，且土体沉降区域逐渐外延。该沉降区域主要表现为沿深基坑边缘向外先增大后减小，在完成最后的开挖施工后，沉降量达到最大值，为7.72mm。在每次开挖后，开挖面土体向上凸起，这是由于土体的开挖，开挖面上部荷载卸除，开挖完成后，基坑底部最大凸起位移约为3mm。

3.3.2 深基坑降水开挖施工引起的土体孔隙水压力分析

模拟值中降水施工引起的土体沉降主要呈凹陷状，这主要是由于土体间孔隙水压力发生较大改变，引起土体的变形。图5、图6 与图7 为不同降水开挖施工工况下土体孔隙水压力分布云图。

图5 初始孔隙水压力

图6 第一次降水开挖后孔隙水压力

图7 降水完成后孔隙水压力

由孔隙水压力云图分析可知，在降水开挖施工过程中，土体中的孔隙水压力分布云图与基坑周边土体沉降云图规律相似。随着降水开挖施工的进行，基坑内外孔隙水压力不一致，形成较大的压力差，随着开挖深度增大，孔隙水压力差逐渐增大。且由于围护结构的存在，基坑外侧水向基坑底部汇集，不断涌向降水井井管中。在降水施工完成后，整体孔隙水压力达到相对稳定状态。

3.3.3 淤泥层厚度对基坑开挖变形的影响

本小节分析不同淤泥层厚度对基坑开挖变形的影响规律。以淤泥层厚度为5m、10m 与15m 建立三个深基坑降水施工三维有限元模型，并根据降水开挖的施工工况进行数值模拟，得到开挖后的深基坑整体变形量，如图8、图9、图10 所示。

由图8、图9 与图10 分析可知，随着淤泥层厚度的增大，深基坑开挖后整体变形量也随之增大，基坑底部隆起量也随之增大。其中，淤泥层厚度为5m、10m 与15m的深基坑最大变形量分别为0.0041m、0.0043m 与0.0046m，最大变形量满足设计要求，证明该基坑支护的可靠性。

图8 淤泥层厚度5m 的深基坑整体变形量

图9 淤泥层厚度10m 的深基坑整体变形量

图10 淤泥层厚度15m 的深基坑整体变形量

4 结论

针对广州市轨道交通七号线二期洪圣沙车站工程的降水施工问题，采用MIDAS GTS 建立基坑降水开挖施工模型进行数值研究分析，得出以下结论：

⑴随着基坑降水开挖施工的进行，地表沉降沿基坑边缘的变形先变大后变小，且在开挖完成时，变形值达到最大；

⑵深基坑在降水开挖施工过程中，基坑外部孔隙水压力主要呈漏斗状变化，且孔隙水压力差随基坑开挖逐渐增大。

⑶随着淤泥层厚度的增大，深基坑开挖后整体变形量也随之增大，且基坑底部的隆起也随之增大。