基于MIDAS软件探讨施工工序对深基坑稳定性的影响

李方成，郭利娜，胡 斌，蒋海飞，徐海清

(1.中南电力设计院，武汉 430071;2.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074;3.武汉地铁集团有限公司，武汉 430030)

实践证明，科学地制定可综合考虑时空效应［1－5］影响的开挖、支撑设计施工方案，并合理地利用岩土体在开挖过程中的结构性而提供的自撑能力，由此达到控制坑周地层位移和保护环境的目的，以减少采用昂贵地基加固措施的做法，是安全经济地使基坑在开挖过程保持稳定的有效途径［6－8］。关于深基坑支护结构内力与变形时空效应的研究已取得了不少成果［9－11］。文献［9］采用连续介质粘弹塑性三维有限元法对深基坑支护结构内力与变形的时空效应进行研究，但参数较复杂，难于由实验获取，且计算工作量较大。文献［10］采用弹性地基梁模型，通过现场信息采集，优化反演被动区地层土抗力系数m及水土压力修正系数α，以达到近似考虑土体变形规律的时效特征和支护过程的空间效应。文献［11］则提出2种计算模型:对于长条型基坑，仍采用弹性杆系有限元计算模型，但将其中被动土压力的弹性基床系数修改成为考虑开挖过程的时空效应的基床系数;对于大宽度、不规则深基坑，坑内框架支撑体系与挡土结构共同组成一空间结构体系，在变形协调的原则下，对挡土结构和支撑结构则分别按弹性杆系有限元及平面问题进行计算。

然而，到目前为止却很少有考虑时空效应变化的施工工序这一明确因素对基坑稳定性的影响做出过深入的分析。为此，笔者以武汉地铁名都站深基坑工程为依托，利用岩土工程有限元软件MIDAS的摩尔－库仑本构模型［12－13］和其优越的前后处理及计算性能，对基坑施工过程中不同施工工序下每步开挖之后，基坑的变形情况做仿真模拟并做对比，分析其对基坑稳定性的影响。

1 工程概况

武汉地处长江冲积平原的中游地区，地层以第四系近代人工填土层(Qml)、第四系中更新统冲积层()、第四系中更新统冲洪积层()、下伏基岩为三叠系下统大冶组(T1d)灰岩、钙质泥岩为主。局部分布有容易产生岩溶灾害的灰岩区域，地质条件十分复杂。与其他城市地铁相比，武汉地铁具有独有的特性。本文的研究对象为武汉地铁2号线上的名都车站基坑，地质条件尤其复杂，地处岩溶发育的区域，位于剥蚀垄岗、残丘地貌单元，地下水位偏高，主要为孔隙水和岩溶水。

名都站是武汉市轨道交通2号线一期工程主线的第20个站，位于虎泉街与雄楚大街交叉口，沿虎泉街设置。车站有效站台中心线的里程为右DK26+259.707，按8辆编组土建预留车站总长度为241.3 m。车站结构选用10 m站台单柱两跨两层矩形框架结构，标准段结构外包尺寸为18.90 m×13.31 m，车站顶部覆土控制3.0 m。车站主体结构基坑开挖深度为15.37～19.87 m，按照国家和湖北省建筑基坑支护的有关技术规范和规定，名都站深基坑支护的安全等级为一级，重要性系数1.1，地表沉降最大值和围护结构水平位移最大值均不得大于40 mm。综合本站周边环境、地质条件和工程造价等，本车站主体围护结构采用钻孔灌注桩，围护结构内部的水平受力体系采用钢管内支撑方案［14］。钻孔灌注桩桩径1.0 m，桩中心距1.3 m。图1为 T87剖面监测点布置图(其他剖面的监测点布置同样为这样3道支撑)。

图1 T87剖面监测点布置图Fig.1 Layout of monitoring points in profile T87

2 MIDAS仿真模拟的基本假定

(1)计算域:该车站总长241.3 m，标准段宽度为18.86 m，车站主体结构基坑开挖深度为15.37～19.87 m，采用明挖法进行分段开挖，场区总体地形平坦，地层变化不大。本文选取标准段基坑进行模拟，此段开挖深度为17 m，其计算域的范围，对于基坑侧壁以外取2～3倍的基坑最终开挖深度，影响深度为开挖深度的1.5倍，故最终建立模型尺寸为130 m×110 m×43 m。

(2)地层:基坑四周地表假定为水平地面，且各地层分布均匀无交错;各地层通过实体单元来模拟，各地层参数根据武汉地铁提供的地质勘察报告，经地层简化及模型调整，取表1所示地层参数。

(3)地下水:场区地下水主要为上层滞水和岩溶裂隙水，水量不大;采用明沟集中排水方式排泄地下水，且钻孔灌注桩外围杂填土采用高压旋喷做止水帷幕，防止上层滞水渗入;为了简化计算模型，故可以不考虑地下水的渗流作用。

表1 地层参数Table 1 Parameters of strata

(4)围护桩:名都站采用d=1 000 mm，间距@1 300 mm的钻孔灌注桩作为基坑围护结构。在GTS中，混凝土钻孔灌注桩可采用梁单元、桩单元或实体单元来模拟，但由于排桩单元所形成的网格会造成计算量庞大，不经济。因此在模拟过程中，按照桩墙抗弯刚度相等的原则，将排桩支护结构等效为地下连续墙，其受力形式与地下连续墙类似。经验表明，利用等效的地下连续墙进行计算，结果更偏保守、更合理。等效后的地下连续墙厚度为600 mm。

(5)内支撑:内支撑采用梁单元来模拟，其中预加轴力以集中力的方式加到对应的节点处，连续墙和支撑材料的本构均采用线弹性。根据武汉地铁提供的方案设计报告，支护参数见表2。

表2 支护参数表Table 2 Parameters of supporting measures

(6)施工荷载:①结构自重按实际重量考虑，钢混结构重度为25 kN/m3，钢重度为78 kN/m3;②临时性荷载。深基坑施工过程中，为了施工方便，坑边往往会有一定的堆载，如堆放钢筋、铺设龙门吊轨道等;此外，基坑两侧有一定的车流量，这些荷载作用时间不长，且无法准确预计荷载大小，根据大量工程实例的经验，临时性荷载可按20 kN/m2。

图2 围护结构的三维模型Fig.2 Three-dimensional model of the bracing of foundation pit

(7)边界条件:利用模型自带的地面支承设置，模型侧面限制水平向位移，底面全约束，地表面不限制位移，为自由面。

(8)力学模型:本文中岩土体的力学计算模型采用莫尔－库仑本构模型。

3 不同施工步序对基坑稳定性的影响分析

3.1 原设计施工工序

基坑从上至下分层开挖，车站主体基坑分3层开挖，通道、出入口、风井等附属结构基坑分2层开挖。其施工工序如下:

施工步骤1，开挖至地面以下2.9 m，此时还未施加第1道钢支撑，围护桩近似等于1根悬臂梁。

施工步骤2，开挖至地面以下8.1 m。

施工步骤3，架设第1道支撑。

施工步骤4，架设第2道支撑。

施工步骤5，开挖至地面以下13.2 m。

施工步骤6，架设第3道支撑。

施工步骤7，开挖至17 m。

3.2 原施工工序下围护结构变形仿真模拟结果

对于基坑工程，土体是产生荷载的主要来源，但同时也是支撑体系的一部分，支护结构的变形不仅影响基坑的稳定性，也会使土体所受到的荷载和分布形态发生改变;由于基坑土方开挖卸荷作用改变了原有的应力状态，基坑内侧土体减小了对桩的支撑作用，从而使基坑外侧土体的压力增大。图3为在每步开挖过程中的x方向位移变化云图;图4为在每步开挖过程中的y方向位移变化云图。

从图3、图4可知:

(1)基坑开挖的深度与围护结构的水平位移变化量呈正比，围护结构水平位移随着开挖深度的增加而增加，基坑的长边和短边都是在最后一次开挖结束后出现水平位移最大值。

(2)通过分析比较各开挖步骤中墙体水平位移的分布情况，可知，第1步开挖后，墙体水平位移不大，此时围护结构受力形式类似1根悬臂梁，最大位移在墙顶，往下逐渐减少;第2步开挖后，墙体的位移分布形态有了一定变化，最大位移值点出现于开挖面以下6～7 m处;第3步、4步开挖后，随着钢支撑的架设完毕，墙体最大位移出现在各边中上部。上部土体位移也有一定的扩展，基坑可能存在安全隐患。

(3)桩底的位移慢慢地增大，这是由于土方开挖使桩体内侧的侧压力减少，同时，剩余土体得到部分卸荷回弹变形，在竖向得到弹性恢复，进而产生水平向的移动。

图3 原方案开挖过程中x方向位移云图Fig.3 Displacements in x direction during the excavation in the original scheme

3.3 施工工序的优化

只要基坑空间满足支撑架设要求，就应该及时架设钢支撑，以保证围护结构的稳定。所以，下面将原施工工序进行优化，来研究施工步序的不同对基坑的稳定性产生的影响。

图4 原方案开挖过程中y方向位移云图Fig.4 Displacements in y direction during the excavation in the original scheme

(1)施工步骤1:初始地应力分析，在施工过程中，土方开挖是在土体自重作用下固结沉降后开始的。

(2)施工步骤2:进行钻孔灌注桩施工。

(3)施工步骤 3:开挖至2.9 m(其中超挖0.5 m)，此时还未施加第1道钢支撑，围护桩近似等于1根悬臂梁。

(4)施工步骤4:施加第1道钢支撑并开挖至8.1 m(其中超挖0.5 m)。

(5)施工步骤5:施加第2道钢支撑并开挖至13.2 m(其中超挖0.5 m)。

(6)施工步骤6:施加第3道钢支撑并开挖至17 m基坑底。

3.4 优化后的模拟结果云图及对比分析

图5、图6为优化后不同施工步骤下基坑侧壁的水平位移变化云图。

图5 优化后不同施工步骤下x方向位移云图Fig.5 Displacements in x direction at different excavation steps in the optimized scheme

图6 优化后不同施工步骤下y方向位移云图Fig.6 Displacements in y direction at different excavation steps in the optimized scheme

由原施工工序模拟图与优化后施工工序模拟图对比分析可知:

(1)钢支撑的架设对限制围护结构的水平位移效果显著。在支撑未架设前，墙体受力类似于悬臂梁;架设后，受力状态改变，类似于杆件，使挡土效果得以加强。在第1步开挖之后及时架设钢支撑与开挖到8.1 m后再架设第一道钢支撑的位移云图对比分析可以看出，图5(b)与(d)的位移量明显小于图3(b)与(d)，且发生最大位移的位置偏于中下部，基坑上部位移值较稳定。这是由于施工工序的优化使得第1道钢支撑的架设非常及时的缘故。

(2)调整后的施工工序下开挖到底后短边和长边的位移量均小于原施工工序下的开挖变形量。由此可见，优化施工工序后的基坑较原设计施工工序的基坑偏于稳定。

(3)基坑围护结构的位移云图形态出现较大变化，优化后云图呈“中部崛起”，最大位移出现在各边中下部，这是由于施工工序的变化从而使得第1道支撑架设及时，连续墙上部有了一定的支撑的缘故。由分析可知，基坑围护结构的变形情况与施工工序有很大的关系，施工工序越准确，上部土体变形越小，反之越大。

4 结论

本文通过国际著名岩体工程软件MIDAS GTS对武汉地铁名都站深基坑工程的数值仿真模拟，得出施工工序的变化影响基坑围护结构稳定性的几点规律，可以为类似的工程提供参考。

(1)在钢支撑架设之前，基坑的稳定性完全由地下连续墙提供，此时连续墙的受力状态类似于悬臂梁，底端弯矩增长过大，极不利于基坑的稳定，变相说明了及时架设内支撑的重要性。

(2)在不同的施工工序中，总是存在超挖现象严重、支护不及时等现象，由分析可以看出，由于支撑架设不及时，使得连续墙的变形形态发生了较大的变化，尤其是上部结构位移较大，容易形成内倾，可能影响安全。

(3)施工工序的变化对基坑的稳定性影响很大。因此，在基坑工程的施工过程中，要注重施工工序的优化，从而保证基坑工程的安全，为以后武汉地区基坑工程的施工提供值得借鉴的经验。

(4)基坑开挖具有明显的时空效应，开挖之后的暴露时间对基坑变形的影响很大。基坑开挖的施工工序要遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则。故在实际施工中，要注意随挖随撑，谨防过度超挖。

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