基于Midas/GTS的深基坑数值模拟分析

马 野 王瑞芳 雷 颖

(武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430081)

本文以武汉市某深基坑工程项目为依托，利用Midas/GTS有限元软件建立三维有限元结构模型，分析了各种工况下的围护结构的受力和变形情况。鉴于深基坑工程与已运营的地铁线路敏感的位置关系，同时探讨了深基坑施工对临近地铁隧道区域的影响。通过与实测数据对比，验证了Midas/GTS在基坑桩撑支护设计分析方面的适用性，在一定程度上，提高深基坑支护结构设计水平，保障了基坑施工的安全，为今后深基坑支护工程的数值模拟提供借鉴。

1 工程概况及地质情况

深基坑工程位于武汉市中南路附近，基坑面积约3 725 m2,周长约255 m，上部结构约60层，下部预设3层地下室。基坑长约71.6 m，宽约52 m,深13.6 m。本工程采用钻孔灌注桩+内支撑的支护方案,其中围护桩长27 m,钻孔灌注桩径φ=1 400 mm,桩间距1 800 mm，桩间挂钢筋网并喷射混凝土辅助挡土。自上而下内设两道内支撑，分别位于-4.6 m,-10.3 m。内支撑及冠梁，腰梁截面尺寸见表1。基坑西侧临近中南路和地铁2号，4号线，支护距离中南路道路中线最近约33.1 m,距离轨道交通控制线最近2.05 m,距离最近地铁隧道外壁约为13.2 m。

表1 内支撑结构截面尺寸

工程地质条件如下：武汉市处于长江冲击平原的中游地区，工程地质条件极为复杂，不同土层分布不均。根据该深基坑项目岩土工程勘察报告，在场地勘察深度内，按照土层的特性对基坑场地土质进行划分，其详细的物理参数如表2所示。

表2 土层物理力学参数

2 Midas/GTS数值模型的建立

2.1 基本假定及边界条件

为简化计算规模、保证运算结果收敛，做出基本假定如下：

1)土体均采用摩尔—库仑本构模型计算，钢筋混凝土和钢立柱均按线弹性材料考虑；2)假定基坑及周围土体为成层均质水平分布；3)不考虑地下水在基坑开挖过程中的影响；4)φ1 400@1 800围护桩按等刚度转换原则折算成厚800连续墙，折算规律如图1所示。

其中，D为灌注桩直径,m；t为桩间空隙距离,m；H为等效后桩墙体系的厚度，m。

计算模型的边界条件为：模型顶面为自由边界，侧面水平方向固定，底面水平和垂直方向均固定。

2.2 模型结构设计参数

深基坑支护结构在Midas/GTS软件中的详细的设计参数及本构关系假定见表3。经过材料参数的输入和地层分布的设置及数值网格的划分后，基坑围护体系与隧道支护系统部分模型(周围土层被隐藏)如图2所示。

表3 支护结构设计参数

2.3 模拟工况

在模拟不同工况时，可利用Midas/GTS提供的“激活”与“钝化”功能实现对基坑不同施工工况的模拟。“钝化”是指将钝化单元的刚度、荷载和质量设置为0，从而不让载荷向量生效。首先建立初始地基模型，添加基坑约束组和载荷组，计算达到初始应力平衡。经位移清零后，按照施工顺序逐步钝化，激活相应单元，直至结束。其中定义的施工工况如下：1)场地初始地应力分析；2)位移清零；3)开挖到-1.00 m；4)设置第一道内支撑；5)开挖到-6.70 m；6)设置第二道内支撑；7)开挖到-13.6 m；8)施工地下室底板。

3 数值模拟结果分析

3.1 不同工况对围护结构的影响

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，也会使土体所受到的荷载和分布情况发生改变[1]；在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体应力状态发生改变，这种改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力和变形中任何量值超出允许值，都将造成基坑的失稳破坏进而会使周围临近建筑物及地下结构遭受破坏。因此，基坑的变形在某种程度上决定着基坑的稳定性。由于篇幅的限制，以下仅显示深基坑围护结构在工况7状态下某一荷载步作用下的X方向的位移云图，如图3所示。在Y方向的水平位移云图与X方向的云图数值分布相似，方向不同，故不再赘述。

表4 基坑位移控制数据

基坑位移位移大小/mm一级控制标准/mm备注围护桩最大水平位移18.223.8满足要求地面最大沉降13.417满足要求

由图4,表4可知，基坑开挖的深度与围护结构的水平位移变化量成正相关关系，即围护结构水平位移随着开挖深度的增加而增加[5]。基坑及其围护结构水平方向上最大位移量的模拟值与实测值的变化趋势相同，数据大小基本吻合，说明本文所建立的有限元模型是合理的，同时对比控制数据得出基坑的围护结构处于安全的工作状态，基坑设计方案合理可靠。

3.2 基坑施工对地铁隧道区域的影响分析

由于基坑开挖导致基础周边及坑底土体卸载，地应力释放而重新分布，基坑底部隆起，围护结构向坑内发生侧移，导致地铁隧道结构内力发生变化[6]。根据计算结果，基坑在开挖到底，未施工地下室底板前，地铁隧道区间内衬砌水平位移和竖向位移均达到最大值，提取结果如表5所示。

表5 地铁隧道位移控制数据

通过与一级控制标准值对比分析，在正常的施工条件下，该深基坑的施工导致地铁隧道内力位移发生变化不影响地铁车站的安全性，即地铁车站和相邻区间处于安全范围内。

4 结语

通过利用有限元软件Midas/GTS的计算，分析了基坑开挖过程中支护结构内力与水平位移的分布规律，以及对临近地铁隧道的影响。主要有以下两点结论：1)通过对深基坑不同施工工况的三维数值模拟，不仅能形象的模拟基坑围护结构的位移、变形及内力分布状态，而且可以弥补岩土工程中施工多变性难以量化的空缺，同时与实时监测数据协调起来，为基坑围护结构的安全性分析提供更有利的技术支持[7]。2)基坑开挖会造成临近地铁区域隧道结构发生一定程度的水平侧向位移和竖向位移，即基坑开挖变形存在显著的三维空间效应。但地铁区域间隧道结构的最大变形量可控制在20 mm以内，属于安全范畴[8]。运用Midas/GTS数值分析模拟计算软件分析基坑施工过程对临近地铁区域的影响，比较符合工程实际情况，对后期类似工程有一定的指导意义。