周 健，杨 艳，唐玉阳，程春英

(1.中楚工程勘察设计咨询有限公司，武汉 430073；
2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430014；
3.湖北别一阁钢结构科技开发有限公司，武汉 430070)

在目前“双碳”目标的大背景下，武汉市作为国家可再生能源建筑应用示范城市，在某商务区规划了一座江水源能源站满足区域供冷供热需求。由于中心城区土地供应紧张，能源站设置于地下且紧邻长江，此时基坑开挖时的自身稳定及对周边环境的影响显得尤为重要。李方成等[1]利用Midas对武汉某深基坑施工过程进行了仿真模拟计算并分析了其对基坑稳定性的影响。孙超等[2]对长春某基坑施工过程进行模拟，并结合现场实际监测数据进行了对比分析，表明计算模型与实际吻合，模拟软件Midas 具有一定的可靠性。

该工程位于长江Ⅰ级阶地，地质构造与水文地质条件较复杂。通过对深基坑开挖的施工过程进行数值模拟，计算各工况下的围护结构内力及土体变形，结合实际监测数据验证数值模拟的正确性，分析深基坑施工对周围环境的影响，为基坑施工的安全提供技术保障，同时也可为汉口滨江地区基坑工程提供参考。

该项目为地下一层设备用房，主要包括控制室、配电室、设备间、蓄能水槽等。设备机房布置于能源站中部，蓄能水槽布置于建筑南部，控制室、配电室布置于西北部，且位于拟建地下市政环路正上方。由于能源站与拟建环路空间关系密切，为节省投资，业主拟将两单体工程基坑合二为一。合建后站房基坑平面近似矩形，长约130 m，宽约80 m，周长约420 m，总面积约1.1万m2。基坑普挖深度10.20 m，局部开挖至12.90～14.80 m，安全等级为一级。

1.1 周边环境

拟建场地周边环境较为复杂，分布有已建道路、住宅小区等。其中西侧100 m处为已建住宅小区；
北侧边界为已施工地下连续墙；
南侧为沿江大道及防洪墙，道路红线距离支护结构外边线距离最大约6.0 m，距离堤防防洪墙最小约60 m，且沿线分布有燃气、雨水、电力、通信等各类地下管线。

1.2 地质条件

拟建场地位于长江Ⅰ级阶地，属长江冲积平原地貌，地形平坦，地质构造、水文地质条件较复杂。根据该项目岩土工程勘察报告，开挖深度范围内主要土层为：①杂填土；
②粉质黏土夹粉土；
③粉细砂夹粉土；
④粉细砂。其详细的物理参数如表1所示。

表1 岩土物理参数表

1.3 基坑支护方案

该工程基坑支护设计方案为：1)北侧利用已施工地下连续墙进行支护，地连墙厚1.0 m，深48 m；
2)东侧、西侧、南侧采用桩顶放坡+钻孔灌注桩+一道(局部两道)钢筋砼桩，桩长约20 m，桩身混凝土强度等级为C30；
3)侧壁采用悬挂式止水帷幕(即两排三轴搅拌桩)防渗止水，基坑内设置管井降水。

2.1 基本假定与边界条件

根据该工程场地工程地质条件和基坑支护设计方案，利用Midas GTS有限元软件，考虑模型的尺寸效应，建立基坑的三维数值模型模拟基坑开挖过程。为简化计算、保证运算结果收敛，针对该项目做如下假定：1)假定土体为水平层状分布，土体为均质体；
2)土体本构模型选用修正Mohr-Coulomb模型，钢筋混凝土及钢结构为弹性模型；
3)土体不考虑排水固结及地下水渗流的影响。

根据相关规范与工程经验[3-6],深基坑数值模型的计算深度取基坑底部以下2～3H，影响宽度取3～5H(H为基坑开挖深度)，模拟计算区域的面积为300 m×200 m。边界条件为：底面水平和垂直方向均固定，侧面水平方向固定，顶面自由。该模型中涉及的土层按照不同材料分为7层，材料参数选取见表1、表2。

表2 土层材料参数表

同时支护桩按等刚度转换原则折算成相应厚度连续墙。折算规律如式(1)所示。

(1)

式中,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。折算后，φ1 200排桩折算成930 mm厚连续墙,φ1 400排桩折算成1 100 mm厚连续墙。

2.2 开挖模拟工况

首先建立土体网格模型并赋予相应材料属性，添加约束组和荷载组，然后根据施工顺序逐步钝化土体网格，激活相应支护单元，最后运行分析。此次模拟将基坑施工分六步工况进行：

工况1：初始地应力计算。

工况2：浇筑排桩，嵌入基坑底部土体20 m，同时施工立柱桩。

工况3：桩顶放坡开挖至-3.6 m(假定自然地面为0.000 m)。

工况4：开挖土体至-4.6 m，在-3.60 m浇筑第一道钢筋混凝土支撑。

工况5：开挖土体至-10.2 m，在-9.20 m处浇筑第二道钢筋混凝土支撑。

工况6：开挖至坑底-12.9 m，局部开挖至-14.8 m。

3.1 基坑变形分析

1)排桩变形

南侧(基坑长边)排桩在基坑开挖至-4.6 m后，排桩刚开始发挥支护作用，桩身最大位移为0.75 mm，但桩顶位移接近0 mm；
开挖至坑底-12.9 m后，距离桩顶(含冠梁)5.0 m处位移最大，达到最大9.75 mm；
东侧(基坑短边)排桩在基坑开挖至-4.6 m后，排桩刚开始发挥支护作用，桩身最大位移为0.77 mm，桩顶位移为-0.3 mm；
当开挖至-10.2 m(第二层支撑底)时，桩身最大位移为3.76 mm，桩顶位移为3.38 mm；
开挖至坑底-14.8 m时，桩顶位移为6.46 mm，桩身最大位移为8.33 mm，距离桩顶(含冠梁)约6.0 m。图1、图2给出了位于基坑长边南侧(即沿江大道侧)中部的CX05#及东侧中部的CX08#监测点在支护结构部的水平位移。可以看出：(1)基坑南、东侧围护结构水平位移随着开挖深度的增加,呈现不断增大的趋势。在开挖至坑底时达到最大值，位移最大处为距离支护桩(含冠梁)4～6 m处。(2)将数值模拟分析结果与现场监测数据比较,差距最大处为桩顶处3.86 mm，最小处仅为0.02 mm。这是由于软件中土体采用修正摩尔库伦模型，计算时考虑了土体的卸荷回弹，此时桩体与土体协调变形，故桩顶偏向基坑外侧，水平位移计算值会略小于实测值；
随着土体深度加大，外部土体受基坑开挖卸荷影响越来越小，这时水平位移计算值又较为接近实测值。因此，Midas GTS 软件在该工程案例应用中具有一定的准确性与可靠性。(3)按照《湖北省基坑工程技术规程》的相关规定：重要性等级为一级的基坑工程支护结构水平变形控制值最大限值为30 mm，该工程实测水平位移最大值为 12.88 mm，满足规范要求。

2)地下连续墙变形

图3为基坑北侧地连墙各工况的水平位移，基坑开挖至-4.6 m后，第一层支撑还未完全发挥作用，开挖卸荷致使墙体顶部位移约为0.38 mm，墙身整体位移较小；
开挖至坑底-10.2 m时，支护结构与第一层支撑开始工作，墙体发生弯曲变形。由于支撑的限制作用，水平位移最大处并非墙顶，而是发生在距离墙顶5.6 m处，约17.5 mm，深度超过32 m后变形逐渐减小。与现场监测结果相比，墙身位移曲线趋势变化大致相同，但数值略有差别，这是由于现场施工时在地连墙施工时对外侧土体利用高压旋喷桩进行了加固，增大了土体抗剪强度及压缩模量，因此桩顶位移实测值相对较小。

3)基坑土体隆起与沉降

根据数值模拟结果，基坑开挖至-3.6 m后，坑底隆起变形，最大竖向变形量达10.2 mm，基坑周围在外荷载及坑内开挖卸荷作用下变形量隆起约3.5 mm；
开挖土体至-4.6 m(第一层支撑底)后，坑底隆起量最大约为12.70 mm，基坑周边竖向位移无明显变化；
开挖土体至-10.2 m(第二层支撑底)时，坑底隆起量最大约为34.1 mm，基坑周围最大沉降约4.5 mm，最大隆起约0.8 mm，变形量极小；
开挖至坑底-12.4 m，坑底隆起量为39.5 mm，基坑周围位移无明显变化。可见，随着基坑开挖深度的加深，坑底隆起变形在逐渐增大，位移量超过20.0 mm的范围也进一步扩大；
基坑周围沉降变化量虽然也处于增加趋势，但逐渐趋于稳定。因此可以看出基坑开挖对坑内土体竖向位移影响较大，对基坑四周土体竖向位移影响却不明显[7,8]。

由图4、图5可知，地表沉降呈现时空分布规律，在时间上随着基坑工程的进行，地表沉降值逐渐增加，基坑周边各监测点沉降曲线趋势基本相同；
在空间上，地表沉降主要与距离深基坑边缘的距离有关，土体沉降值随着距离的增加逐渐增大，在达到最大值之后，随着距离的增加而逐渐减小，最终保持稳定。

沉降变形计算值与实际监测数据变化趋势相同，但实际监测数据要大于计算数值，这主要是由于计算模型未考虑由管井降水引起的土体沉降造成的。

3.2 支护结构内力

1)支护结构内力

基坑周边支护结构产生的桩(墙)身最大弯矩为888.4 kN/m，剪力为433.90 kN。

2)内支撑内力

随基坑开挖深度的增加，第一、二层支撑逐渐发挥作用，内支撑及围檩轴力不断增大直至稳定。内力计算值见表3。

表3 支护结构内力统计表

3.3 环境影响分析

基坑南侧距离沿江大道边线约6 m，通过模拟计算与现场实际监测数据分析可知，道路边线最大水平位移为3.9 mm，最大竖向位移为13.1 mm；
道路中心处最大水平位移为1.9 mm，最大竖向位移为6.9 mm；
堤防防洪墙最大水平位移为0.7 mm，最大沉降小于2.0 mm。道路及防洪墙总沉降量均未超过《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)与《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)规范中限值，故基坑开挖对道路与各类管线及堤防安全稳定运行均不构成影响；
基坑东侧、北侧均为空旷地带，且支护结构变形在规范限值范围以内，西侧住宅小区处位移变化量极小。因此，基坑开挖不会影响周边环境安全。

a.基坑外部土体隆起仅在开挖第1阶段到第2阶段较为敏感，后期逐渐趋于稳定。开挖至基底时，土体隆起明显，故开挖结束后应尽快施工结构底板，避免变形加剧。

b.基坑周边沉降值的变化趋势与地表沉降较为一致，且与基坑距离呈反比。

c.支护结构水平位移随着开挖深度的增加而增大，且支护结构变形特点为上端大、下端小，由于桩顶内支撑的作用，桩身最大位移出现在上部1/3桩长处。

d.根据实测数据反演计算，桩底水平位移趋近于零，模拟时桩端可适当限制桩端水平位移。

e.基坑开挖对周边环境，特别是对沿江大道与堤防安全稳定运行不造成影响。

f.虽然数值分析结果与实测结果略有差别，但两者变化趋势基本吻合，因此采用Midas GTS进行基坑开挖支护的全过程数值模拟分析，能够检验基坑支护方式的合理性，也能为实际基坑开挖提供数据支撑。

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