軟土區地鐵工程深基坑降水施工數值模擬分析

摘 要：【目的】研究軟土區地鐵工程深基坑降水施工的滲流場及應力場變化規律。【方法】依托于福州某地鐵站豎井工程，建立基于不同開挖步序及降水條件的有限元模型，分析降水施工過程中軟土區基坑開挖滲流場及應力場的變化規律，并通過應力監測結果對比有限元模型的可行性，最后提出施工建議。【結果】研究結果表明，止水帷幕能夠有效控制基坑內部地下水的孔壓及流速，從而降低排水難度，由于排水固結的作用，豎向應力隨開挖深度的增加，穩定性逐步提高，水平方向被動土壓力增加迅速，水平應力隨開挖深度的增加較為明顯。【結論】施工時應加強下部結構的支護，以預防基坑在施工過程中發生失穩坍塌事故。

關鍵詞：軟土區；深基坑降水；有限元；數值模擬

中圖分類號：TU753 " " 文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2025）06-0066-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.06.012

Numerical Simulation Analysis of Deep Foundation Pit Dewatering

Construction of Subway Project in Soft Soil Area

LIN Huaming1，2 ZHANG Shengbin1，2 WU Lintao1，2 HUANG Tengfeng1，2

（1.Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd.， Fuzhou 350025， China; 2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology， Fuzhou 350108， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the change law of seepage field and stress field in dewatering construction of deep foundation pit of subway project in soft soil area. [Methods] This paper is based on the geological properties of a certain site in Fuzhou and establishes finite element models under different excavation sequences and groundwater conditions to analyze the changes in the seepage field and stress field during the excavation process in the soft soil area of a basement pit under groundwater control conditions. It also compares the feasibility of the finite element model through the stress monitoring results and finally proposes construction suggestions.[Findings] The research results show that the cutoff wall can effectively control the pore pressure and flow velocity of groundwater within the excavation， thereby reducing the difficulty of drainage. Due to the consolidation settlement effect， the vertical stress increases gradually as the excavation depth increases， and the stability improves. The passive earth pressure on the horizontal direction increases rapidly， and the horizontal stress increases more obviously as the excavation depth increases. [Conclusions] During construction， the reinforcement measures of the support system of the substructure should be strengthened to prevent the instability collapse of the foundation pit during construction.

Keywords： soft soil area; deep foundation pit dewatering; finite element; numerical simulation

0 引言

從地質條件看，福建省主要處于富水河岸及降水密集的環境，多數區域為軟土地質并存在豐富的地下水，在鐵路建設過程中，基坑開挖的施工難度大大增加。因此，掌握基坑開挖過程中的水力分布對軟土區工程的安全施工具有重要意義。

在基坑降水施工過程中，砂質及粉質土層的流變性不斷變化，受力過程較為復雜，處理不當容易出現基坑失穩而引發事故，為解決基坑降水難題，大量學者對此展開了研究。徐忠濤［1］基于文獻總結了富水地區軟弱土層深基坑降水開挖的受力變形規律，并通過實例工程建立有限元模型，提出改進方法并依據相關專業軟件優化設計要點；王順［2］從基坑降水滲流場的角度分析了降水過程的變化規律及地表沉降的變化規律，為工程建設提供了有力的指導依據；王婷婷［3］依托于某沿海軟弱地層項目，建立了深基坑開挖降水計算模型，總結了對降排水的影響因素，并得出地表沉降引發的環境損傷程度；張威［4］以某地鐵車站項目為例，研究軟土場地深基坑施工降水對地面沉降的影響，得到了不同軟土參數變化引起的地面沉降規律，為深基坑開挖降水的施工設計提供理論依據；王水育［5］基于沿海復雜地層的地鐵車站基坑降水工程，通過建立有限元模型來分析地表變形變化規律，總結了降水運動方向與地表沉降的內在聯系，通過優化現場實際施工方案，保證了基坑開挖的安全性；阮艷妹等［6］以沿海富水區某深基坑開挖項目為例，進行了降水回灌現場試驗與監測分析，比較了不同降水回灌工況對周邊建筑物的影響，獲得了最佳的降水回灌方案。

以上研究表明，軟弱土層的基坑降水施工對基坑及周邊環境影響較大，為有效指導基坑和降水施工，本研究以福州市某地鐵站豎井工程為例，分析軟弱土層深基坑開挖的滲流場及應力場變化規律，通過現場實際監測結果驗證模型的合理性，并提出深基坑降水施工建議，為類似工程項目提供參考。

1 基坑降水工程概況

1.1 基坑概況及圍護體系

福州市某基坑工程為軟土區地鐵豎井降水開挖，地下水位在地下2.0 m處，基坑開挖范圍為18 m×20 m，開挖深度為16 m，降水方式采用坑內井點降水法進行降水。在施工過程中，水位基本控制在開挖面以下1 m處，第一次降水至地下7 m，降水深度為5 m，開挖深度為7 m；第二次降水至地下9 m，降水深度為2 m，開挖深度為2 m，第三次降水至地面下11 m，降水深度為2 m，開挖深度為2 m；第四次降水至地下13 m，降水深度為2 m，開挖深度為2 m；第五次降水至地下17 m，降水深度為4 m，開挖深度為4 m。基坑止水帷幕采用地下連續墻，深度為18 m，支撐體系采用混凝土支撐。基坑及圍護示意如圖1所示。

1.2 軟土場地工程地質特點

根據地質勘探資料顯示，該地鐵基坑工程擬建軟土場地為第四紀沉積地層，第一層雜填土層厚為5.0～7.0 m，第二層淤泥質黏土層厚為3.6～4.5 m，第三層砂質黏土層厚為5.2～6.8 m，第四層粉質黏土層厚大于8 m。

擬建軟土場地具有豐富的地下水，水位在地下2.0 m處，周邊主要為閩江河道及分支河流，根據福建省氣候條件，河道水位常常由于雨季降水天氣的影響，潮汛變化較為明顯。地下潛水區主要集中在淤泥質黏土區域，在冬季施工時，水位變化較小，基本穩定在1.6～2.4 m之間。承壓水主要集中在砂質黏土、粉質黏土及以下區域，水頭埋深為2.3～8.8 m，土層中承壓水位受雨季影響較小，相對較穩定。

2 建立基坑降水施工模型

根據該工程施工及地質特點，建立有限元仿真模型，本研究僅分析該工程軟土區基坑土體滲流場及應力場的變化規律，因此為簡化模型計算，在建模時，將圍護體系按照邊界條件進行處理。根據開挖步序及降水施工之間的關系，將模型簡化為3步降水開挖，第一次降水持續7 d至地下9 m，開挖至地下8 m；第二次降水持續4 d至地下13 m，開挖至地下12 m；第三次降水持續4 d至地下17 m，開挖至地下16 m，之后水位穩定在地下17 m位置處。

利用對稱性假設，選取基坑一半作為研究對象，建立的模型尺寸為60 m×20 m×24 m，數值模型采用修正摩爾-庫倫本構模型，非飽和特性函數采用加德納系數函數。模型整體建立7 843個節點及6 420個單元，有限元模型如圖2所示。根據地質勘探資料及綜合土體的影響范圍，設置土層計算物理參數，見表1。

3 軟土區基坑開挖滲流場分析

止水帷幕能有效控制坑內及坑外的水位差，從而降低施工過程中由于流砂等引起的破壞，同時有利于坑內地下水的疏干，減少地表不均勻沉降。因此掌握排水過程中滲流場變化規律，可為優化排水方案提供依據。

3.1 土體降水孔壓規律

軟土區基坑工程孔壓變化如圖3所示。為了更好地研究基坑孔壓變化規律，選取基坑底部中心下1.0 m處的孔壓繪制不同降水深度的孔壓變化曲線，圖中降水深度范圍為2.0～17.0 m。

由圖3（a）可知，在降水深度維持在離地面以下17.0 m處時，基坑周邊呈現漏斗曲線的形狀，基坑底部中心以下1.0 m處的孔壓值為33.78 kN/m2，坑內同一高度的孔壓變化不明顯，但由于止水帷幕的作用，坑外孔壓明顯大于坑內的孔壓，由此可見，止水帷幕能有效提高坑內的降水效果。由圖3（b）可知，隨著降水深度的不斷提高，基坑中心底部以下1.0 m處的孔壓不斷減小，曲線基本呈現指數函數減小的趨勢，最終趨于平緩。

3.2 土體降水流速規律

軟土區基坑工程流速變化如圖4所示。選取基坑底部中心下1.0 m處且距基坑中心23.0 m的范圍繪制不同降水深度的流速變化曲線。

由圖4（a）可知，降水帷幕底部處的流速較大，坑內滲流速度明顯小于坑外，表明止水帷幕有效阻止了坑外地下水的流入。圖4（b）為3次降水距基坑中心23.0 m范圍內的流速變化，從數值上看，最大流速為1.56 mm/d，且主要集中在止水帷幕底部，流速相對較小，這是由于軟土區土層滲透系數較小，排水效果較差，施工排水時難度大。在同一降水深度處，距離止水帷幕越遠，流速越小，隨著降水深度的增加，流速具有先迅速增加后緩慢增加并趨于穩定的趨勢，說明止水帷幕在一定深度時，流速變化不明顯。

4 軟土區基坑開挖應力場分析

在降水開挖施工過程中，受施工擾動、降水應力

力重分布的影響，土體具有一定的受力變化，研究其應力場的發展狀況能夠有效把控基坑的受力分布。本研究選取基坑側壁的應力繪制不同開挖深度的應力變化曲線，開挖深度范圍為0～16 m。

4.1 土體豎向應力規律

軟土區基坑工程豎向應力變化如圖5所示。

由圖5（a）可知，隨著基坑側壁深度的不斷增加，土體的豎向應力呈現逐漸增加的趨勢，在止水帷幕底端出現應力集中的現象，因此在止水帷幕施工時應加固底部。由圖5（b）可知，基坑側壁的豎向應力基本呈現線性增加趨勢，且隨著開挖深度的增加，上部應力呈現指數函數降低的趨勢，說明在排水后，由于排水固結的作用，軟土區開挖面上部的豎向應力分布隨開挖深度的變化逐漸減小。

4.2 土體水平應力規律

軟土區基坑工程水平應力變化如圖6所示。

由圖6（a）可知，土體具有向基坑一側傾斜的趨勢，說明隨著基坑側壁深度的增加，土體的被動土壓力增加明顯，在止水帷幕底部，也出現了應力集中的現象。由圖6（b）可知，隨著開挖深度的增加，基坑開挖面以上的水平應力增加不明顯，隨深度的增加，水平應力變化具有明顯的波動變化，波動位置主要集中在離開挖面依次為5.0、7.0、9.0、11.0和15.0 m位置處，說明基坑側壁中部的水平應力較不穩定，應注重中部的加固設計。隨著開挖深度的不斷增加，基坑側壁的水平應力分布隨開挖深度的增加呈現指數增加的趨勢，被動土壓力增加明顯。

5 基坑應力監測及施工建議

5.1 基坑應力監測結果

為驗證建立的模型是否可靠，根據現場實際施工，在止水帷幕中部的外側表面沿基坑深度方向每隔0.8 m布置一個水平應力監測應變計，以監測土體與止水帷幕接觸面的應力狀態，獲得數值結果與實測結果對比如圖7所示。由圖7可知，數值模擬結果與實際監測結果的變化規律較為吻合，偏差百分比基本在20%以內，說明本研究建立的數值模型能夠較好地反映軟土區基坑受力變化規律。

5.2 軟土區基坑施工建議

該工程開挖主要以富軟土為主，淤泥質黏土、砂質黏土及粉質黏土的土層特性增加了基坑開挖的難度，基于此，本研究通過分析結果及現場實際開挖情況提出以下幾點建議。

①由于該工程開挖主要集中在砂土區及粉土區，在進行室內試驗時離散性較大，試驗結果的可靠性不高，因此要注意主動土壓力及被動土壓力破裂面及滑動面位置砂土及粉土的比例配制。

②該工程的砂土區及粉土區厚度較大，在地下水控制時應采用止降結合法，由于地下水位的下降對基坑周邊土體的擾動較大，在排水過程中容易出現土體固結的現象，因此應合理調整止水帷幕的施作深度，降低滲流路徑的影響。

③軟土區的流變性較強，在降水過程中較困難，持續變形及擠土效應導致軟土強度下降，甚至引起坍塌，因此應時刻掌握支護體系之間的受力變形情況，做好應急預案。

④在基坑開挖過程中，不對稱支護有可能導致支護體系受力不均勻，使構件承受較大的剪應力，因此應保持對稱開挖支護。

⑤開挖時應嚴格按照規范進行，進行多層多段開挖，并預留足夠的應力釋放空間，地下連續墻及混凝土支護體系施工時應保證有足夠的強度、剛度和穩定性，避免發生支護體系破壞現象。

6 結論

本研究以福建省福州市軟土區某基坑工程地鐵豎井為例，通過建立有限元模型，分析了基坑開挖降水的滲流場及應力場變化規律，并提出了軟土區基坑開挖降水施工建議，得出以下結論。

①在止水帷幕附近，孔壓呈漏斗狀，說明止水帷幕能有效降低基坑內部的孔壓，在一定深度時，有助于坑內排水，加速土體的排水固結。

②由于排水固結的作用，豎向應力隨著開挖深度的增加逐漸趨于穩定，但在止水帷幕的底端容易出現應力集中現象，因此應做好加固措施。

③從水平應力上看，軟土區的水平應力出現小區域的不穩定狀態，且隨著開挖深度的增加，水平應力增加更為迅速，被動土壓力增加更為明顯。

④通過現場檢測驗證，得出本研究所建立的有限元模型能較好反映土體受力變化規律，根據研究結果及軟土區土層性質提出基坑施工建議，為類似工程提供參考。

參考文獻：

［1］徐忠濤.富水軟弱土層地鐵車站深基坑降水開挖與數值模擬分析［D］.南昌：南昌大學， 2021.

［2］王順.基坑降水對滲流場及變形影響的研究［D］.天津：河北工業大學， 2018.

［3］王婷婷.基于數值模擬的基坑降排水對周邊環境影響分析［J］.地下水， 2023， 45（6）：75-76，111.

［4］張威.軟土場地某地鐵車站基坑施工降水對地面沉降影響研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2014.

［5］王水育.考慮降水作用下濱海地層深基坑變形特性研究［J］.科技創新與應用， 2023 ，13（32）：108-111.

［6］阮艷妹，徐文田，李牧羽.沿海復雜地層深基坑地下水控制引發的地表沉降規律分析［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版）， 2023， 55（5）：712-719.