浅埋暗挖法施工地下通道的FLAC3D模拟分析★

章显斌

(福州职业技术学院，福建 福州 350108)

1 概述

随着国民经济的快速增长，城市地上空间已经不能满足发展的需求，地下空间的合理有效开发利用，已成为城市发展的必然趋势。城市地下工程大都位于交通要道及地上地下构筑物复杂地区，通常采用浅埋暗挖法进行施工。浅埋暗挖法是一种在离地表很近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的方法，具有造价低、拆迁少、灵活多变、无需太多专用设备及不干扰地面交通和周围环境等特点[1-2]。城市地下工程的暗挖施工周围一定范围内地层发生应力重分布，宏观上表现为地层位移及变形，影响范围大小取决于施工对地层扰动的程度。浅埋地下人行通道施工产生的地层位移可能造成地面沉降和塌陷、周边建筑物基础产生不均匀沉降、地面倾斜及水平位移、管线破坏等，进而影响其正常使用及运营[3-4]。本文利用FLAC3D数值分析软件，对地下人行通道浅埋暗挖施工引起地表的沉降规律进行分析，以期为合理设计、施工和优化浅埋地下人行通道提供依据。

2 FLAC3D软件介绍

FLAC3D是美国ITASCA国际咨询与软件开发公司在FLAC基础上开发的三维数值分析软件，可实现对岩石、土和支护结构等建立高级三维模型，进行复杂的岩土工程数值分析与设计等。它可解决诸多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题，例如分部开挖、大变形大应变、非线性及非稳定系统(甚至大面积屈服/失稳或完全坍塌)，在模拟岩土材料发生的塑性破坏或塑性流动方面要比其他软件更合理，在分析渐进破坏及崩塌现象等方面优势更突出，是世界上应用最为广泛的岩土分析三维数值模拟工具之一。本文采用FLAC3D 6.00版本进行分析研究。

3 计算模型

本文依托福建福州市区某地人行过街通道进行研究分析。为了节约计算时间，本文在建立数值计算模型时将地下人行通道部分简化为圆形单孔通道来模拟。城市地下人行通道是一个三维的空间结构，考虑工程施工扰动的影响，模型的计算区域取为：上边界取至地面，下边界取至通道底部6 m以下，横向取至距通道中线两侧各16 m，沿通道轴线长度为10 m。通道顶部覆土厚度为6 m，开挖直径为4 m，衬砌厚度为0.2 m。模型的坐标原点位于开挖圆形截面圆心处，Z轴竖直朝上，Y轴指向通道延伸的方向。根据施工方案及施工组织设计，模型边界条件如下：底面固定，前后Y方向边界约束水平位移，左右X方向边界约束横向水平位移，地表取自由边界。由于通道关于通道中心中心对称，故取通道截面的1/4来模拟。计算模型网格划分如图1所示。

本模型不考虑地下水的影响，仅施加重力场，土体在自重作用下达到平衡状态后再进行全断面开挖，每步开挖进尺为2 m，开挖过程采用边开挖边支护的方法施工。通道周围土体为黏土层，采用Mohr-Coulomb本构模型进行数值模拟，其物理力学参数如表1所示。衬砌的弹性模量为10.5 GPa，泊松比为0.25，应用弹性模型进行研究分析。

表1 土体的物理力学参数

4 计算结果分析

利用监测量测信息指导设计与施工是浅埋暗挖施工工序的重要组成部分。实践证明拱顶下沉是控制稳定较直观的和可靠的判断依据，水平位移和地表下沉也是重要的判断依据。根据施工方案，本文模拟了地下人行通道暗挖6 m的施工过程，其竖向应力云图及水平应力云图分别如图2,图3所示。由图中可以看出，通道开挖后，其四周尤其是拱脚出现了一定范围的塑性变形区，竖向最大应力出现在拱脚位置，其次是拱腰、拱顶位置。水平方向最大应力发生在拱顶位置，其次是拱腰、拱脚位置。开挖时应及时对各关键控制点进行现场监测与分析，以保证施工的正常进行。

由于通道的开挖引起了土层损失，打破了土层原有的应力平衡状态，土层通过应力重分布达到新的应力平衡状态，宏观上表现为土层沉降[5]。地下人行通道暗挖6 m后的竖向位移云图及水平位移云图分别如图4,图5所示。

由图可知，拱顶沉降和周边土层位移均能满足土体稳定性的要求，其中，竖向最大位移出现在拱顶地表位置，其次是拱顶、拱脚位置。水平方向最大位移发生在拱脚位置，拱顶位置因土体水平对称作用，水平方向位移最小。施工时应注意对关键控制点进行必要的分析和适时的监测，及时调整有关参数，保证位移变化控制在允许范围。

图6为位于通道轴线正上方地表沉降的变化曲线。图中数据表明，通道暗挖时靠近轴线处地表沉降较大，远离轴线处地表沉降较小，其横向分布类似正态分布曲线，满足Peck公式[6]描述的沉降变化。通过模拟分析可以看到该浅埋暗挖通道施工期地表最大沉降量为 0.21 mm，符合施工的实际情况，满足设计及施工规范要求。

5 结语

本文利用FLAC3D软件对一浅埋人行过街通道建立三维模型，以此为基础对其暗挖过程进行动态模拟和分析，得到通道施工时周围土体位移和应力的变化情况。分析结果表明，通道开挖后，竖向最大应力出现在拱脚位置，水平方向最大应力发生在拱顶位置，竖向最大位移出现在拱顶地表位置，水平方向最大位移发生在拱脚位置，地表沉降与Peck公式描述一致，符合施工的实际情况，满足设计及施工规范要求。