基于FLAC 3D的地铁基坑开挖数值模拟分析

倪建航

摘 要：本文以杭州钱江新城地铁9号线五堡站—六堡站区间基坑工程为依托，利用FLAC 3D软件模拟基坑开挖支护过程，对基坑开挖过程中引起的围岩变形和地表沉降过程进行数值模拟。地铁五堡站—六堡站区间基坑采用明挖法施工，分两层开挖，其中负二层为主要监测位置，两帮采用地下连续墙支护，开挖过程中采用钢筋混凝土梁做支撑。其间利用数值模拟，结合现场监测值，分析基坑开挖过程的变形和支护效果。经验证，数值模拟技术在基坑开挖过程中具有一定的指导性，可以为工程施工提供一定的参考。

关键词：明挖法;地铁区间;基坑开挖支护;FLAC 3D;数值模拟;变形分析

中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0101-04

Abstract： Based on the foundation pit project between Wubao Station and Liubao Station of Hangzhou Qianjiang New City Metro Line 9， the foundation pit excavation and support process was simulated by FLAC 3D software in this paper， and the surrounding rock deformation and surface settlement process caused by the excavation of the foundation pit were numerically simulated. The foundation pits between Wubao Station and Liubao Station of the subway are constructed by the open-cut method and excavated in two layers， among them， the second floor is the main monitoring location， the two sides are supported by underground continuous walls， and reinforced concrete beams are used as support during the excavation process. In the meantime， numerical simulation was used to analyze the deformation and supporting effect of the foundation pit excavation process in combination with the field monitoring value. It has been verified that the numerical simulation technology has certain guidance in the process of foundation pit excavation and can provide a certain reference for engineering construction.

Keywords： open cut method;subway section;foundation pit excavation support;FLAC 3D;numerical simulation;deformation analysis

随着社会的发展和进步，地铁的修建成为加快城市发展的关键，但随着城市规模的不断扩大，地铁修建需求增加，基坑工程量越来越大，其对城市地下围岩和地层的扰动越来越大，岩土层易发生变形、沉降，进而对地表设施产生不利影响。过去，基坑的稳定和变形分析往往是总结工程经验，不能定量地对基坑安全进行评价[1]。数值模拟方法可以有效地模拟基坑开挖过程中产生的岩土危害，可以从多方面综合地考虑岩土变形的因素，从而为工程施工提供一定的参考。吴意谦通过有限元软件建立基坑模型并进行开挖活动，分析了地铁车站基坑开挖过程中的变形规律，以指导现场施工[2];胡安峰等研究某地铁车站开挖过程中地下连续墙的水平位移随开挖深度和时间的变化规律，指出考虑基坑的时空效应，有助于人们更好地分析基坑變形规律[3];杨敏等利用FLAC 3D软件对上海世博会地下变电站基坑工程进行建模，模拟开挖过程，通过对土体弹性模量和地下连续墙刚度的研究，明确了这两个参数对基坑周边地表沉降的影响[4]。FLAC 3D（Fast Lagrangian Analysis of Contunua）软件是由美国ITASCA咨询集团公司开发的三维显式有限差分程序，目前已广泛用于岩土工程的数值分析[5]。

本文以杭州地铁9号线五堡站—六堡站区间基坑工程为例，基于三维软件FLAC 3D，建立五堡站—六堡站区间基坑模型并计算其负二层明挖法施工产生的变形，采用现场实测和数值模拟对比的分析方法，分析其开挖过程中的支护效果，并为现场施工提供一定的参考依据。

1 工程概况

五堡站—六堡站区间（下面简称五六区间）为连堡丰城4站3区间的第2个区间，该区间沿规划钱江东路布置，呈西南—东北走向。南侧边界为钱江东路道路红线，北侧边界为引水河南岸，如图1所示。

五六区间与连堡丰城项目共同开发，同步实施，地下二层基坑地下车库段宽为30.95 m，剩余段宽为11.90～24.10 m;地下一层放坡开挖宽度为70.00～90.00 m。基坑开挖深度为15.76～17.50 m，其中，地下一层放坡开挖深度为8.40 m，地下二层围护基坑开挖深度为8.00～11.50 m。

1.1 工程地质及水文地质条件

标段负二层基坑开挖深度为8.00～11.50 m，开挖深度范围内地层主要为砂质粉土、砂质粉土夹粉砂、粉砂，部分区域为砂质粉土夹淤泥质土。

本工程节点有现状河道四号港，河宽约为8.50 m，河深约为1.10 m（勘察期间），河两侧主要为浆砌石挡墙，其河岸处主要为粉（砂）土，透水性好，地表水与地下水水力联系密切。施工期间，现有河道废除，故不考慮河床影响。根据地下水含水空间介质和水理、水动力特征及赋存条件，拟建工程沿线地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两个大类，由于场地地下水水位埋深较浅，地下水位变化幅度较大，地下水位以上土层受毛细作用及雨水渗透影响，与地下水联系密切。在施工过程中，采取坑内降水措施，保证基坑底部稳定。

1.2 支护设计方案

五六区间基坑工程主要采用明挖法施工。五六区间结构标准段宽度为42.00 m。负一层拟采用多级放坡形式，基坑深度约为9.00 m。负二层采用地下墙+内支撑支护体系，基坑深度约为17.00 m，地连墙厚度为0.80 m，采用1道混凝土撑+2道钢支撑，此处主要研究负二层的基坑开挖。主要支护构件参数如表1所示。

2 数值模拟

2.1 计算模型

依据该工程的实际情况，基坑长度为813.00 m，呈西南—东北走向，本研究拟选取一半的实际工程尺寸进行分析。根据以往经验，五六区间岩土层分布较为均匀，区间受力分析大体一致，基坑基本处于同样的受力状态，选取一半的实际工程尺寸会影响计算效率。综合考虑，确定模拟基坑的尺寸为：基坑负一层宽度60.00 m，深度9.00 m，长度40.00 m;基坑负二层宽度20.00 m，深度8.00 m，长度40.00 m。模型总共有节点144 326个、单元135 000，计算模型比较大，建立模型的范围满足基坑开挖造成影响的区域，计算效率较高。

根据以往经验，开挖区域一般选开挖尺寸的3～5倍比较合理，基坑施工的次要影响范围为2～3倍基坑开挖深度[6]。因此，设置区域模拟180 m×120 m×50 m（长×宽×高）。如图2所示，pit 1和pit 2分别表示负二层和负一层的基坑模型。

2.2 本构模型及计算参数

FLAC 3D是美国ITASCA咨询集团公司推出的基于有限差分法的软件，可以分析渐进破坏和失稳，在大变形模拟方面优于其他模拟软件。它包括弹性材料模型、塑性材料模型、莫尔-库仑弹性材料模型、应变软化/硬化塑性材料模型等多种本构模型。

此次建模主要分为三部分，其中，基坑土体数值模拟采用摩尔库伦模型，在摩尔-库仑破坏准则基础上判断岩土体是否发生了破坏[7];地下连续墙采用实体单元来模拟，采用各向同性的弹性模型，墙体厚度为800 mm，使用C35砼进行浇筑;负二层内支撑采用Beam模型，模拟冠梁结构和钢管结构，分别输入C30钢筋混凝土的计算参数和钢管支撑的计算参数。FLAC 3D基坑支护计算模型如图3所示。

该地铁区间地层赋存状况按实际地层岩性及其物理力学性质分为6层，各地层自上而下依次为杂填土、素填土、砂质粉土、砂质粉土夹粉砂、粉砂，部分区域为砂质粉土夹淤泥质土。下面计算土层物理力学参数，如表2所示。

3 计算结果分析

3.1 位移计算结果分析

通过优化实际地层赋存条件，考虑开挖扰动影响范围，经过优化岩土体力学参数，本研究建立了合理的FLAC 3D数值模型并进行了准确计算。

开挖支护完成后的基坑位移云图如图4所示。本研究主要分析负二层的基坑开挖支护效果。当开挖基坑土体后，土体原有的初始应力平衡就会被打破，内力平衡重新分配，导致基坑变形，两侧基坑地表沉降。完成钢管支护和地下连续墙支护后，基坑的四周位移量是0.4～0.7 mm。对比现场开挖监测结果，结合深基坑的整个施工过程可知，基坑向坑内产生变形位移的速率慢慢减小，因为钢支撑的施加限制了基坑的进一步变形，架设内支撑在限制围护结构的位移变形方面是很有用的[8]。随着开挖深度的不断增加，基坑周围土体的竖向位移量也逐渐变大。但基坑底部仍存在一定的鼓起量，因此要提升底部的支护效果。

3.2 现场施工监测分析

严格监控施工各个阶段的地表沉降量大小以及变化规律尤为重要。图5为地表沉降现场实测值与模拟值对比。从图5可知，实测与模拟的沉降量存在一定差距。查阅资料后，笔者发现，该模型忽略了渗流、时空效应对基坑的影响，但整体与模拟的趋势相似，具有一定的参考价值，但为了实现更好的现场模拟效果，需要选取该现场部分进行一比一的环境构建。从图5中可以看出，基坑开挖产生的沉降影响范围还是很大的，因此在进行基坑开挖设计时，要重视周边的重要建筑物，及时监测其基础沉降，并采取对应的预防措施，防止产生不均匀沉降损坏建筑物。

基坑负二层开挖前，两帮进行地下连续墙支护。在开挖过程中，钢筋混凝土冠梁和钢管进行内支撑，随着基坑深度的增加，基坑整体的水平位移量变化并不大（见图6），与数值模拟结果比较吻合，其水平位移量最大主要发生在冠梁端部，需要多对基坑端部进行监测和加固，有效监控地下工程对临近建筑的影响。

4 结论

本文借助FLAC 3D有限差分软件，对杭州钱江新城地铁9号线五堡站—六堡站区间基坑工程开挖与支护进行数值模拟，并与现场监测数据进行对比分析。模拟结果表明，此软件可以分析并预测基坑开挖产生的变形，结果与现场监测数据较为符合，其对相似的基坑工程施工和设计有一定的参考价值。

开挖支护的有序进行是安全施工的基础保证。随着基坑深部的开挖，围岩的位移量不断扩大，同时基坑底部易出现底鼓现象，人们可以采用明挖法施工，边开挖、边支护，将基坑区域的位移量控制在0.4～3.0 mm。FLAC 3D数值模拟平均误差与现场监测结果较为相符，但其对地表沉降的模拟仍存在一定误差，主要原因是在进行FLAC 3D模拟时按理想模型进行计算，考虑的因素少，不考虑渗流、时空效应对基坑周围沉降范围产生的影响。

参考文献：

[1]马宏，季聪，杨瑞刚，等.利用FLAC 3D对基坑支护数值模拟分析[J].世界地质，2013（4）：857-861.

[2]吴意谦.兰州市某地铁车站深基坑变形规律数值模拟研究[D].兰州：兰州理工大学，2013：18-19.

[3]胡安峰，张光建，王金昌，等.地铁换乘车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学，2012（34）：77-81.

[4]杨敏，卢俊义.上海地区深基坑周围地面沉降特点及其预测[J].同济大学学报（自然科学版），2010（2）：48-53.

[5]李磊，段宝福.地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2013（1）：2684-2691.

[6]GOTO Y.Cracks formed in concrete around deformed tension bar[J].Journal of American Concrete institute，1971（4）：2244-2248.

[7]丰友山.西安大雁塔车站基坑开挖稳定性的研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2016：19-20.