基于FLAC3D的地铁盾构施工地表沉降分析

摘 要：【目的】为了分析地铁开挖对地面沉降的影响。【方法】本研究以郑州市轨道交通7号线一期工程土建施工02工区黄河迎宾馆站至英才街站区间左线盾构区间为研究对象，建立了FLAC3D计算模型，研究了模型隧道开挖后形成的位移曲线。【结果】得到隧道开挖掘进地表的沉降规律，与实际工况基本吻合。【结论】说明数值模拟对盾构施工前期研究具有一定的参考价值。

关键词：FLAC3D；隧道开挖；沉降分析；地层参数

中图分类号：TG333      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2023）08-0061-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.012

Ground Settlement Analysis of Metro Shield Construction

Based on FLAC3D

YANG Jintao

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046， China）

Abstract：[Purposes] In order to analyze the influence of subway excavation on land subsidence. [Methods] In this study， the left line shield section between Huanghe Yingbin Hotel Station and Yingcai Street Station in the 02 working area of the civil construction of the first phase of Zhengzhou Rail Transit Line 7 was taken as the research object. The FLAC3D calculation model was established to study the displacement curve formed after the excavation of the model tunnel. [Findings] The settlement law of tunnel excavation surface was obtained， which was basically consistent with the actual working condition. [Conclusions] The numerical simulation has certain reference value for the preliminary study of shield construction.

Keywords： FLAC3D; tunnel excavation; settlement analysis; formation parameters

0 引言

隨着城市的不断发展，交通形式呈现多元化的发展趋势。地铁也逐渐四通八达，不仅覆盖城市中心，还连接城市的边缘。随着越来越多的地铁项目在城区施工，路面的沉降监测在施工中日益重要。郭根发［1-2］使用Peck公式计算地表沉降，地铁盾构隧道开挖过程中会扰动原来的土层，各个土层的物理性质不一样，会破坏原来的结构造成沉降。双线开挖后，由于相互挤压，自地表向下，沉降值先增大后减小，至隧道底部土层开始产生隆起。杨坦等［3］发现地铁隧道设立支护比不设支护变形明显减少，且断面变形累计值随着时间逐渐增大，并在一定时间后趋于稳定。姚印彬［4］利用FLAC3D软件研究得出当盾构机穿过附近建筑物时，采取加厚注浆等控制措施可有效减小建筑物基础沉降，也可以减少隧道开挖带来的地表沉降。张凯［5］通过隧道开挖时监测沉降点发现大直径泥水平衡盾构下穿既有地铁时，一般来说盾构隧道轴线正上方的沉降最大，且隧道上方同一层面距离盾构隧道越近沉降越大。侯越生［6］通过参数组合计算出合理的参考值，将土体与隧道变形控制在合理的范围内，帮助盾构施工顺利穿越砂砾地层，有效控制变形发生。徐英晋［7］通过注浆模拟发现注浆压力增大时，隧道及地表的沉降量也相应减小，且注浆压力越大，地铁沉降越小。雷华阳等［8］通过分析盾构隧道开挖时的土拱效应引起的偏差，研究地表沉降对失稳的影响。袁冉等［9］利用有限元建立MC模型发现隧道埋深越大，地表沉降越小。鲍先凯等［10］利用数值模拟研究回填土在地铁开挖中的稳定性。李鹏飞等［11］建立动态预测模型，根据开挖的影响沉降的程度划分区域，为现场监测提供重要依据。本研究尝试利用FLAC3D模型模拟现有工况，对比于现有的监测数据，测试数值模拟的可行性，为接下来的施工提供参考依据。

1 工程概况

郑州市轨道交通7号线一期工程北起惠济区东赵北，南止于二七区南部大学路与规划豫一路路口，工程全长约26.81 km，均为地下线，设车站20座（其中换乘车站11座），平均站间距1 386 m，最大站间距1 687 m（龙门路站至张家村站），最小站间距456.6 m（路砦站至古玩城站）。一期工程新建一段一场，在线路北端设东赵停车场，在线路南端设南环车辆段。

02工区包括2个地下车站、3个地下盾构区间，分别为英才街站、龙门路站、黄河迎宾馆站至英才街站区间、英才街站至龙门路站区间、龙门路站至张家村站区间。笔者以黄河迎宾馆站至英才街站区间为项目研究背景，区间隧道顶埋深10.34～18.93 m，本研究以隧道顶16.8 m作为参考对象。

2 地形地貌

黄河迎宾馆站至英才街站区间出黄河迎宾馆站后，沿文化路南行到达英才街站，区间线路全部敷设在现状和规划文化北路下方。区间所经地区地貌为黄河冲积泛滥平原（Ⅰ区），地面标高89.48～90.14 m，最大高差0.66 m。盾构掘进本区间穿越的地层如图1所示。

3 数值模拟

3.1 FLAC3D软件的介绍及开挖原理

FLAC3D是一款有限元数值模拟软件，具有强大的计算功能，能较精确地算出隧道在开挖过程中的一系列压力、位移等变化。本研究采用FLAC3D为数值模拟工具模拟隧道开挖过程，根据现场检测及实验室数据对现场地质条件和周边状况进行参数赋值，并根据施工经验进行分析。

3.2 计算模型及参数

根据现场施工方案，建立三维立体模型。根据规范和实际情况，采用合适的模型边界。模型边界除了上表面为自由边界，其余边界均为位移固定。本模型采用弹塑性理论、摩尔-库伦的本构模型，参照表1、表2的土层参数，一共分为10个土层，对各个土层的参数进行赋值，如图2所示。先将土层在重力条件下进行运算，最后趋于稳定后进行应力重分布。

隧道模型的开挖深度为16.8～23.2 m，隧道模型的参数源于工程实验室对大量样本进行试验得出的结论。参数的选取关乎数值模拟的准确性。摩尔-库伦模型利用表2中的体积模量和剪切模量，在有限元FLAC3D中也可以代表弹性模量和泊松比。

3.3 模型的运算

建立一个放射性网格模型，长×宽×高为50 m×50 m×40 m，以隧道洞口为圆心，半径为盾构机外径3.2 m，如图3所示，平行于隧道口为X轴，垂直于隧道口为Y轴；隧道挖掘方向为Y轴正方向；隧道圆心距离地面为20 m，隧道顶埋深约为16～18 m。开挖隧道，本研究取左线20环，依据施工隧道开挖环数一次2 m，监测Z=15 m、17 m、19 m（Z为隧道洞口处的圆心，Z=20 m为地表面）面上的沉降规律。

3.4 模型数据分析

本次监测点定在开挖深度为4 m（Y=4/20环）的上方Z=15 m、17 m、19 m的开挖面的沉降数值，如图4所示。

由图4可知，在近地面同一标高层面，越靠近隧道口（X=0坐标）沉降量越大；在距离隧道X轴坐标距离相等的地方，离隧道圆心（Z=0坐标）越远，沉降量越大。但是由于地层的物理性质不相同，该沉降相较于各项同性的模型存在一定的偏差，即同一高度的层数在偏离隧道圆心口正上方处达到最大。

4 数据差异分析

实际监测数据以地层表面的沉降为准，具体数据见表3。地表面距离隧道圆心越近，沉降值越大。相较于数值模拟的线段趋势，它们的沉降规律曲线基本吻合，如图5所示。整体趋势基本符合，数值变化规律基本相同，所以数值模拟在工程上具有一定的参考意义。

模型距離隧道圆心的沉降量与实际监测有差异，是因为实际地层起伏大。数值模拟的地层分布整齐，沉降左右距离数值规律且相等。地表沉降在隧道正上方为25.13 mm，地表下方1 m（Z=19 m）的沉降为26 mm，差距小于1 mm，其余差距均在5 mm以内，与实际情况的整体趋势基本吻合，可作为施工阶段的参考意见。

5 结论

①隧道洞口上方同一层面（Z相同；同一标高），距离洞口越近产生的沉降越大。但是由于地层的物理性质不同，该沉降比起各项同性的模型存在一定的偏差，即同一高度的层数在偏离隧道圆心口处达到最大。

②FLAC3D软件可为盾构施工开挖前的工况预测提供参考。

参考文献：

［1］郭根发.基于FLAC3D的地铁盾构施工地表沉降模拟分析［J］.价值工程，2022，41（18）：150-152.

［2］郭根发.上海某地铁隧道衬砌内力及沉降变形分析［J］.吉林水利，2022（8）：29-33，54.

［3］杨坦，陈雅君，仇亚伟，等.基于FLAC3D的某地铁隧道横断面开挖变形规律研究［J］.中州大学学报，2020，37（2）：121-124.

［4］姚印彬.双线盾构隧道侧穿既有建筑物的沉降控制措施研究［J］.建筑结构，2022，52（S1）：2900-2905.

［5］张凯.城市盾构下穿既有隧道的沉降控制及参数优化研究［J］.四川建筑，2022，42（4）：146-148.

［6］侯越生.地铁盾构下穿既有隧道沉降控制技术［J］.技术与创新管理，2022，43（5）：550-559.

［7］徐英晋. 同步注浆条件下盾构施工引起的隧道和地表沉降及其控制研究［D］.北京：北京交通大学，2019.

［8］雷华阳，刘敏.盾构隧道开挖面失稳破坏机理及土拱效应研究综述［J］.太原理工大学学报，2022，53（1）：98-117.

［9］袁冉，熊维林，何毅，等.复合成层地层浅埋隧道开挖地表沉降规律分析［J］.西南交通大学学报，2022，57（5）：1063-1069.

［10］鲍先凯，王舒锐，李文辉，等.回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性分析［J］.科学技术与工程，2022，22（8）：3342-3348.

［11］李鹏飞，勾宝亮，朱萌，等.基于镜像法的隧道地表沉降时间效应计算方法［J］.岩土力学，2022，43（3）：799-807.

收稿日期：2022-10-16

作者简介：杨锦涛（1998—），男，硕士生，研究方向：隧道盾构开挖。