淺埋暗挖法施工地下通道的FLAC3D模擬分析★

章顯斌

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108)

1 概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市地上空間已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需求，地下空間的合理有效開(kāi)發(fā)利用，已成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。城市地下工程大都位于交通要道及地上地下構(gòu)筑物復(fù)雜地區(qū)，通常采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。淺埋暗挖法是一種在離地表很近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的方法，具有造價(jià)低、拆遷少、靈活多變、無(wú)需太多專用設(shè)備及不干擾地面交通和周圍環(huán)境等特點(diǎn)[1-2]。城市地下工程的暗挖施工周圍一定范圍內(nèi)地層發(fā)生應(yīng)力重分布，宏觀上表現(xiàn)為地層位移及變形，影響范圍大小取決于施工對(duì)地層擾動(dòng)的程度。淺埋地下人行通道施工產(chǎn)生的地層位移可能造成地面沉降和塌陷、周邊建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降、地面傾斜及水平位移、管線破壞等，進(jìn)而影響其正常使用及運(yùn)營(yíng)[3-4]。本文利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，對(duì)地下人行通道淺埋暗挖施工引起地表的沉降規(guī)律進(jìn)行分析，以期為合理設(shè)計(jì)、施工和優(yōu)化淺埋地下人行通道提供依據(jù)。

2 FLAC3D軟件介紹

FLAC3D是美國(guó)ITASCA國(guó)際咨詢與軟件開(kāi)發(fā)公司在FLAC基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的三維數(shù)值分析軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石、土和支護(hù)結(jié)構(gòu)等建立高級(jí)三維模型，進(jìn)行復(fù)雜的巖土工程數(shù)值分析與設(shè)計(jì)等。它可解決諸多有限元程序難以模擬的復(fù)雜的工程問(wèn)題，例如分部開(kāi)挖、大變形大應(yīng)變、非線性及非穩(wěn)定系統(tǒng)(甚至大面積屈服/失穩(wěn)或完全坍塌)，在模擬巖土材料發(fā)生的塑性破壞或塑性流動(dòng)方面要比其他軟件更合理，在分析漸進(jìn)破壞及崩塌現(xiàn)象等方面優(yōu)勢(shì)更突出，是世界上應(yīng)用最為廣泛的巖土分析三維數(shù)值模擬工具之一。本文采用FLAC3D 6.00版本進(jìn)行分析研究。

3 計(jì)算模型

本文依托福建福州市區(qū)某地人行過(guò)街通道進(jìn)行研究分析。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，本文在建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí)將地下人行通道部分簡(jiǎn)化為圓形單孔通道來(lái)模擬。城市地下人行通道是一個(gè)三維的空間結(jié)構(gòu)，考慮工程施工擾動(dòng)的影響，模型的計(jì)算區(qū)域取為：上邊界取至地面，下邊界取至通道底部6 m以下，橫向取至距通道中線兩側(cè)各16 m，沿通道軸線長(zhǎng)度為10 m。通道頂部覆土厚度為6 m，開(kāi)挖直徑為4 m，襯砌厚度為0.2 m。模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于開(kāi)挖圓形截面圓心處，Z軸豎直朝上，Y軸指向通道延伸的方向。根據(jù)施工方案及施工組織設(shè)計(jì)，模型邊界條件如下：底面固定，前后Y方向邊界約束水平位移，左右X方向邊界約束橫向水平位移，地表取自由邊界。由于通道關(guān)于通道中心中心對(duì)稱，故取通道截面的1/4來(lái)模擬。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

本模型不考慮地下水的影響，僅施加重力場(chǎng)，土體在自重作用下達(dá)到平衡狀態(tài)后再進(jìn)行全斷面開(kāi)挖，每步開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m，開(kāi)挖過(guò)程采用邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方法施工。通道周圍土體為黏土層，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。襯砌的彈性模量為10.5 GPa，泊松比為0.25，應(yīng)用彈性模型進(jìn)行研究分析。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

利用監(jiān)測(cè)量測(cè)信息指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工是淺埋暗挖施工工序的重要組成部分。實(shí)踐證明拱頂下沉是控制穩(wěn)定較直觀的和可靠的判斷依據(jù)，水平位移和地表下沉也是重要的判斷依據(jù)。根據(jù)施工方案，本文模擬了地下人行通道暗挖6 m的施工過(guò)程，其豎向應(yīng)力云圖及水平應(yīng)力云圖分別如圖2,圖3所示。由圖中可以看出，通道開(kāi)挖后，其四周尤其是拱腳出現(xiàn)了一定范圍的塑性變形區(qū)，豎向最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳位置，其次是拱腰、拱頂位置。水平方向最大應(yīng)力發(fā)生在拱頂位置，其次是拱腰、拱腳位置。開(kāi)挖時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)各關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析，以保證施工的正常進(jìn)行。

由于通道的開(kāi)挖引起了土層損失，打破了土層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，土層通過(guò)應(yīng)力重分布達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，宏觀上表現(xiàn)為土層沉降[5]。地下人行通道暗挖6 m后的豎向位移云圖及水平位移云圖分別如圖4,圖5所示。

由圖可知，拱頂沉降和周邊土層位移均能滿足土體穩(wěn)定性的要求，其中，豎向最大位移出現(xiàn)在拱頂?shù)乇砦恢?，其次是拱頂、拱腳位置。水平方向最大位移發(fā)生在拱腳位置，拱頂位置因土體水平對(duì)稱作用，水平方向位移最小。施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行必要的分析和適時(shí)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，保證位移變化控制在允許范圍。

圖6為位于通道軸線正上方地表沉降的變化曲線。圖中數(shù)據(jù)表明，通道暗挖時(shí)靠近軸線處地表沉降較大，遠(yuǎn)離軸線處地表沉降較小，其橫向分布類似正態(tài)分布曲線，滿足Peck公式[6]描述的沉降變化。通過(guò)模擬分析可以看到該淺埋暗挖通道施工期地表最大沉降量為 0.21 mm，符合施工的實(shí)際情況，滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用FLAC3D軟件對(duì)一淺埋人行過(guò)街通道建立三維模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)其暗挖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和分析，得到通道施工時(shí)周圍土體位移和應(yīng)力的變化情況。分析結(jié)果表明，通道開(kāi)挖后，豎向最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳位置，水平方向最大應(yīng)力發(fā)生在拱頂位置，豎向最大位移出現(xiàn)在拱頂?shù)乇砦恢?，水平方向最大位移發(fā)生在拱腳位置，地表沉降與Peck公式描述一致，符合施工的實(shí)際情況，滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。