基于FLAC 3D的地鐵基坑開挖數(shù)值模擬分析

倪建航

摘 要：本文以杭州錢江新城地鐵9號(hào)線五堡站—六堡站區(qū)間基坑工程為依托，利用FLAC 3D軟件模擬基坑開挖支護(hù)過程，對(duì)基坑開挖過程中引起的圍巖變形和地表沉降過程進(jìn)行數(shù)值模擬。地鐵五堡站—六堡站區(qū)間基坑采用明挖法施工，分兩層開挖，其中負(fù)二層為主要監(jiān)測(cè)位置，兩幫采用地下連續(xù)墻支護(hù)，開挖過程中采用鋼筋混凝土梁做支撐。其間利用數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值，分析基坑開挖過程的變形和支護(hù)效果。經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)值模擬技術(shù)在基坑開挖過程中具有一定的指導(dǎo)性，可以為工程施工提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：明挖法;地鐵區(qū)間;基坑開挖支護(hù);FLAC 3D;數(shù)值模擬;變形分析

中圖分類號(hào)：TU753文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，地鐵的修建成為加快城市發(fā)展的關(guān)鍵，但隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵修建需求增加，基坑工程量越來越大，其對(duì)城市地下圍巖和地層的擾動(dòng)越來越大，巖土層易發(fā)生變形、沉降，進(jìn)而對(duì)地表設(shè)施產(chǎn)生不利影響。過去，基坑的穩(wěn)定和變形分析往往是總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，不能定量地對(duì)基坑安全進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。數(shù)值模擬方法可以有效地模擬基坑開挖過程中產(chǎn)生的巖土危害，可以從多方面綜合地考慮巖土變形的因素，從而為工程施工提供一定的參考。吳意謙通過有限元軟件建立基坑模型并進(jìn)行開挖活動(dòng)，分析了地鐵車站基坑開挖過程中的變形規(guī)律，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工[2];胡安峰等研究某地鐵車站開挖過程中地下連續(xù)墻的水平位移隨開挖深度和時(shí)間的變化規(guī)律，指出考慮基坑的時(shí)空效應(yīng)，有助于人們更好地分析基坑變形規(guī)律[3];楊敏等利用FLAC 3D軟件對(duì)上海世博會(huì)地下變電站基坑工程進(jìn)行建模，模擬開挖過程，通過對(duì)土體彈性模量和地下連續(xù)墻剛度的研究，明確了這兩個(gè)參數(shù)對(duì)基坑周邊地表沉降的影響[4]。FLAC 3D（Fast Lagrangian Analysis of Contunua）軟件是由美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的三維顯式有限差分程序，目前已廣泛用于巖土工程的數(shù)值分析[5]。

本文以杭州地鐵9號(hào)線五堡站—六堡站區(qū)間基坑工程為例，基于三維軟件FLAC 3D，建立五堡站—六堡站區(qū)間基坑模型并計(jì)算其負(fù)二層明挖法施工產(chǎn)生的變形，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比的分析方法，分析其開挖過程中的支護(hù)效果，并為現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

五堡站—六堡站區(qū)間（下面簡(jiǎn)稱五六區(qū)間）為連堡豐城4站3區(qū)間的第2個(gè)區(qū)間，該區(qū)間沿規(guī)劃錢江東路布置，呈西南—東北走向。南側(cè)邊界為錢江東路道路紅線，北側(cè)邊界為引水河南岸，如圖1所示。

五六區(qū)間與連堡豐城項(xiàng)目共同開發(fā)，同步實(shí)施，地下二層基坑地下車庫(kù)段寬為30.95 m，剩余段寬為11.90～24.10 m;地下一層放坡開挖寬度為70.00～90.00 m?；娱_挖深度為15.76～17.50 m，其中，地下一層放坡開挖深度為8.40 m，地下二層圍護(hù)基坑開挖深度為8.00～11.50 m。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

標(biāo)段負(fù)二層基坑開挖深度為8.00～11.50 m，開挖深度范圍內(nèi)地層主要為砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂，部分區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)土。

本工程節(jié)點(diǎn)有現(xiàn)狀河道四號(hào)港，河寬約為8.50 m，河深約為1.10 m（勘察期間），河兩側(cè)主要為漿砌石擋墻，其河岸處主要為粉（砂）土，透水性好，地表水與地下水水力聯(lián)系密切。施工期間，現(xiàn)有河道廢除，故不考慮河床影響。根據(jù)地下水含水空間介質(zhì)和水理、水動(dòng)力特征及賦存條件，擬建工程沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩個(gè)大類，由于場(chǎng)地地下水水位埋深較淺，地下水位變化幅度較大，地下水位以上土層受毛細(xì)作用及雨水滲透影響，與地下水聯(lián)系密切。在施工過程中，采取坑內(nèi)降水措施，保證基坑底部穩(wěn)定。

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

五六區(qū)間基坑工程主要采用明挖法施工。五六區(qū)間結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度為42.00 m。負(fù)一層擬采用多級(jí)放坡形式，基坑深度約為9.00 m。負(fù)二層采用地下墻+內(nèi)支撐支護(hù)體系，基坑深度約為17.00 m，地連墻厚度為0.80 m，采用1道混凝土撐+2道鋼支撐，此處主要研究負(fù)二層的基坑開挖。主要支護(hù)構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)該工程的實(shí)際情況，基坑長(zhǎng)度為813.00 m，呈西南—東北走向，本研究擬選取一半的實(shí)際工程尺寸進(jìn)行分析。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，五六區(qū)間巖土層分布較為均勻，區(qū)間受力分析大體一致，基坑基本處于同樣的受力狀態(tài)，選取一半的實(shí)際工程尺寸會(huì)影響計(jì)算效率。綜合考慮，確定模擬基坑的尺寸為：基坑負(fù)一層寬度60.00 m，深度9.00 m，長(zhǎng)度40.00 m;基坑負(fù)二層寬度20.00 m，深度8.00 m，長(zhǎng)度40.00 m。模型總共有節(jié)點(diǎn)144 326個(gè)、單元135 000，計(jì)算模型比較大，建立模型的范圍滿足基坑開挖造成影響的區(qū)域，計(jì)算效率較高。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，開挖區(qū)域一般選開挖尺寸的3～5倍比較合理，基坑施工的次要影響范圍為2～3倍基坑開挖深度[6]。因此，設(shè)置區(qū)域模擬180 m×120 m×50 m（長(zhǎng)×寬×高）。如圖2所示，pit 1和pit 2分別表示負(fù)二層和負(fù)一層的基坑模型。

2.2 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

FLAC 3D是美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司推出的基于有限差分法的軟件，可以分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)，在大變形模擬方面優(yōu)于其他模擬軟件。它包括彈性材料模型、塑性材料模型、莫爾-庫(kù)侖彈性材料模型、應(yīng)變軟化/硬化塑性材料模型等多種本構(gòu)模型。

此次建模主要分為三部分，其中，基坑土體數(shù)值模擬采用摩爾庫(kù)倫模型，在摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則基礎(chǔ)上判斷巖土體是否發(fā)生了破壞[7];地下連續(xù)墻采用實(shí)體單元來模擬，采用各向同性的彈性模型，墻體厚度為800 mm，使用C35砼進(jìn)行澆筑;負(fù)二層內(nèi)支撐采用Beam模型，模擬冠梁結(jié)構(gòu)和鋼管結(jié)構(gòu)，分別輸入C30鋼筋混凝土的計(jì)算參數(shù)和鋼管支撐的計(jì)算參數(shù)。FLAC 3D基坑支護(hù)計(jì)算模型如圖3所示。

該地鐵區(qū)間地層賦存狀況按實(shí)際地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)分為6層，各地層自上而下依次為雜填土、素填土、砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、粉砂，部分區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)土。下面計(jì)算土層物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果分析

通過優(yōu)化實(shí)際地層賦存條件，考慮開挖擾動(dòng)影響范圍，經(jīng)過優(yōu)化巖土體力學(xué)參數(shù)，本研究建立了合理的FLAC 3D數(shù)值模型并進(jìn)行了準(zhǔn)確計(jì)算。

開挖支護(hù)完成后的基坑位移云圖如圖4所示。本研究主要分析負(fù)二層的基坑開挖支護(hù)效果。當(dāng)開挖基坑土體后，土體原有的初始應(yīng)力平衡就會(huì)被打破，內(nèi)力平衡重新分配，導(dǎo)致基坑變形，兩側(cè)基坑地表沉降。完成鋼管支護(hù)和地下連續(xù)墻支護(hù)后，基坑的四周位移量是0.4～0.7 mm。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)開挖監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合深基坑的整個(gè)施工過程可知，基坑向坑內(nèi)產(chǎn)生變形位移的速率慢慢減小，因?yàn)殇撝蔚氖┘酉拗屏嘶拥倪M(jìn)一步變形，架設(shè)內(nèi)支撐在限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變形方面是很有用的[8]。隨著開挖深度的不斷增加，基坑周圍土體的豎向位移量也逐漸變大。但基坑底部仍存在一定的鼓起量，因此要提升底部的支護(hù)效果。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)分析

嚴(yán)格監(jiān)控施工各個(gè)階段的地表沉降量大小以及變化規(guī)律尤為重要。圖5為地表沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比。從圖5可知，實(shí)測(cè)與模擬的沉降量存在一定差距。查閱資料后，筆者發(fā)現(xiàn)，該模型忽略了滲流、時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑的影響，但整體與模擬的趨勢(shì)相似，具有一定的參考價(jià)值，但為了實(shí)現(xiàn)更好的現(xiàn)場(chǎng)模擬效果，需要選取該現(xiàn)場(chǎng)部分進(jìn)行一比一的環(huán)境構(gòu)建。從圖5中可以看出，基坑開挖產(chǎn)生的沉降影響范圍還是很大的，因此在進(jìn)行基坑開挖設(shè)計(jì)時(shí)，要重視周邊的重要建筑物，及時(shí)監(jiān)測(cè)其基礎(chǔ)沉降，并采取對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，防止產(chǎn)生不均勻沉降損壞建筑物。

基坑負(fù)二層開挖前，兩幫進(jìn)行地下連續(xù)墻支護(hù)。在開挖過程中，鋼筋混凝土冠梁和鋼管進(jìn)行內(nèi)支撐，隨著基坑深度的增加，基坑整體的水平位移量變化并不大（見圖6），與數(shù)值模擬結(jié)果比較吻合，其水平位移量最大主要發(fā)生在冠梁端部，需要多對(duì)基坑端部進(jìn)行監(jiān)測(cè)和加固，有效監(jiān)控地下工程對(duì)臨近建筑的影響。

4 結(jié)論

本文借助FLAC 3D有限差分軟件，對(duì)杭州錢江新城地鐵9號(hào)線五堡站—六堡站區(qū)間基坑工程開挖與支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。模擬結(jié)果表明，此軟件可以分析并預(yù)測(cè)基坑開挖產(chǎn)生的變形，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為符合，其對(duì)相似的基坑工程施工和設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

開挖支護(hù)的有序進(jìn)行是安全施工的基礎(chǔ)保證。隨著基坑深部的開挖，圍巖的位移量不斷擴(kuò)大，同時(shí)基坑底部易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，人們可以采用明挖法施工，邊開挖、邊支護(hù)，將基坑區(qū)域的位移量控制在0.4～3.0 mm。FLAC 3D數(shù)值模擬平均誤差與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果較為相符，但其對(duì)地表沉降的模擬仍存在一定誤差，主要原因是在進(jìn)行FLAC 3D模擬時(shí)按理想模型進(jìn)行計(jì)算，考慮的因素少，不考慮滲流、時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑周圍沉降范圍產(chǎn)生的影響。

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