基于FLAC3D的地鐵盾構(gòu)施工地表沉降模擬分析

郭根發(fā) GUO Gen-fa

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

隨著城市用地越來越緊張，城市軌道交通不得不向著立體化發(fā)展，地下工程越來越多。陳基諱、詹龍喜研究了隧道的縱向不均勻沉降情況，以上海地鐵一號(hào)線為例分析了豎向不均勻沉降的原因[1]。林永國(guó)等人也結(jié)合工程實(shí)際，分析得出了隧道周圍荷載變化、土層分布的不均勻性是產(chǎn)生不均勻沉降的重要因素[2]。勾常春、李杰等分別利用FLAC3D建立模型，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的進(jìn)行了分析研究[3-4]。由于工程區(qū)地質(zhì)條件和盾構(gòu)施工工藝的限制，地鐵盾構(gòu)施工開挖過程不可避免會(huì)對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)影響，即便采用目前較先進(jìn)的密閉盾構(gòu)技術(shù)，也不太可能完全消除地面沉降。地鐵盾構(gòu)開挖施工一方面會(huì)在地表引起不均勻沉降，另一方面會(huì)直接引起地下結(jié)構(gòu)物的變位，當(dāng)變位不均勻時(shí)還會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力[5-8]。為了解上海地鐵15號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)施工引起的地面沉降情況，本文采用FLAC3D建立三維模型進(jìn)行沉降數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)地表沉降值。

1 工程概況

上海市地鐵15號(hào)線為南北向徑向線，線路起點(diǎn)是紫竹高新區(qū)車站，終點(diǎn)是顧村公園站，全長(zhǎng)約42.3公里，均為地下線，共設(shè)30座地下交通車站，平均站間距1.44公里?？紤]到施工工地周圍環(huán)境條件，結(jié)合上海地區(qū)地鐵工程實(shí)際施工中的經(jīng)驗(yàn)，最終選擇土壓盾構(gòu)進(jìn)行本工程左右線隧道的施工。

1.1 擬建場(chǎng)地地形與地貌特征

工程區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原的東南前緣，成陸較晚，地形平坦，河港密布，根據(jù)上海市巖土規(guī)范本工程場(chǎng)地地貌類型比較單一，為濱海平原地貌類型。擬建區(qū)間沿老滬閔路向北穿行，周邊多為住宅小區(qū)與廠房，四周交通復(fù)雜，空余場(chǎng)地少。

1.2 地基土的構(gòu)成與物理力學(xué)性質(zhì)

各土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)根據(jù)野外鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)等成果進(jìn)行分析與分層，子樣的取舍考慮了數(shù)據(jù)的離散性和已有經(jīng)驗(yàn)，并剔除了部分明顯不合理的數(shù)值，各地層土工試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 地層土工試驗(yàn)參數(shù)

2 模型建立

2.1 FLAC3D軟件及原理介紹

FLAC3D軟件具備齊全的巖土材料與支護(hù)結(jié)構(gòu)模型、強(qiáng)大的計(jì)算功能，模擬計(jì)算能夠考慮巖土材料復(fù)雜可變性。利用FLAC3D軟件模擬地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降時(shí)，將引起的沉降視為一個(gè)力學(xué)過程，不僅能夠預(yù)測(cè)地表沉降情況，而且能給出地層的受力狀況[5-8]。

2.2 計(jì)算原理

關(guān)于模型的荷載條件，本模型考慮了土體重力作用，未考慮地下水的作用。本模型采用彈塑性理論、摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則、大應(yīng)變變形模式進(jìn)行計(jì)算。模型計(jì)算中的所有邊界均為位移邊界條件，其中上表面為自由邊界，下表面方向?yàn)閦方向位移固定，左右邊界為x、y方向位移鉸支。

2.3 模型建立

整個(gè)計(jì)算模型長(zhǎng)100m，寬120m，高60m，數(shù)值模擬的三維網(wǎng)格模型及襯砌如圖1，各地層土工試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。該模型共計(jì)92800個(gè)單元，97155個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

圖1 建立的模型及襯砌圖

3 結(jié)果分析

模擬計(jì)算中先開挖左線，后開挖右線。左側(cè)隧道開挖對(duì)土層產(chǎn)生較大擾動(dòng)，左側(cè)隧道注漿支護(hù)后進(jìn)行右側(cè)隧道開挖，產(chǎn)生的最大非平衡力減半，如圖2所示。

圖2 隧道開挖支護(hù)后位移云圖及最大非平衡力圖

盾構(gòu)隧道開挖完后采用C50混凝土進(jìn)行注漿支護(hù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及截面設(shè)定，以及開挖并支護(hù)完成后兩隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)及截面沉降曲線如圖3-圖4所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及截面設(shè)定圖

從圖4各截面沉降變化圖可以看出，隧道中間由于受到開挖擠壓導(dǎo)致沉降值降低。自地表向下，沉降值先增大后減小，至隧道底部土層開始產(chǎn)生隆起。模型豎向及監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化圖如5所示。

圖4 1-1、2-2、3-3、4-4截面沉降變化圖（自左往右）

根據(jù)國(guó)內(nèi)一些城市地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，地鐵施工引起的地面沉降允許值通常是30mm[14]，經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算所得地表沉降值為15.2mm，該值符合變形控制標(biāo)準(zhǔn)。但由于本模型未考慮地下水以及特殊荷載的作用，實(shí)際沉降值要比模擬值偏大。

4 結(jié)論

①地鐵盾構(gòu)開挖掘進(jìn)使得隧道頂部的土體出現(xiàn)沉降，隧道底部的士體出現(xiàn)隆起。自地表向下，沉降值先增大后減小，至隧道底部土層開始產(chǎn)生隆起。

②當(dāng)采用C50混凝土進(jìn)行注漿時(shí)，經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算所得地表沉降值為15.2mm，該值符合變形控制標(biāo)準(zhǔn)。但由于本模型未考慮地下水以及特殊荷載的作用，實(shí)際沉降值要比模擬值偏大。

③對(duì)于盾構(gòu)開挖掘進(jìn)隧道引起的地表沉降這個(gè)問題，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工具有一定的指導(dǎo)與參考價(jià)值。

圖5 模型豎向及監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化圖