温州地下人行过街通道工程FLAC 3D研究★

章显斌 徐 彬 李校兵

随着科学技术和城市经济的快速发展以及城市人口的迅速增多，环境与交通问题向人们提出了严峻的挑战。在城市的主要街道上横穿道路修建地下过街通道，不仅可有效分离人车间的横向干扰，缓解道路交通压力，改善城市交通状况，而且可以保证行人过街安全，减少交通事故，充分体现了“以人为本”的交通理念。修建地下过街通道对城市景观无影响，无噪声污染，后期维护费用少，使用期长，但其一般都修建在城市的中心地带，附近建筑物密集、地下管网密布、地质情况复杂，而且地面来往行人较多、交通繁忙，所以对地下工程的设计施工及其地表沉降分析就显得更加重要［1］。本文就对温州附二医地下人行过街通道工程进行FLAC 3D数值模拟，并结合现场监测及实测的相关资料，为日后温州地区地下工程的施工管理提供帮助。

1 工程概况

附二医人行过街通道工程位于温州市学院西路附二医和温州医学院大门口，其上方的学院路为温州市区东西向重要通道，北侧为温州医学院，南侧为附二医，东北侧为温州眼视光医院。本工程有3个地下通道工作竖井，4个总长为90 m的出入口，并设置自动扶梯4座，步行楼梯4座，医用垂直升降梯2座。本工程通道为43.8 m长的单拱直墙带仰拱断面结构，主通道结构净宽6.0 m、净高3 m，开挖断面为宽7.5 m，高6 m，顶部覆土厚度为3.25 m。

2 地质条件

本工程施工场地地形平坦，地貌单一，地面高程约4.2 m～4.4 m。场地地基土自上而下:①层杂填土:层厚0.8 m～1.7 m，层底埋深0.8 m～1.7 m，全场分布。②层粘土:层厚1.2 m～1.9 m，层底埋深2.4 m～2.9 m，全场分布。③1层淤泥:层厚12.3 m～13.6 m，层底埋深15.0 m～16.0 m，全场分布。③2层淤泥:层厚8.4 m～10.3 m，层底埋深23.4 m～25.5 m，全场分布。③3层淤泥质粘土:层厚2.1 m～8.3 m，层底埋深26.6 m～33.1 m，全场分布。④层粉质粘土:层厚1.0 m～5.7 m，层底埋深32.3 m～35.5 m，全场分布。⑤层圆砾:层厚4.6m～8.7m，层底埋深36.8m～41.7m，层厚未钻穿，控制厚度2.4m～4.3m，控制深度35.7m～39.70 m，全场分布。场地表层地下水属潜水型，赋存于杂填土、粘性土及淤积软土层，主要由邻近地表水体、大气降水补给。稳定地下水位埋深为1.45 m～1.85 m，高程2.55 m～2.90 m。

3 软件介绍

FLAC 3D是三维快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)的简写，由美国ITASCA咨询集团公司推出，目前已成为岩土力学计算中重要的数值计算方法之一。FLAC与其他数值方法相比，具有以下优点:1)在精确模拟塑性崩塌加载和塑性流动模型时用到混合离散方法;2)可以模拟物理不稳定过程;3)使用了显示解决方案，该方案可用和线性应力—应变法则同样的计算时间来运行任意的非线性应力—应变法则，且这种解法不需存储任何矩阵;4)可以不用调整算法而处理任意的本构模型;5)以排列的方式对单元进行编号［2］。

FLAC 3D包含了3种弹性模型、7种塑性模型和空单元模型共11种材料本构模型，并且增加了用C++语言编写的用户自定义新的本构模型的可选择功能，同时也提供了静力、动力、蠕变、渗流、温度5种计算模式，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下通道、隧道工程等多个领域。

建立FLAC 3D计算模型包含以下三个过程:1)有限差分网格生成;2)本构特性与材料参数设置;3)边界条件与初始条件设置。完成以上工作后，可以获得模型的初始平衡状态，然后改变边界条件来进行工程的响应分析，进行一系列计算步骤后达到问题的解。最后，进行结果的分析与总结［3］。本文采用FLAC 3D 2.10版本对工程进行数值模拟。

4 地下通道开挖的数值模拟

4.1 数值模型

考虑工程施工扰动的影响，该计算模型的计算区域为:上边界取至地面，下边界取至通道底部30 m以下，横向取至距通道中线两侧各21 m，模型沿通道轴线为51 m。即模型长51 m，宽42 m，高38.8 m。由于通道关于过通道中心的竖直平面对称，故取隧道的一半来模拟。模型的坐标原点位于上下台阶分离面，z轴朝上，y轴指向隧道延伸的方向。FLAC 3D提供了适合模拟各种材料的本构模型及结构模型。在本工程数值模拟计算中，砂土材料、注浆后的地层采用摩尔—库仑模型;预支护、衬砌等采用弹性本构模型。边界条件:除上边界为自由状态外，其余边界均为固定状态。计算模型网格划分及边界条件如图1所示。

本通道采用浅埋暗挖法进行施工［4］，施工分两个阶段进行模拟。第一阶段，通道上台阶部分的开挖与支护;第二阶段，下台阶部分的开挖与支护。

4.2 物理力学参数分析

①层杂填土，1 m，物理力学参数为:剪变模量5.6 MPa，体积模量16.6 MPa，密度1.8 g/cm3;②层粘土层，1.5 m，物理力学参数为:剪变模量1.2 MPa，体积模量2.0 MPa，密度1.8 g/cm3，内摩擦角12°，粘聚力15 kPa;③层淤泥层，28 m，物理力学参数为:剪变模量0.8 MPa，体积模量1.3 MPa，密度1.6 g/cm3，内摩擦角11°，粘聚力15 kPa;④层粉质粘土层，4 m，物理力学参数为:剪变模量2.3 MPa，体积模量3.8 MPa，密度1.9 g/cm3，内摩擦角19°，粘聚力22.6 kPa;⑤层圆砾层，6 m。

5 计算结果分析

5.1 不平衡力

地下通道每一次开挖时，都会打破系统原有的平衡状态，这体现在不平衡力发生突变;随着计算的不断进行，不平衡力逐渐减小，系统又趋于另一平衡状态，如此循环往复，直至开挖结束为止。

5.2 位移模拟及分析

绘出地下通道的位移矢量图和变形图如图2，图3所示，可分析地下通道实施开挖后的位移变化情况。由以上图形可知地下通道开挖时各部分的变形量，其中通道拱部在上部形成沉降槽而达到最大沉降，施工时应注意对工程进行必要的分析和适时的监测。

5.3 应力分析

根据模拟条件绘制出应力等值线图，如图4，图5所示。

由以上应力图可分析地下通道在开挖过程中的受力情况，并结合现场监测及实测资料，保证工程施工的正常进行。

5.4 地表沉降分析

在模拟过程中，沿地下通道轴线选取断面进行沉降监测，结果如图6所示。

城市地下工程浅埋暗挖法施工计算地面沉降的经验公式常用的是Peck［5］公式。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，沉降槽体积等于地层损失的体积，地层损失在通道长度上是均匀分布的，地面沉降的横向分布类似正态分布曲线。

从图6地表沉降图可见，地下通道工程的沉降槽基本上符合Peck描述的正态分布曲线，靠近中线处沉降较大，远离通道中线沉降较小。由图6可知，地表的最大沉降位于通道中线附近，最大沉降值为27.4 mm，满足温州地区市政施工时地表沉降控制标准为50 mm的规定。

实际上工程施工时测得地表最大沉降值为32.3 mm，比计算值偏大，造成计算值与实测值偏差的原因与数值模拟计算的模拟假设有关:1)数值计算完全按工程设计与施工的条件进行，而实际工程中不可能完全符合;2)数值计算中，每个施工过程都是连续衔接的，而在实际中会存在时间上的滞后;3)数值模拟中土体的力学参数与实际存在偏差。

6 结语

本文以现场测量和试验数据为依据，采用FLAC 3D软件对地下通道的开挖进行有限元模拟和分析，清晰地表现了地下通道开挖时土体位移和应力的变化情况。分析表明，FLAC 3D软件能对地下工程的施工进行数值模拟的结果与工程施工的实际情况符合。因此，FLAC 3D软件对地下工程的施工进行数值模拟是可行的、经济的、快捷的，但仍要与工程的实际情况相结合，才能保证工程施工的质量和进程。

［1］ 刘招伟，赵运臣.城市地下施工监测与信息反馈技术［M］.北京：科学出版社，2006.

［2］ 刘 波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［3］ 彭文斌.FLAC 3D实例教程［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］ 沈洪忠.浅埋暗挖法施工地下人行通道初探［J］.市政技术，2009，27(6)：606-608.

［5］ PECK R B.Deep excavation and tunneling in soft ground［C］.Proceedings of the 7th International Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering.Mexico：［s.n.］，1969：225-290.