用FLAC3D分析地铁车站基坑开挖与支护

侯景鹏，邢继光

(1．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2．中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，太原山西030000)

我国城市建设飞速发展，人口快速向大城市集中，城市道路交通拥堵问题日益严重．各大城市为缓解交通拥堵问题不约而同地选择开发地下空间，我国迎来了一轮建设地铁工程的高潮．车站深基坑的平面尺寸及开挖深度都有增大的趋势，容易导致基坑周围土体产生较大位移，使深基坑设计施工的难度不断提高．建设地铁车站不仅要保证基坑支护体系和基坑本身的稳定，还要保证附近建筑和地下管线不受破坏，这就要求施工中严格控制周围土体的变形．本文使用ITASCA公司推出的有限差分软件FLAC3D对深圳市地铁9号线某车站深基坑的开挖支护进行了数值模拟，根据模拟结果分析基坑内外土体竖直位移和水平位移的规律．

1 工程概况

1．1 地质条件

车站全长为315．638 m、标准段宽为21．6 m，车站底板埋深约17．5 m．车站主体和附属结构均采用明挖顺筑法施工．该工程属深圳市重点建设项目，工程重要性等级为一级;地形地貌较简单、不良地质作用一般发育．

原始地貌为台地及其间沟谷区，地势平坦．根据野外地质钻探结果和广东地区地质资料，上覆土层是第四系松散层，下伏基岩主要由花岗岩组成．

岩土分层主要有:素填土层，平均2．48 m;填石层，平均1．02 m;残积可塑状砾质粘性土层，平均2．32 m;残积硬塑状砾质粘性土层，平钧4．80 m;全风化花岗岩层，平均3．78 m;强风化花岗岩层，平均3．61 m;中风化花岗岩层，平均2．21 m;微风化花岗岩层，平均7．82 m．

根据车站工程基坑尺寸和地质情况，基坑侧壁主要为残积砾质粘性土层及全、强、中、微风化花岗岩，基坑底板主要为强、中、微风化花岗岩．

1．2 支护方案

连续墙具有刚度大、整体性好、防渗性好、适应性强等优良性能，因此车站主体结构采用连续墙形式，附属结构可采用钻孔灌注桩，亦可采用螺杆桩［1］．

设计采用800 mm厚地下连续墙，墙顶设冠梁，截面为1．0 m×0．8 m，在墙顶冠梁位置设第一道钢筋混凝土支撑，支撑截面为0．6 m×1．0 m，纵向支撑间距为9．0 m，第二、三道支撑采用钢管撑，管径600 mm．深基坑开挖过程一般选择分层开挖，支撑架设需要操作平台，应开挖到支撑以下一定深度后再架设支撑．

根据上述情况，制定方案如下:

在墙顶处设置第一道钢筋混凝土水平支撑;向下挖至8．5 m深度处，在8 m深度处设置第2道水平钢支撑，此时为工况一;向下挖至13．5 m深度处，在13 m深度处设置第3道水平支撑，此时为工况二;最后向下挖至底部17．5 m深度，此时为工况三．

2 基坑开挖支护数值模拟

2．1 FLAC3D在基坑开挖中的应用

FLAC3D是美国ITASCA咨询集团公司推出的基于有限差分法的软件．可以分析渐进破坏和失稳，在大变形模拟方面优于其他模拟软件．它包括弹性材料模型、塑性材料模型、莫尔－库仑弹性材料模型、应变软化/硬化塑性材料模型等多种本构模型．除了岩土材料外，梁、桩、壳以及支护、衬砌、锚索、土工织物、摩擦桩等结构也可以用FLAC3D进行模拟［2］．

2．2 计算模型及参数

建模主要分为两部分:基坑土体和地下连续墙采用实体单元，实体单元的物理模型比衬砌单元清晰，参数较少．混凝土支撑和钢管支撑采用beam单元．

FLAC3D中的“null”模型非常适用于模拟基坑的开挖［3］，模型单元被设定为“null”表示将该单元从模型中删除．地铁车站基坑长度较长，基坑中间很多部分处于同样的受力状态，会增加很多重复计算，降低计算效率，故选取基坑模型尺寸为长36 m，宽20 m，深18 m．选取合适的计算边界有利于提高计算效率和结果的精度［4］．取整体模型的尺寸为长96 m，宽160 m，高38 m．

以端部基底中点为原点，基坑纵向为x方向，基坑宽度方向为y方向，深度方向为z方向．模型四周各侧面和底面均限制法向位移;模型顶面即地面，设为自由面．建模时合理地划分网格能够明显提高计算效率．距离基坑较近的区域是研究中重点，应该增加网格密度．距离较远区域受开挖的影响较小，网格可以疏一些．分析模型及支护示意图，如图1所示．

图1 分析模型及支护示意图

3 数据分析

3．1 基底隆起变形

竖直位移云图，如图2所示．可以看出基底中点隆起比较明显．

在距离端部36 m的基坑底部取6个监测点，分别距离基坑中点 0 m、2 m、4 m、6 m、8 m 和10 m．将测点各工况的基底隆起绘制成图，如图3所示．可以看出每次开挖后隆起明显增加，基底中点隆起变形最大，距离中点越远隆起变形越小，基底边缘受围护结构制约，隆起最小．整体隆起变形数值偏大，这是土的回弹模量一般大于压缩模量造成的．在莫尔－库仑模型的研究中，目前除了在回弹为主的区域增大弹性模量参数数值，还没有更好的解决方案被提出．

图2 竖直位移云图

图3 y方向排列各测点的基底隆起

图4 x方向排列各测点的基底隆起

在基底中心线上取7个监测点，分别距离端部36 m、30 m、24 m、18 m、12 m、6 m 和 0 m．将测点各工况的基底隆起绘制成图，如图4所示．可以看出靠近基坑端部的范围，端部墙体对基底隆起有明显的约束作用，而远离基坑端部的部分，基底隆起虽然也随着端部距离的增大而增加，但增长并不明显．三个工况的开挖深度分别为 8．5 m、13．5 m 和 18 m，而三个工况分别在与端部距离8．5 m、13．5 m和18 m左右的位置开始，隆起增长的趋势明显放缓．由此可知基坑端部墙体对基底隆起有显著影响的范围基本相当于开挖深度．

3．2 基坑坑壁侧移

水平位移云图，如图5所示．可以看出支护结构约束作用明显，基坑侧移最大值没有出现在基坑顶部．

图5 y方向水平位移云图

图6 竖直排列各测点的侧移量

图7 水平排列各测点的侧移量

在距基坑端部36 m的基坑一侧设置8个监测点，分别距离基底－3 m、0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m和18 m．将测点各工况的侧移绘制成图，如图6所示．可以看出第一道混凝土支撑有效限制了基坑顶部的侧移，基坑侧移最大值出现在距基底3m处，最大值为3．49mm，最大值点高度以下受内部土体约束而逐渐减小［5～6］．工况一中，侧移最大值出现在开挖深度以下，这是因为第一道钢筋混凝土支撑刚度较大，更好地限制了顶部的侧移．所以应纵向分段开挖，每开挖一段立即设置支撑，钢管撑可施加预应力，以此减小基坑的水平变形．

在基坑一侧基底以上3m处设置7个监测点，分别距离基坑端部36 m、30 m、24 m、18 m、12 m、6 m和0 m．将测点各工况的侧移量绘制成图，如图7所示．可以看出每次开挖后基坑侧移都明显增加，端部墙体限制附近范围的基坑侧移，距离端部越远，侧移量越大．端部墙体在20 m范围内对基坑侧移影响比较显著，相当于基坑宽度．

3．3 地表位移

在距端部36m的地表设置15个监测点，距离基坑中线的距离分别为10 m、12．5 m、15 m、17．5 m、20 m、22．5 m、25 m、27．5 m、30 m、35 m、40 m、50 m、60 m、70 m 和 80 m．将测点各工况沉降绘制成图，如图 8所示．可以看出连续墙有上浮的趋势，沉降最大值出现在距基坑边缘一定距离的地方，随着距离增加，基坑开挖对地表沉降的影响也越来越小［7～11］．而沉降最大值出现的位置距基坑边缘15 m～25 m，数值上与开挖深度相近．在地表位移最大值可能出现的范围加强位移监测可以有效监控地下工程对临近建筑的影响［12］．

图8 地表竖向位移

图9 地表水平位移

将各测点各工况y方向水平位移绘制成图，如图9所示．可以看出水平位移的变化趋势与竖直沉降类似，最大值也出现在距基坑边缘一定距离的区域．随着与基坑中线的距离越来越大，水平位移也逐渐减小．水平位移最大值与沉降最大值出现的位置在同一范围内．

4 结 论

(1)利用三维有限差分软件FLAC3D对基坑进行分步开挖支护模拟，计算得到基底隆起，基坑侧移，地表竖直和水平位移．

(2)基底隆起最大值发生在基底中心处，基坑端部墙体在18 m范围内对基底隆起的影响较为明显，其范围相当于开挖深度．

(3)基坑侧移最大值出现在距基底3 m处，最大值为3．49 mm．基坑端部墙体在20 m范围内对基坑侧移的影响较为明显，其范围相当于基坑宽度．

(4)地表沉降最大值出现的位置距基坑边缘15 m～25 m，数值上与开挖深度相近．

(5)支护结构的设计是安全可靠的，计算结果可以为工程设计提供参考．

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