基于FLAC3D分析的地铁施工中基坑稳定性研究

管红兵

(滁州职业技术学院 建筑工程学院,安徽 滁州 239000)

岩土工程的计算机模拟方法很多,如有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)和有限元法(FEM)等[1],不同的模拟方法都有其自身的优点和缺点,其中,有限元法是目前最有效、最能灵活模拟复杂施工过程中数值分析的方法,它具有比有限差分法和边界元法更加灵活的特性,适宜于边界复杂和非线性材料的求解[2-3]。FLAC3D作为有限元分析中的典型代表,可以模拟三维的土体和岩体的力学特征,可以较好地对地铁施工中基坑稳定性进行评价[4]。本文结合国内某地铁土层的物性特征,对轨道交通地铁线路中的基坑稳定性进行了模拟分析,结果有助于掌握地铁施工过程中的基坑稳定性并提升施工质量。

1 试验材料与方法

1.1 FLAC3D的基本原理

FLAC3D的计算模式包括静力模式、动力模式、蠕变模式、渗流模式和温度模式等,通过内置语言FISH对变量或者函数进行定义[5];此外,FLAC3D还具有丰富的结构单元模型,即由直线段和结构节点组成的线性结构单位,以及节点与三角组成的面状壳型结构单元。最终数值模拟的结果由数学模型和数值插值导出[6]。

1.2 FLAC3D的求解

求解过程中需要优先建立分析模型,包括：1)生产网络、形成所需要的形状;2)定义本构关系和材料性质;3)定义边界条件和初始条件。然后进入平衡状态并检查模型的相应特性,在模型做出合理响应后执行变更(如开挖或者改变边界条件等)。按照模型和参数进行求解,再次检查模型的响应特性,在结果可接受情况下考虑是否需要引入其它参数进行研究[7]。整个求解过程中都可以先建立简单模型再进行复杂模型的求解。

1.3 工程概况和模型建立

本文需要模拟的是某轨道交通地铁线路中的基坑稳定性,考虑到基坑对称性,故取一半进行模型建立和分析[8],采用FLAC3D建立的三维计算模型如图1(模型长、宽和高分别为30 m、45 m和30 m)。其中,包括围岩1、管片衬砌(单环宽1.2 m、厚0.35 m)、开挖土体、围岩和盾尾空隙等,模型的长、宽和高分别为30 m、45 m和30 m(地表为边界),隧道埋深、外径分别为15.0 m和6.2 m。土体和管片分别采用Mohr-Coulomb模型和Shell模型,根据项目地质勘察资料地铁施工中基坑土层物性参数如表1[9]。

图1 地铁施工中基坑的三维计算模型Fig.1 Three dimensional calculation model of foundation pit in subway construction

表1 地铁施工中基坑土层物性参数Table 1 Physical parameters of foundation pit soil layer in subway construction

2 模拟结果及讨论

从地铁施工设计图中可以得到管片单环宽度和厚度,在实际地铁施工中基坑竖向位移模拟时,以每5个单环为一个施工单元进行推进,并采用FLAC3D分析相应的竖向位移云图。

在第一个施工单元时(6 m),地层竖向位移模拟图结果如图2。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为2.35 cm和2.60 cm。

在第二个施工单元时(12 m),基坑地层竖向位移模拟图结果如图3。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为2.96 cm和2.81 cm。

图2 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(6 m)Fig.2 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction(6 m)

图3 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(12 m)Fig.3 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction(12 m)

在第三个施工单元时(18 m),基坑地层竖向位移模拟图结果如图4。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为3.55 cm和2.87 cm。

在第4个施工单元时(24 m),基坑地层竖向位移模拟图结果如图5。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为3.97 cm和2.85 cm。

图4 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(18 m)Fig.4 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction (18 m)

图5 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(24 m)Fig.5 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction (24 m)

在第5个施工单元时(30 m),基坑地层竖向位移模拟图结果如图6。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为4.28 cm和2.82 cm。

在第6个施工单元时(36 m),基坑地层竖向位移模拟图结果如图7。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为4.47 cm和2.82 cm。

图6 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(30 m)Fig.6 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction (30 m)

图7 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(36 m)Fig.7 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction (36 m)

在第7个施工单元时(42 m),基坑地层竖向位移模拟图结果如图8。从地铁施工中基坑竖向位移模拟图中可以发现,最大沉降值和最大隆起值分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,此时的沉降值和隆起值分别为4.60 cm和2.81 cm。

图8 地铁施工中基坑竖向位移模拟图(42 m)Fig.8 Simulation diagram of vertical displacement of foundation pit in metro construction (42 m)

由此可见,在盾构推进过程中,地铁施工中基坑最大沉降值和最大隆起值都分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,但是沉降值都呈现随着盾构推进逐渐增大的特征,而隆起值都呈现随着盾构推进而先增大后减小特征。

图9为地铁施工中基坑地表监测横向沉降曲线。由此可见,随着距离隧道中心线距离增加,距监测断面-6 m、0 m、6 m、18 m和30 m的沉降量都呈现逐渐减小的特征,隧道中心线两端的沉降特征基本相同。此外,随着盾构推进的增加,沉降槽的宽度变化率减小、沉降则逐步增大,在第6个施工单元时(30 m),沉降达到最大值,这与FLAC3D分析结果相吻合。

图10为y=12 m、z=3 m～15 m时不同深度处监测点的沉降曲线。对比分析可知,随着开挖面距监测点距离的增加,不同深度处的沉降量都呈现逐渐降低的趋势,且在相同监测点处,距离地表越深则最大沉降量越小,而隧道顶部的最大沉降量最大,在推进距离为30 m时、z=3 m的沉降量达到-4.15 cm。

图9 地铁施工中基坑地表监测横向沉降曲线Fig.9 Lateral settlement curve of foundation pit surface monitoring in subway construction

图10 地铁施工中基坑开挖面监测横向沉降曲线Fig.10 Monitoring lateral settlement curve of foundation pit excavation surface in metro construction

3 结论

1)建立了地铁施工中基坑竖向位移模拟图,结果表明,在盾构推进过程中,地铁施工中基坑最大沉降值和最大隆起值都分别出现在隧道顶部盾尾和隧道底部壁后注浆处,但是沉降值都呈现随着盾构推进逐渐增大的特征,而隆起值都呈现随着盾构推进而先增大后减小特征。

2)随着距离隧道中心线长度增加,距监测断面-6 m、0 m、6 m、18 m和30 m的沉降量都呈现逐渐减小的特征,隧道中心线两端的沉降特征基本相同。此外,随着盾构推进的增加,沉降槽的宽度变化率减小、沉降则逐步增大,在第6个施工单元时(30 m),沉降达到最大值,这与FLAC3D分析结果相吻合。

3)随着开挖面距监测点距离的增加,不同深度处的沉降量都呈现逐渐降低的趋势,且在相同监测点处,距离地表越深则最大沉降量越小,而隧道顶部的最大沉降量最大。