基于FLAC3D的地铁盾构施工地表沉降模拟分析

郭根发 GUO Gen-fa

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

随着城市用地越来越紧张，城市轨道交通不得不向着立体化发展，地下工程越来越多。陈基讳、詹龙喜研究了隧道的纵向不均匀沉降情况，以上海地铁一号线为例分析了竖向不均匀沉降的原因[1]。林永国等人也结合工程实际，分析得出了隧道周围荷载变化、土层分布的不均匀性是产生不均匀沉降的重要因素[2]。勾常春、李杰等分别利用FLAC3D建立模型，对地铁盾构施工引起地表沉降的进行了分析研究[3-4]。由于工程区地质条件和盾构施工工艺的限制，地铁盾构施工开挖过程不可避免会对周围岩土体产生扰动影响，即便采用目前较先进的密闭盾构技术，也不太可能完全消除地面沉降。地铁盾构开挖施工一方面会在地表引起不均匀沉降，另一方面会直接引起地下结构物的变位，当变位不均匀时还会产生附加应力[5-8]。为了解上海地铁15号线某区间盾构施工引起的地面沉降情况，本文采用FLAC3D建立三维模型进行沉降数值模拟分析，预测地表沉降值。

1 工程概况

上海市地铁15号线为南北向径向线，线路起点是紫竹高新区车站，终点是顾村公园站，全长约42.3公里，均为地下线，共设30座地下交通车站，平均站间距1.44公里。考虑到施工工地周围环境条件，结合上海地区地铁工程实际施工中的经验，最终选择土压盾构进行本工程左右线隧道的施工。

1.1 拟建场地地形与地貌特征

工程区位于长江三角洲冲积平原的东南前缘，成陆较晚，地形平坦，河港密布，根据上海市岩土规范本工程场地地貌类型比较单一，为滨海平原地貌类型。拟建区间沿老沪闵路向北穿行，周边多为住宅小区与厂房，四周交通复杂，空余场地少。

1.2 地基土的构成与物理力学性质

各土层的物理力学性质参数根据野外钻探、原位测试及室内土工试验等成果进行分析与分层，子样的取舍考虑了数据的离散性和已有经验，并剔除了部分明显不合理的数值，各地层土工试验参数见表1。

表1 地层土工试验参数

2 模型建立

2.1 FLAC3D软件及原理介绍

FLAC3D软件具备齐全的岩土材料与支护结构模型、强大的计算功能，模拟计算能够考虑岩土材料复杂可变性。利用FLAC3D软件模拟地铁盾构施工引起的地表沉降时，将引起的沉降视为一个力学过程，不仅能够预测地表沉降情况，而且能给出地层的受力状况[5-8]。

2.2 计算原理

关于模型的荷载条件，本模型考虑了土体重力作用，未考虑地下水的作用。本模型采用弹塑性理论、摩尔-库仑准则、大应变变形模式进行计算。模型计算中的所有边界均为位移边界条件，其中上表面为自由边界，下表面方向为z方向位移固定，左右边界为x、y方向位移铰支。

2.3 模型建立

整个计算模型长100m，宽120m，高60m，数值模拟的三维网格模型及衬砌如图1，各地层土工试验参数设置见表1。该模型共计92800个单元，97155个网格点。

图1 建立的模型及衬砌图

3 结果分析

模拟计算中先开挖左线，后开挖右线。左侧隧道开挖对土层产生较大扰动，左侧隧道注浆支护后进行右侧隧道开挖，产生的最大非平衡力减半，如图2所示。

图2 隧道开挖支护后位移云图及最大非平衡力图

盾构隧道开挖完后采用C50混凝土进行注浆支护。监测点布置及截面设定，以及开挖并支护完成后两隧道各监测点及截面沉降曲线如图3-图4所示。

图3 监测点布置及截面设定图

从图4各截面沉降变化图可以看出，隧道中间由于受到开挖挤压导致沉降值降低。自地表向下，沉降值先增大后减小，至隧道底部土层开始产生隆起。模型竖向及监测点沉降变化图如5所示。

图4 1-1、2-2、3-3、4-4截面沉降变化图（自左往右）

根据国内一些城市地铁建设经验，地铁施工引起的地面沉降允许值通常是30mm[14]，经数值模拟计算所得地表沉降值为15.2mm，该值符合变形控制标准。但由于本模型未考虑地下水以及特殊荷载的作用，实际沉降值要比模拟值偏大。

4 结论

①地铁盾构开挖掘进使得隧道顶部的土体出现沉降，隧道底部的士体出现隆起。自地表向下，沉降值先增大后减小，至隧道底部土层开始产生隆起。

②当采用C50混凝土进行注浆时，经数值模拟计算所得地表沉降值为15.2mm，该值符合变形控制标准。但由于本模型未考虑地下水以及特殊荷载的作用，实际沉降值要比模拟值偏大。

③对于盾构开挖掘进隧道引起的地表沉降这个问题，采用FLAC3D软件进行数值模拟分析，对地铁盾构施工具有一定的指导与参考价值。

图5 模型竖向及监测点沉降变化图