溫州地下人行過街通道工程FLAC 3D研究★

章顯斌 徐 彬 李校兵

隨著科學技術和城市經濟的快速發展以及城市人口的迅速增多，環境與交通問題向人們提出了嚴峻的挑戰。在城市的主要街道上橫穿道路修建地下過街通道，不僅可有效分離人車間的橫向干擾，緩解道路交通壓力，改善城市交通狀況，而且可以保證行人過街安全，減少交通事故，充分體現了“以人為本”的交通理念。修建地下過街通道對城市景觀無影響，無噪聲污染，后期維護費用少，使用期長，但其一般都修建在城市的中心地帶，附近建筑物密集、地下管網密布、地質情況復雜，而且地面來往行人較多、交通繁忙，所以對地下工程的設計施工及其地表沉降分析就顯得更加重要［1］。本文就對溫州附二醫地下人行過街通道工程進行FLAC 3D數值模擬，并結合現場監測及實測的相關資料，為日后溫州地區地下工程的施工管理提供幫助。

1 工程概況

附二醫人行過街通道工程位于溫州市學院西路附二醫和溫州醫學院大門口，其上方的學院路為溫州市區東西向重要通道，北側為溫州醫學院，南側為附二醫，東北側為溫州眼視光醫院。本工程有3個地下通道工作豎井，4個總長為90 m的出入口，并設置自動扶梯4座，步行樓梯4座，醫用垂直升降梯2座。本工程通道為43.8 m長的單拱直墻帶仰拱斷面結構，主通道結構凈寬6.0 m、凈高3 m，開挖斷面為寬7.5 m，高6 m，頂部覆土厚度為3.25 m。

2 地質條件

本工程施工場地地形平坦，地貌單一，地面高程約4.2 m～4.4 m。場地地基土自上而下:①層雜填土:層厚0.8 m～1.7 m，層底埋深0.8 m～1.7 m，全場分布。②層粘土:層厚1.2 m～1.9 m，層底埋深2.4 m～2.9 m，全場分布。③1層淤泥:層厚12.3 m～13.6 m，層底埋深15.0 m～16.0 m，全場分布。③2層淤泥:層厚8.4 m～10.3 m，層底埋深23.4 m～25.5 m，全場分布。③3層淤泥質粘土:層厚2.1 m～8.3 m，層底埋深26.6 m～33.1 m，全場分布。④層粉質粘土:層厚1.0 m～5.7 m，層底埋深32.3 m～35.5 m，全場分布。⑤層圓礫:層厚4.6m～8.7m，層底埋深36.8m～41.7m，層厚未鉆穿，控制厚度2.4m～4.3m，控制深度35.7m～39.70 m，全場分布。場地表層地下水屬潛水型，賦存于雜填土、粘性土及淤積軟土層，主要由鄰近地表水體、大氣降水補給。穩定地下水位埋深為1.45 m～1.85 m，高程2.55 m～2.90 m。

3 軟件介紹

FLAC 3D是三維快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)的簡寫，由美國ITASCA咨詢集團公司推出，目前已成為巖土力學計算中重要的數值計算方法之一。FLAC與其他數值方法相比，具有以下優點:1)在精確模擬塑性崩塌加載和塑性流動模型時用到混合離散方法;2)可以模擬物理不穩定過程;3)使用了顯示解決方案，該方案可用和線性應力—應變法則同樣的計算時間來運行任意的非線性應力—應變法則，且這種解法不需存儲任何矩陣;4)可以不用調整算法而處理任意的本構模型;5)以排列的方式對單元進行編號［2］。

FLAC 3D包含了3種彈性模型、7種塑性模型和空單元模型共11種材料本構模型，并且增加了用C++語言編寫的用戶自定義新的本構模型的可選擇功能，同時也提供了靜力、動力、蠕變、滲流、溫度5種計算模式，廣泛應用于邊坡穩定性評價、支護設計及評價、地下通道、隧道工程等多個領域。

建立FLAC 3D計算模型包含以下三個過程:1)有限差分網格生成;2)本構特性與材料參數設置;3)邊界條件與初始條件設置。完成以上工作后，可以獲得模型的初始平衡狀態，然后改變邊界條件來進行工程的響應分析，進行一系列計算步驟后達到問題的解。最后，進行結果的分析與總結［3］。本文采用FLAC 3D 2.10版本對工程進行數值模擬。

4 地下通道開挖的數值模擬

4.1 數值模型

考慮工程施工擾動的影響，該計算模型的計算區域為:上邊界取至地面，下邊界取至通道底部30 m以下，橫向取至距通道中線兩側各21 m，模型沿通道軸線為51 m。即模型長51 m，寬42 m，高38.8 m。由于通道關于過通道中心的豎直平面對稱，故取隧道的一半來模擬。模型的坐標原點位于上下臺階分離面，z軸朝上，y軸指向隧道延伸的方向。FLAC 3D提供了適合模擬各種材料的本構模型及結構模型。在本工程數值模擬計算中，砂土材料、注漿后的地層采用摩爾—庫侖模型;預支護、襯砌等采用彈性本構模型。邊界條件:除上邊界為自由狀態外，其余邊界均為固定狀態。計算模型網格劃分及邊界條件如圖1所示。

本通道采用淺埋暗挖法進行施工［4］，施工分兩個階段進行模擬。第一階段，通道上臺階部分的開挖與支護;第二階段，下臺階部分的開挖與支護。

4.2 物理力學參數分析

①層雜填土，1 m，物理力學參數為:剪變模量5.6 MPa，體積模量16.6 MPa，密度1.8 g/cm3;②層粘土層，1.5 m，物理力學參數為:剪變模量1.2 MPa，體積模量2.0 MPa，密度1.8 g/cm3，內摩擦角12°，粘聚力15 kPa;③層淤泥層，28 m，物理力學參數為:剪變模量0.8 MPa，體積模量1.3 MPa，密度1.6 g/cm3，內摩擦角11°，粘聚力15 kPa;④層粉質粘土層，4 m，物理力學參數為:剪變模量2.3 MPa，體積模量3.8 MPa，密度1.9 g/cm3，內摩擦角19°，粘聚力22.6 kPa;⑤層圓礫層，6 m。

5 計算結果分析

5.1 不平衡力

地下通道每一次開挖時，都會打破系統原有的平衡狀態，這體現在不平衡力發生突變;隨著計算的不斷進行，不平衡力逐漸減小，系統又趨于另一平衡狀態，如此循環往復，直至開挖結束為止。

5.2 位移模擬及分析

繪出地下通道的位移矢量圖和變形圖如圖2，圖3所示，可分析地下通道實施開挖后的位移變化情況。由以上圖形可知地下通道開挖時各部分的變形量，其中通道拱部在上部形成沉降槽而達到最大沉降，施工時應注意對工程進行必要的分析和適時的監測。

5.3 應力分析

根據模擬條件繪制出應力等值線圖，如圖4，圖5所示。

由以上應力圖可分析地下通道在開挖過程中的受力情況，并結合現場監測及實測資料，保證工程施工的正常進行。

5.4 地表沉降分析

在模擬過程中，沿地下通道軸線選取斷面進行沉降監測，結果如圖6所示。

城市地下工程淺埋暗挖法施工計算地面沉降的經驗公式常用的是Peck［5］公式。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發生的，沉降槽體積等于地層損失的體積，地層損失在通道長度上是均勻分布的，地面沉降的橫向分布類似正態分布曲線。

從圖6地表沉降圖可見，地下通道工程的沉降槽基本上符合Peck描述的正態分布曲線，靠近中線處沉降較大，遠離通道中線沉降較小。由圖6可知，地表的最大沉降位于通道中線附近，最大沉降值為27.4 mm，滿足溫州地區市政施工時地表沉降控制標準為50 mm的規定。

實際上工程施工時測得地表最大沉降值為32.3 mm，比計算值偏大，造成計算值與實測值偏差的原因與數值模擬計算的模擬假設有關:1)數值計算完全按工程設計與施工的條件進行，而實際工程中不可能完全符合;2)數值計算中，每個施工過程都是連續銜接的，而在實際中會存在時間上的滯后;3)數值模擬中土體的力學參數與實際存在偏差。

6 結語

本文以現場測量和試驗數據為依據，采用FLAC 3D軟件對地下通道的開挖進行有限元模擬和分析，清晰地表現了地下通道開挖時土體位移和應力的變化情況。分析表明，FLAC 3D軟件能對地下工程的施工進行數值模擬的結果與工程施工的實際情況符合。因此，FLAC 3D軟件對地下工程的施工進行數值模擬是可行的、經濟的、快捷的，但仍要與工程的實際情況相結合，才能保證工程施工的質量和進程。

［1］ 劉招偉，趙運臣.城市地下施工監測與信息反饋技術［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］ 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［3］ 彭文斌.FLAC 3D實例教程［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］ 沈洪忠.淺埋暗挖法施工地下人行通道初探［J］.市政技術，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.