基于FLAC 3D的地鐵基坑開挖數值模擬分析

倪建航

摘 要：本文以杭州錢江新城地鐵9號線五堡站—六堡站區間基坑工程為依托，利用FLAC 3D軟件模擬基坑開挖支護過程，對基坑開挖過程中引起的圍巖變形和地表沉降過程進行數值模擬。地鐵五堡站—六堡站區間基坑采用明挖法施工，分兩層開挖，其中負二層為主要監測位置，兩幫采用地下連續墻支護，開挖過程中采用鋼筋混凝土梁做支撐。其間利用數值模擬，結合現場監測值，分析基坑開挖過程的變形和支護效果。經驗證，數值模擬技術在基坑開挖過程中具有一定的指導性，可以為工程施工提供一定的參考。

關鍵詞：明挖法;地鐵區間;基坑開挖支護;FLAC 3D;數值模擬;變形分析

中圖分類號：TU753文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0101-04

Abstract： Based on the foundation pit project between Wubao Station and Liubao Station of Hangzhou Qianjiang New City Metro Line 9， the foundation pit excavation and support process was simulated by FLAC 3D software in this paper， and the surrounding rock deformation and surface settlement process caused by the excavation of the foundation pit were numerically simulated. The foundation pits between Wubao Station and Liubao Station of the subway are constructed by the open-cut method and excavated in two layers， among them， the second floor is the main monitoring location， the two sides are supported by underground continuous walls， and reinforced concrete beams are used as support during the excavation process. In the meantime， numerical simulation was used to analyze the deformation and supporting effect of the foundation pit excavation process in combination with the field monitoring value. It has been verified that the numerical simulation technology has certain guidance in the process of foundation pit excavation and can provide a certain reference for engineering construction.

Keywords： open cut method;subway section;foundation pit excavation support;FLAC 3D;numerical simulation;deformation analysis

隨著社會的發展和進步，地鐵的修建成為加快城市發展的關鍵，但隨著城市規模的不斷擴大，地鐵修建需求增加，基坑工程量越來越大，其對城市地下圍巖和地層的擾動越來越大，巖土層易發生變形、沉降，進而對地表設施產生不利影響。過去，基坑的穩定和變形分析往往是總結工程經驗，不能定量地對基坑安全進行評價[1]。數值模擬方法可以有效地模擬基坑開挖過程中產生的巖土危害，可以從多方面綜合地考慮巖土變形的因素，從而為工程施工提供一定的參考。吳意謙通過有限元軟件建立基坑模型并進行開挖活動，分析了地鐵車站基坑開挖過程中的變形規律，以指導現場施工[2];胡安峰等研究某地鐵車站開挖過程中地下連續墻的水平位移隨開挖深度和時間的變化規律，指出考慮基坑的時空效應，有助于人們更好地分析基坑變形規律[3];楊敏等利用FLAC 3D軟件對上海世博會地下變電站基坑工程進行建模，模擬開挖過程，通過對土體彈性模量和地下連續墻剛度的研究，明確了這兩個參數對基坑周邊地表沉降的影響[4]。FLAC 3D（Fast Lagrangian Analysis of Contunua）軟件是由美國ITASCA咨詢集團公司開發的三維顯式有限差分程序，目前已廣泛用于巖土工程的數值分析[5]。

本文以杭州地鐵9號線五堡站—六堡站區間基坑工程為例，基于三維軟件FLAC 3D，建立五堡站—六堡站區間基坑模型并計算其負二層明挖法施工產生的變形，采用現場實測和數值模擬對比的分析方法，分析其開挖過程中的支護效果，并為現場施工提供一定的參考依據。

1 工程概況

五堡站—六堡站區間（下面簡稱五六區間）為連堡豐城4站3區間的第2個區間，該區間沿規劃錢江東路布置，呈西南—東北走向。南側邊界為錢江東路道路紅線，北側邊界為引水河南岸，如圖1所示。

五六區間與連堡豐城項目共同開發，同步實施，地下二層基坑地下車庫段寬為30.95 m，剩余段寬為11.90～24.10 m;地下一層放坡開挖寬度為70.00～90.00 m。基坑開挖深度為15.76～17.50 m，其中，地下一層放坡開挖深度為8.40 m，地下二層圍護基坑開挖深度為8.00～11.50 m。

1.1 工程地質及水文地質條件

標段負二層基坑開挖深度為8.00～11.50 m，開挖深度范圍內地層主要為砂質粉土、砂質粉土夾粉砂、粉砂，部分區域為砂質粉土夾淤泥質土。

本工程節點有現狀河道四號港，河寬約為8.50 m，河深約為1.10 m（勘察期間），河兩側主要為漿砌石擋墻，其河岸處主要為粉（砂）土，透水性好，地表水與地下水水力聯系密切。施工期間，現有河道廢除，故不考慮河床影響。根據地下水含水空間介質和水理、水動力特征及賦存條件，擬建工程沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩個大類，由于場地地下水水位埋深較淺，地下水位變化幅度較大，地下水位以上土層受毛細作用及雨水滲透影響，與地下水聯系密切。在施工過程中，采取坑內降水措施，保證基坑底部穩定。

1.2 支護設計方案

五六區間基坑工程主要采用明挖法施工。五六區間結構標準段寬度為42.00 m。負一層擬采用多級放坡形式，基坑深度約為9.00 m。負二層采用地下墻+內支撐支護體系，基坑深度約為17.00 m，地連墻厚度為0.80 m，采用1道混凝土撐+2道鋼支撐，此處主要研究負二層的基坑開挖。主要支護構件參數如表1所示。

2 數值模擬

2.1 計算模型

依據該工程的實際情況，基坑長度為813.00 m，呈西南—東北走向，本研究擬選取一半的實際工程尺寸進行分析。根據以往經驗，五六區間巖土層分布較為均勻，區間受力分析大體一致，基坑基本處于同樣的受力狀態，選取一半的實際工程尺寸會影響計算效率。綜合考慮，確定模擬基坑的尺寸為：基坑負一層寬度60.00 m，深度9.00 m，長度40.00 m;基坑負二層寬度20.00 m，深度8.00 m，長度40.00 m。模型總共有節點144 326個、單元135 000，計算模型比較大，建立模型的范圍滿足基坑開挖造成影響的區域，計算效率較高。

根據以往經驗，開挖區域一般選開挖尺寸的3～5倍比較合理，基坑施工的次要影響范圍為2～3倍基坑開挖深度[6]。因此，設置區域模擬180 m×120 m×50 m（長×寬×高）。如圖2所示，pit 1和pit 2分別表示負二層和負一層的基坑模型。

2.2 本構模型及計算參數

FLAC 3D是美國ITASCA咨詢集團公司推出的基于有限差分法的軟件，可以分析漸進破壞和失穩，在大變形模擬方面優于其他模擬軟件。它包括彈性材料模型、塑性材料模型、莫爾-庫侖彈性材料模型、應變軟化/硬化塑性材料模型等多種本構模型。

此次建模主要分為三部分，其中，基坑土體數值模擬采用摩爾庫倫模型，在摩爾-庫侖破壞準則基礎上判斷巖土體是否發生了破壞[7];地下連續墻采用實體單元來模擬，采用各向同性的彈性模型，墻體厚度為800 mm，使用C35砼進行澆筑;負二層內支撐采用Beam模型，模擬冠梁結構和鋼管結構，分別輸入C30鋼筋混凝土的計算參數和鋼管支撐的計算參數。FLAC 3D基坑支護計算模型如圖3所示。

該地鐵區間地層賦存狀況按實際地層巖性及其物理力學性質分為6層，各地層自上而下依次為雜填土、素填土、砂質粉土、砂質粉土夾粉砂、粉砂，部分區域為砂質粉土夾淤泥質土。下面計算土層物理力學參數，如表2所示。

3 計算結果分析

3.1 位移計算結果分析

通過優化實際地層賦存條件，考慮開挖擾動影響范圍，經過優化巖土體力學參數，本研究建立了合理的FLAC 3D數值模型并進行了準確計算。

開挖支護完成后的基坑位移云圖如圖4所示。本研究主要分析負二層的基坑開挖支護效果。當開挖基坑土體后，土體原有的初始應力平衡就會被打破，內力平衡重新分配，導致基坑變形，兩側基坑地表沉降。完成鋼管支護和地下連續墻支護后，基坑的四周位移量是0.4～0.7 mm。對比現場開挖監測結果，結合深基坑的整個施工過程可知，基坑向坑內產生變形位移的速率慢慢減小，因為鋼支撐的施加限制了基坑的進一步變形，架設內支撐在限制圍護結構的位移變形方面是很有用的[8]。隨著開挖深度的不斷增加，基坑周圍土體的豎向位移量也逐漸變大。但基坑底部仍存在一定的鼓起量，因此要提升底部的支護效果。

3.2 現場施工監測分析

嚴格監控施工各個階段的地表沉降量大小以及變化規律尤為重要。圖5為地表沉降現場實測值與模擬值對比。從圖5可知，實測與模擬的沉降量存在一定差距。查閱資料后，筆者發現，該模型忽略了滲流、時空效應對基坑的影響，但整體與模擬的趨勢相似，具有一定的參考價值，但為了實現更好的現場模擬效果，需要選取該現場部分進行一比一的環境構建。從圖5中可以看出，基坑開挖產生的沉降影響范圍還是很大的，因此在進行基坑開挖設計時，要重視周邊的重要建筑物，及時監測其基礎沉降，并采取對應的預防措施，防止產生不均勻沉降損壞建筑物。

基坑負二層開挖前，兩幫進行地下連續墻支護。在開挖過程中，鋼筋混凝土冠梁和鋼管進行內支撐，隨著基坑深度的增加，基坑整體的水平位移量變化并不大（見圖6），與數值模擬結果比較吻合，其水平位移量最大主要發生在冠梁端部，需要多對基坑端部進行監測和加固，有效監控地下工程對臨近建筑的影響。

4 結論

本文借助FLAC 3D有限差分軟件，對杭州錢江新城地鐵9號線五堡站—六堡站區間基坑工程開挖與支護進行數值模擬，并與現場監測數據進行對比分析。模擬結果表明，此軟件可以分析并預測基坑開挖產生的變形，結果與現場監測數據較為符合，其對相似的基坑工程施工和設計有一定的參考價值。

開挖支護的有序進行是安全施工的基礎保證。隨著基坑深部的開挖，圍巖的位移量不斷擴大，同時基坑底部易出現底鼓現象，人們可以采用明挖法施工，邊開挖、邊支護，將基坑區域的位移量控制在0.4～3.0 mm。FLAC 3D數值模擬平均誤差與現場監測結果較為相符，但其對地表沉降的模擬仍存在一定誤差，主要原因是在進行FLAC 3D模擬時按理想模型進行計算，考慮的因素少，不考慮滲流、時空效應對基坑周圍沉降范圍產生的影響。

參考文獻：

[1]馬宏，季聰，楊瑞剛，等.利用FLAC 3D對基坑支護數值模擬分析[J].世界地質，2013（4）：857-861.

[2]吳意謙.蘭州市某地鐵車站深基坑變形規律數值模擬研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013：18-19.

[3]胡安峰，張光建，王金昌，等.地鐵換乘車站基坑圍護結構變形監測與數值模擬[J].巖土力學，2012（34）：77-81.

[4]楊敏，盧俊義.上海地區深基坑周圍地面沉降特點及其預測[J].同濟大學學報（自然科學版），2010（2）：48-53.

[5]李磊，段寶福.地鐵車站深基坑工程的監控量測與數值模擬[J].巖石力學與工程學報，2013（1）：2684-2691.

[6]GOTO Y.Cracks formed in concrete around deformed tension bar[J].Journal of American Concrete institute，1971（4）：2244-2248.

[7]豐友山.西安大雁塔車站基坑開挖穩定性的研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016：19-20.