基于FLAC3D的地鐵盾構施工地表沉降分析

摘 要：【目的】為了分析地鐵開挖對地面沉降的影響。【方法】本研究以鄭州市軌道交通7號線一期工程土建施工02工區黃河迎賓館站至英才街站區間左線盾構區間為研究對象，建立了FLAC3D計算模型，研究了模型隧道開挖后形成的位移曲線。【結果】得到隧道開挖掘進地表的沉降規律，與實際工況基本吻合。【結論】說明數值模擬對盾構施工前期研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：FLAC3D；隧道開挖；沉降分析；地層參數

中圖分類號：TG333? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2023）08-0061-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.012

Ground Settlement Analysis of Metro Shield Construction

Based on FLAC3D

YANG Jintao

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046， China）

Abstract：[Purposes] In order to analyze the influence of subway excavation on land subsidence. [Methods] In this study， the left line shield section between Huanghe Yingbin Hotel Station and Yingcai Street Station in the 02 working area of the civil construction of the first phase of Zhengzhou Rail Transit Line 7 was taken as the research object. The FLAC3D calculation model was established to study the displacement curve formed after the excavation of the model tunnel. [Findings] The settlement law of tunnel excavation surface was obtained， which was basically consistent with the actual working condition. [Conclusions] The numerical simulation has certain reference value for the preliminary study of shield construction.

Keywords： FLAC3D; tunnel excavation; settlement analysis; formation parameters

0 引言

隨著城市的不斷發展，交通形式呈現多元化的發展趨勢。地鐵也逐漸四通八達，不僅覆蓋城市中心，還連接城市的邊緣。隨著越來越多的地鐵項目在城區施工，路面的沉降監測在施工中日益重要。郭根發［1-2］使用Peck公式計算地表沉降，地鐵盾構隧道開挖過程中會擾動原來的土層，各個土層的物理性質不一樣，會破壞原來的結構造成沉降。雙線開挖后，由于相互擠壓，自地表向下，沉降值先增大后減小，至隧道底部土層開始產生隆起。楊坦等［3］發現地鐵隧道設立支護比不設支護變形明顯減少，且斷面變形累計值隨著時間逐漸增大，并在一定時間后趨于穩定。姚印彬［4］利用FLAC3D軟件研究得出當盾構機穿過附近建筑物時，采取加厚注漿等控制措施可有效減小建筑物基礎沉降，也可以減少隧道開挖帶來的地表沉降。張凱［5］通過隧道開挖時監測沉降點發現大直徑泥水平衡盾構下穿既有地鐵時，一般來說盾構隧道軸線正上方的沉降最大，且隧道上方同一層面距離盾構隧道越近沉降越大。侯越生［6］通過參數組合計算出合理的參考值，將土體與隧道變形控制在合理的范圍內，幫助盾構施工順利穿越砂礫地層，有效控制變形發生。徐英晉［7］通過注漿模擬發現注漿壓力增大時，隧道及地表的沉降量也相應減小，且注漿壓力越大，地鐵沉降越小。雷華陽等［8］通過分析盾構隧道開挖時的土拱效應引起的偏差，研究地表沉降對失穩的影響。袁冉等［9］利用有限元建立MC模型發現隧道埋深越大，地表沉降越小。鮑先凱等［10］利用數值模擬研究回填土在地鐵開挖中的穩定性。李鵬飛等［11］建立動態預測模型，根據開挖的影響沉降的程度劃分區域，為現場監測提供重要依據。本研究嘗試利用FLAC3D模型模擬現有工況，對比于現有的監測數據，測試數值模擬的可行性，為接下來的施工提供參考依據。

1 工程概況

鄭州市軌道交通7號線一期工程北起惠濟區東趙北，南止于二七區南部大學路與規劃豫一路路口，工程全長約26.81 km，均為地下線，設車站20座（其中換乘車站11座），平均站間距1 386 m，最大站間距1 687 m（龍門路站至張家村站），最小站間距456.6 m（路砦站至古玩城站）。一期工程新建一段一場，在線路北端設東趙停車場，在線路南端設南環車輛段。

02工區包括2個地下車站、3個地下盾構區間，分別為英才街站、龍門路站、黃河迎賓館站至英才街站區間、英才街站至龍門路站區間、龍門路站至張家村站區間。筆者以黃河迎賓館站至英才街站區間為項目研究背景，區間隧道頂埋深10.34～18.93 m，本研究以隧道頂16.8 m作為參考對象。

2 地形地貌

黃河迎賓館站至英才街站區間出黃河迎賓館站后，沿文化路南行到達英才街站，區間線路全部敷設在現狀和規劃文化北路下方。區間所經地區地貌為黃河沖積泛濫平原（Ⅰ區），地面標高89.48～90.14 m，最大高差0.66 m。盾構掘進本區間穿越的地層如圖1所示。

3 數值模擬

3.1 FLAC3D軟件的介紹及開挖原理

FLAC3D是一款有限元數值模擬軟件，具有強大的計算功能，能較精確地算出隧道在開挖過程中的一系列壓力、位移等變化。本研究采用FLAC3D為數值模擬工具模擬隧道開挖過程，根據現場檢測及實驗室數據對現場地質條件和周邊狀況進行參數賦值，并根據施工經驗進行分析。

3.2 計算模型及參數

根據現場施工方案，建立三維立體模型。根據規范和實際情況，采用合適的模型邊界。模型邊界除了上表面為自由邊界，其余邊界均為位移固定。本模型采用彈塑性理論、摩爾-庫倫的本構模型，參照表1、表2的土層參數，一共分為10個土層，對各個土層的參數進行賦值，如圖2所示。先將土層在重力條件下進行運算，最后趨于穩定后進行應力重分布。

隧道模型的開挖深度為16.8～23.2 m，隧道模型的參數源于工程實驗室對大量樣本進行試驗得出的結論。參數的選取關乎數值模擬的準確性。摩爾-庫倫模型利用表2中的體積模量和剪切模量，在有限元FLAC3D中也可以代表彈性模量和泊松比。

3.3 模型的運算

建立一個放射性網格模型，長×寬×高為50 m×50 m×40 m，以隧道洞口為圓心，半徑為盾構機外徑3.2 m，如圖3所示，平行于隧道口為X軸，垂直于隧道口為Y軸；隧道挖掘方向為Y軸正方向；隧道圓心距離地面為20 m，隧道頂埋深約為16～18 m。開挖隧道，本研究取左線20環，依據施工隧道開挖環數一次2 m，監測Z=15 m、17 m、19 m（Z為隧道洞口處的圓心，Z=20 m為地表面）面上的沉降規律。

3.4 模型數據分析

本次監測點定在開挖深度為4 m（Y=4/20環）的上方Z=15 m、17 m、19 m的開挖面的沉降數值，如圖4所示。

由圖4可知，在近地面同一標高層面，越靠近隧道口（X=0坐標）沉降量越大；在距離隧道X軸坐標距離相等的地方，離隧道圓心（Z=0坐標）越遠，沉降量越大。但是由于地層的物理性質不相同，該沉降相較于各項同性的模型存在一定的偏差，即同一高度的層數在偏離隧道圓心口正上方處達到最大。

4 數據差異分析

實際監測數據以地層表面的沉降為準，具體數據見表3。地表面距離隧道圓心越近，沉降值越大。相較于數值模擬的線段趨勢，它們的沉降規律曲線基本吻合，如圖5所示。整體趨勢基本符合，數值變化規律基本相同，所以數值模擬在工程上具有一定的參考意義。

模型距離隧道圓心的沉降量與實際監測有差異，是因為實際地層起伏大。數值模擬的地層分布整齊，沉降左右距離數值規律且相等。地表沉降在隧道正上方為25.13 mm，地表下方1 m（Z=19 m）的沉降為26 mm，差距小于1 mm，其余差距均在5 mm以內，與實際情況的整體趨勢基本吻合，可作為施工階段的參考意見。

5 結論

①隧道洞口上方同一層面（Z相同；同一標高），距離洞口越近產生的沉降越大。但是由于地層的物理性質不同，該沉降比起各項同性的模型存在一定的偏差，即同一高度的層數在偏離隧道圓心口處達到最大。

②FLAC3D軟件可為盾構施工開挖前的工況預測提供參考。

參考文獻：

［1］郭根發.基于FLAC3D的地鐵盾構施工地表沉降模擬分析［J］.價值工程，2022，41（18）：150-152.

［2］郭根發.上海某地鐵隧道襯砌內力及沉降變形分析［J］.吉林水利，2022（8）：29-33，54.

［3］楊坦，陳雅君，仇亞偉，等.基于FLAC3D的某地鐵隧道橫斷面開挖變形規律研究［J］.中州大學學報，2020，37（2）：121-124.

［4］姚印彬.雙線盾構隧道側穿既有建筑物的沉降控制措施研究［J］.建筑結構，2022，52（S1）：2900-2905.

［5］張凱.城市盾構下穿既有隧道的沉降控制及參數優化研究［J］.四川建筑，2022，42（4）：146-148.

［6］侯越生.地鐵盾構下穿既有隧道沉降控制技術［J］.技術與創新管理，2022，43（5）：550-559.

［7］徐英晉. 同步注漿條件下盾構施工引起的隧道和地表沉降及其控制研究［D］.北京：北京交通大學，2019.

［8］雷華陽，劉敏.盾構隧道開挖面失穩破壞機理及土拱效應研究綜述［J］.太原理工大學學報，2022，53（1）：98-117.

［9］袁冉，熊維林，何毅，等.復合成層地層淺埋隧道開挖地表沉降規律分析［J］.西南交通大學學報，2022，57（5）：1063-1069.

［10］鮑先凱，王舒銳，李文輝，等.回填土大跨超淺埋地鐵隧道開挖穩定性分析［J］.科學技術與工程，2022，22（8）：3342-3348.

［11］李鵬飛，勾寶亮，朱萌，等.基于鏡像法的隧道地表沉降時間效應計算方法［J］.巖土力學，2022，43（3）：799-807.

收稿日期：2022-10-16

作者簡介：楊錦濤（1998—），男，碩士生，研究方向：隧道盾構開挖。