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(xué)技術(shù)和城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市人口的迅速增多，環(huán)境與交通問題向人們提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。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(xiàn)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(hù)費(fèi)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(wǎng)密布、地質(zhì)情況復(fù)雜，而且地面來往行人較多、交通繁忙，所以對地下工程的設(shè)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(yī)地下人行過街通道工程進(jìn)行FLAC 3D數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測及實(shí)測的相關(guān)資料，為日后溫州地區(qū)地下工程的施工管理提供幫助。

1 工程概況

附二醫(yī)人行過街通道工程位于溫州市學(xué)院西路附二醫(yī)和溫州醫(yī)學(xué)院大門口，其上方的學(xué)院路為溫州市區(qū)東西向重要通道，北側(cè)為溫州醫(yī)學(xué)院，南側(cè)為附二醫(yī)，東北側(cè)為溫州眼視光醫(yī)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(shè)置自動扶梯4座，步行樓梯4座，醫(yī)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(jié)構(gòu)，主通道結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(bǔ)給。穩(wěn)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(tuán)公司推出，目前已成為巖土力學(xué)計算中重要的數(shù)值計算方法之一。FLAC與其他數(shù)值方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):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(wěn)定過程;3)使用了顯示解決方案，該方案可用和線性應(yīng)力—應(yīng)變法則同樣的計算時間來運(yùn)行任意的非線性應(yīng)力—應(yīng)變法則，且這種解法不需存儲任何矩陣;4)可以不用調(diào)整算法而處理任意的本構(gòu)模型;5)以排列的方式對單元進(jìn)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(gòu)模型，并且增加了用C++語言編寫的用戶自定義新的本構(gòu)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(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價、支護(hù)設(shè)計及評價、地下通道、隧道工程等多個領(lǐng)域。

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

4 地下通道開挖的數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型

考慮工程施工擾動的影響，該計算模型的計算區(qū)域?yàn)?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(cè)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(guān)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(biāo)原點(diǎn)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(gòu)模型及結(jié)構(gòu)模型。在本工程數(shù)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(yù)支護(hù)、襯砌等采用彈性本構(gòu)模型。邊界條件:除上邊界為自由狀態(tài)外，其余邊界均為固定狀態(tài)。計算模型網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖1所示。

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

4.2 物理力學(xué)參數(shù)分析

①層雜填土，1 m，物理力學(xué)參數(shù)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(xué)參數(shù)為:剪變模量1.2 MPa，體積模量2.0 MPa，密度1.8 g/cm3，內(nèi)摩擦角12°，粘聚力15 kPa;③層淤泥層，28 m，物理力學(xué)參數(shù)為:剪變模量0.8 MPa，體積模量1.3 MPa，密度1.6 g/cm3，內(nèi)摩擦角11°，粘聚力15 kPa;④層粉質(zhì)粘土層，4 m，物理力學(xué)參數(shù)為:剪變模量2.3 MPa，體積模量3.8 MPa，密度1.9 g/cm3，內(nèi)摩擦角19°，粘聚力22.6 kPa;⑤層圓礫層，6 m。

5 計算結(jié)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(tǒng)原有的平衡狀態(tài)，這體現(xiàn)在不平衡力發(fā)生突變;隨著計算的不斷進(jìn)行，不平衡力逐漸減小，系統(tǒng)又趨于另一平衡狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，直至開挖結(jié)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(shí)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(dá)到最大沉降，施工時應(yīng)注意對工程進(jìn)行必要的分析和適時的監(jiān)測。

5.3 應(yīng)力分析

根據(jù)模擬條件繪制出應(yīng)力等值線圖，如圖4，圖5所示。

由以上應(yīng)力圖可分析地下通道在開挖過程中的受力情況，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測及實(shí)測資料，保證工程施工的正常進(jìn)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(jìn)行沉降監(jiān)測，結(jié)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(jīng)驗(yàn)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(fā)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(tài)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(tài)分布曲線，靠近中線處沉降較大，遠(yuǎn)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(qū)市政施工時地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為50 mm的規(guī)定。

實(shí)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(shí)測值偏差的原因與數(shù)值模擬計算的模擬假設(shè)有關(guān):1)數(shù)值計算完全按工程設(shè)計與施工的條件進(jìn)行，而實(shí)際工程中不可能完全符合;2)數(shù)值計算中，每個施工過程都是連續(xù)銜接的，而在實(shí)際中會存在時間上的滯后;3)數(shù)值模擬中土體的力學(xué)參數(shù)與實(shí)際存在偏差。

6 結(jié)語

本文以現(xiàn)場測量和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用FLAC 3D軟件對地下通道的開挖進(jìn)行有限元模擬和分析，清晰地表現(xiàn)了地下通道開挖時土體位移和應(yīng)力的變化情況。分析表明，F(xiàn)LAC 3D軟件能對地下工程的施工進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果與工程施工的實(shí)際情況符合。因此，F(xiàn)LAC 3D軟件對地下工程的施工進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的、經(jīng)濟(jì)的、快捷的，但仍要與工程的實(shí)際情況相結(jié)合，才能保證工程施工的質(zhì)量和進(jìn)程。

［1］ 劉招偉，趙運(yùn)臣.城市地下施工監(jiān)測與信息反饋技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［3］ 彭文斌.FLAC 3D實(shí)例教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(shù)，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.