基于FLAC3D的某地鐵隧道橫斷面開挖變形規律研究

楊 坦，陳雅君，仇亞偉，蔣亞龍*

(1.建筑結構安徽省普通高校重點實驗室(安徽新華學院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學院 土木與環境工程學院，安徽 合肥 230088；3.安徽建工集團第三建設公司，安徽 合肥230011)

開展地下交通建設已經成為緩解城市交通壓力的重要措施之一，地鐵建設環境的特殊性也使得地鐵施工安全形勢日益嚴峻[1]。因此，加強地鐵施工過程中的變形規律研究對預防地鐵坍塌事故意義重大。對此，學者們開展了多項研究，其中王玉田[2]采用Midas GTS NX分析了青島地鐵流亭機場站基坑開挖過程，并結合現場監測數據，得到支護結構變形的一般規律；郭海峰[3]對北京地鐵隧道施工現場高層建筑物荷載進行了分析，提出了4種荷載對地鐵隧道變形影響的作用模式，并開展了物理相似模擬實驗，驗證了作用模式的合理性。

國內外學者對地鐵隧道變形的研究主要涉及監測數據的分析和物理相似模擬實驗研究，對地鐵隧道開挖過程中的變形規律動態研究相對不足。由于地鐵隧道開挖活動中圍巖和支護體的應力應變狀態是一個連續過程，對地鐵施工安全的影響是一個持續過程，因此結合具體施工方案開展地鐵隧道開挖過程數值模擬研究很有必要。本文針對某地鐵隧道開挖活動，采用FLAC3D有限元分析軟件進行過程模擬，對指導地鐵隧道開挖方案設計及具體施工過程具有較大的實用價值。

1 工程概況

合肥市軌道交通3號線土建TJ08標位于合肥市蜀山區、廬陽區，沿潛山北路地下敷設，起點里程為DK15+301.65，終點里程為DK17+900.800，線路總長度為2599.15m。沿線兩側高層建筑密集，建筑物距離地鐵隧道較近，且區間地下管網密集，依據勘察報告提供的地質資料，本區間隧道圍巖等級為Ⅰ級，本區間曾經發生過地下街施工坍塌事故，故在地鐵隧道施工中應預防塌方事故的發生。

1.1 地質條件

本隧道施工區間沿著包公大道，是一段公路隧道，地段相對繁華，施工線路周邊有中海濱湖公館、金斗公園等，地形相對平整。

根據數據收集資料，各個巖層土體性質如下：

(1)素填土層

分布廣泛，顏色呈褐色或灰褐色，質地松軟，以粉質黏土為主，有少許碎石。層底標高：8.52～16.55米。

(2)雜填土層

顏色繁雜，質地松軟緊密，稍微濕潤，摻雜不少碎石，以黏性土為主，含有建筑、生活垃圾。層底標高：12.05～15.88米。

(3)粉土和粉質黏土

顏色呈黃褐色，土質稍微濕潤，緊密，中壓縮性，含鐵質氧化物，粉質黏土層堅硬，干強度高，該層連續分布，層底標高：9～13.2米。

(4)礫砂、粗砂

顏色呈黃褐色、褐色，土質濕潤飽和，密度中等，以礦物質石英、長石為主，層底標高：2.84～12.89米。

(5)巖石層

白堊紀基巖，風化泥質砂巖顏色呈棕紅色，緊密，濕潤，主要礦物成分為石英、云母等，易碎，風化泥質砂巖在不同地層中風化程度不同，有強風化泥巖和中等風化泥巖。層底標高：-1.2～12.21米。

參考施工區段的地質勘查報告中的力學性質參數值，綜合如下表1所示。

表1 部分巖土力學性質參數估值表

1.2 地鐵隧道施工過程簡介

備選設計方案中，該標段隧道開挖橫截面形狀為馬蹄形，寬度為6m，隧道開挖實施暗挖法，采用隧道臺階法開挖，通過豎井至馬頭門拱頂標高，隨后豎井格柵環向進行封閉，拱腳設鎖腳小導管，噴射馬頭門拱部位混凝土，轉入橫通道施工。同樣，橫通道施工至正線馬頭門時，預留馬頭門洞口及大管棚、超前小導管空洞，加強馬頭門兩側格柵的連接，待橫通道施工完畢后，再破馬頭門進入正線施工。

2 地鐵隧道開挖過程數值模擬

2.1 FLAC3D軟件在地鐵隧道開挖模擬中的應用

本文計算采用FLAC3D對地鐵隧道開挖變形進行模擬計算，并且按照工程施工的相關規范和標準，根據施工現場地質狀況和周邊環境影響進行設計參數確定，結合相關地鐵隧道施工經驗初步確定本方案。

2.2 計算模型及參數

根據上述的條件來建立一個隧道模型，首先要做的就是根據實際的情況采用合理的邊界范圍，由于隧道開挖會導致施工部位周圍土體應力重分布，考慮到其變形范圍可能很大，選用模型的邊界范圍是隧道開挖尺寸的四倍，這樣對土體變形的分析更有準確性。模型構建的與實際的情況越接近，得出的結果越精確。同時控制構建模型參數可靠性同樣非常重要，模型建立后所運算出來結果的正確性很大程度上取決于這些材料性質參數的選取。

在這個模型中設置固定邊界條件，設與隧道橫斷面平行的方向為X方向，垂直橫斷面方向為Y方向，垂直于地面為Z方向。控制模型軸向(X)兩側的位移和隧道底部Z方向的位移，這些都用固定約束的形式，同時假設隧道上方荷載均勻分布。本模型尺寸為24m×20m×16m，形成網格單元1320個，節點1764個。

2.3 地鐵隧道開挖模擬

本文先用零模型來模擬隧道開挖過程，用摩爾-庫倫塑性模型構建隧道圍巖周圍土體，用各向同性彈性模型模擬開挖支護。各向同性彈性本構模型構建需要兩個工程地質參數，這兩個參數分別是剪切模量G和體積模量K，不過它們可以根據彈性模量E和泊松比v由下列公式(1)和(2)計算得出。為了方便計算起見，在Flac3D有限差分軟件中也可以通過直接輸入彈性模量E和泊松比v來定義各項同性彈性材料的物理性質，具體數值見上表1。

(1)

(2)

假設隧道模型符合彈塑性本構模型[6]，給模型賦予地質參數，運行得出體系最大不平衡力變化曲線圖如圖1所示，此時的位移云圖如圖2所示。

圖1 初始體系最大不平衡力變化曲線圖

從圖1能夠看出，初始體系最大不平衡力隨著時間的進行，逐漸趨近收斂，這說明土體地應力逐漸趨于平衡，不過這并不表明此時土體不會發生移動變形，這種平衡只是說明網格節點處于力平衡，這是一種動態平衡，比如土體產生穩定的塑性變形。此時建立的模型是在隧道施工前的狀態，可以認為這時的土體已經不產生移動變形了，故將圖2產生的土體移動量清零，而應力保留。

圖2 隧道開挖前初始位移云圖

先進行隧道臺階法上部分施工，如果沒有進行支護，這時隧道圍巖最大不平衡力重分布變化規律如圖3所示，此時隧道圍巖拱頂和底部的Z向位移云圖如圖4所示。

圖3 不設支護最大不平衡力重分布變化曲線圖

圖4 不設支護隧道圍巖Z向位移云圖

此時在開挖后適時地對隧道進行初期支護，綁扎鋼筋網片然后噴射混凝土，這時體系最大不平衡力重分布變化曲線如圖5所示，此時隧道圍巖拱頂和底部的Z向位移云圖如圖6所示。

圖5 初期支護后最大平衡力重分布變化曲線圖

2.4 結論分析

由圖4和圖6可以看出，不設支護隧道圍巖頂部下沉變形量為3.58cm，隧道底部隆起變形量為1.0cm，采取初期支護后，隧道圍巖頂部最大移動變形量為2.44cm，隧道底部變形量為2.23cm。可以看出，設置了初期支護后隧道圍巖變形量有著不小的變化。

3 地鐵隧道開挖監測分析

本文主要研究由于隧道的開挖而引起的圍巖變形，因此將詳細介紹圍巖變形在隧道施工中的監測方法，并根據在地鐵3號線方廟站至竇橋灣站區間收集到的實測資料，對隧道開挖施工引起的變形規律進行監測分析。

3.1 監測目的

了解隧道拱頂下沉和周邊收斂位移的最大值，從圍巖拱頂變形的速率及大小分析判斷出圍巖的穩定情況，選擇合適的二襯支護時機。對隧道開挖地表沉降監測，分析隧道開挖對上方土體的影響，和隧道拱頂下沉變形量對比分析，觀測支護效果和反饋設計，調整開挖支護方案，指導現場施工。

3.2 測點布置

監測儀器采用全站儀，在初期支護后應對圍巖拱頂下沉及周邊收斂的情況進行測量。測量的前提是每隔30m布置一個測量斷面，隧道圍巖監測點分布在圍巖拱頂和側拱的部位，圍巖拱頂監測下沉變形量，側拱監測水平收斂，具體的分布位置如圖7所示。

3.3 監測數據分析

本文收集到監測數據是竇橋灣站附近隧道區段資料，監測的頻率為每兩天監測一次，隨著隧道項目工程的進行，監測點的變化曲線如圖8所示。

圖8 監測點累計變形量曲線圖

從監測的數據來看，此隧道斷面變形累計值隨著時間變化而增大，最終在第九天時拱頂沉降值在2.3cm時趨于穩定，曲線波動較小；隧道側拱水平收斂變形量最終累計值在1.9cm時趨于穩定，曲線波動較小。與數值模擬的結果相比差值不大，說明數值模擬具有可行性。整體上看隧道拱頂的變形量比孔徑水平收斂變形量大，因此在考慮支護時要注重上部的支護。

4 結論

(1)地鐵隧道在不設支護時，圍巖頂部下沉變形量為3.58cm，隧道底部隆起變形量為1.0cm；采取初期支護后，地鐵隧道圍巖頂部最大移動變形量為2.44cm，隧道底部變形量為2.23cm。

(2)當模擬總步數為Step 18316時，設支護的隧道圍巖頂部位移比不設支護減少了1.14cm，這就說明采取支護能有效減少拱頂下沉。底部位移增加1.23cm，該支護方案可能存在增加坑底隆起的風險。

(3)地鐵隧道監測數據表明其斷面變形累計值隨著時間變化而增大，并在第9天時拱頂沉降值在2.3cm時趨于穩定，曲線波動較小；側拱水平收斂變形量最終累計值在1.9cm時趨于穩定，曲線波動較小。