丁文云，郭永發(fā)

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責任公司，昆明 650500）

1 引言

在城市地鐵及隧道建設(shè)中，內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)以受力均勻、不須占用坑外土地資源的特點，而備受工程設(shè)計人員的青睞。在巖土工程領(lǐng)域常用的數(shù)值計算方法主要有有限元法、邊界元法、有限差分法、離散單元法等方法[1]。而FLAC 3D 軟件是一種適用于巖土工程的三維顯式有限差分計算軟件，其不僅可以模擬巖土體材料的工程特性，還可以模擬巖土體介質(zhì)與支護結(jié)構(gòu)間的相互作用。劉繼國等[2]采用FLAC 3D 軟件對武漢某深基坑進行了開挖與支護模擬，得出了不同開挖階段的地表沉降、基底隆起和墻后土體水平位移；胡浩軍等[3]運用FLAC 3D 軟件對北京市某高層住宅樓基坑工程開挖、失穩(wěn)破壞、邊坡支護進行了評價分析；謝秀棟等[4]采用FLAC 程序進行數(shù)值模擬，分析了地鐵車站和基坑間距不同的情況下，坑周土層的變形特點。本文采用FLAC 3D 軟件對昆明某深厚泥炭質(zhì)土層中深基坑開挖過程進行了動態(tài)模擬和分析，據(jù)此獲得了不同開挖階段土體的應力狀態(tài)、地表沉降、坑底隆起、支護結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，同時，也分析了基坑開挖距離對地表沉降及坑底隆起的影響。

2 工程概況

某隧道工程采用水中圍堰明挖法施工，從昆明滇池草海底部穿越，圍堰采取草海中填筑土石壩，壩頂寬63m，壩坡1∶2，隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)寬31.2m，兩側(cè)施工便道寬各約15m?；庸こ坦?jié)段編號為AM20、AM21、AM22，共180m。采用φ850mm@600mm 的SMW 工法樁作為基坑支護結(jié)構(gòu)，樁長31.5m，采用700mm×300mm×13mm×24mm H 型鋼。支護樁頂部采用1200mm×800mm 的鋼筋混凝土冠梁連接。采用三排對撐，第一排為800mm×700mm 鋼筋混凝土支撐，第二、第三排為φ609mm 壁厚16mm 鋼管支撐，鋼管支撐與坑壁采用鋼圍檁連接。

3 計算模型與參數(shù)的選取

3.1 計算模型

該基坑平面為狹長矩形，長180m，寬31.2m，坑深為13.6～11.2m。計算模型取長180m，寬91.2m，高50m。采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1.5m，模型共劃分446 520 個單元，生成了465 858 個節(jié)點；圍護結(jié)構(gòu)采用pile 單元來模擬，支撐采用beam 單元模擬?；庸こ淘谟嬎惴秶鷥?nèi)土層經(jīng)概化后共分為10 層；基坑開挖范圍內(nèi)設(shè)有3 道支撐，共有7 個工況，1、3、5、7 工況為開挖工況，根據(jù)實際施工開挖過程，開挖工況共分為37 個工序進行開挖。通過三維有限差分軟件FLAC 3D 計算分析樁土相互作用下不同開挖工序土體的應力狀態(tài)、地表沉降、坑底隆起、支護結(jié)構(gòu)的受力與變形情況。

3.2 參數(shù)的選取

本文采用摩爾-庫侖彈塑性模型進行分析計算。對于摩爾-庫侖彈塑性模型其巖土體材料參數(shù)主要有：土的抗剪強度指標黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，彈性模量E，泊松比μ，抗拉強度σt及剪脹角ψ。在基坑開挖范圍內(nèi)共有3 個節(jié)段，每個節(jié)段選取1 個鉆孔來反映該節(jié)段內(nèi)的土層分布情況，3 個鉆孔之間的土層分布用直線連接來反映沿基坑方向的土層變化情況。各節(jié)段鉆孔巖土體材料參數(shù)取值如表1 所示。

表1 巖土體材料參數(shù)表

4 計算結(jié)果與分析

4.1 坑周土體沉降及坑底隆起分析

在經(jīng)過地質(zhì)土、基坑圍護結(jié)構(gòu)體系概化，土層與基坑圍護結(jié)構(gòu)相互作用分析及參數(shù)合理化分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了基坑工程施工過程動態(tài)模擬分析?；娱_挖共分為4 個開挖工況，每個開挖工況又有多個開挖土塊；各開挖工況的開挖土塊數(shù)如下：工況1 為1 個，工況3 為13 個，工況5 為14 個，工況7 為16 個。工況1 的1 個土塊為1 次開挖；工況3 的13 個土塊根據(jù)實際的開挖時間和開挖順序從左至右分13 次開挖，每次開挖1 個土塊；工況5 與工況7 開挖時按照實際施工情況同時、交叉對應開挖。圖1 列舉了工況5 與工況7 同時開挖時某一工序下的豎向應力云圖；圖2 為基坑開挖到坑底時的豎向應力云圖。

圖1 工況5 左起第7 塊土塊與工況7 左起第3 塊土塊同時開挖后豎向位移云圖

圖2 開挖至坑底時豎向位移云圖

通過對各工況模擬結(jié)果豎向應力云圖分析，從工況1、工況3、工況5 及工況7 的模擬結(jié)果可以看出，基坑開挖后坑周土體的沉降量與坑底土體的隆起量隨各土塊的開挖是動態(tài)變化的，而且其影響范圍在一個相當大的區(qū)域內(nèi)。

基坑開挖第1 工況后（開挖深度為2.4m），坑周土體產(chǎn)生了沉降，坑底產(chǎn)生了隆起；最大沉降量為8.47mm，最大隆起量為3.56mm。從第3 工況開挖第1 塊土塊到開挖最后一塊土塊，地面同一點的沉降隨著開挖工序進行逐漸增大；同時，坑底同一點的隆起也隨開挖工序的進行逐漸增大?？又芡馏w的最大沉降量從工況1 的8.47mm 逐漸增大到工況3 的66.98mm；坑底土體的隆起量從工況1 的3.56mm逐漸增大到工況3 的25.84mm。

對于工況3，坑周土體（沿基坑方向10m 處）的沉降量從開挖第1 塊土塊時約15mm，到開挖到第6 塊土塊（沿基坑方向約85m）開挖后沉降約60mm，且隨工序逐漸增大。而坑底隆起量在開挖第1 塊土塊時約為13mm，而到開挖第5 塊土塊(沿基坑方向約73m)時約為24mm。由這些分析可知，在深厚泥炭質(zhì)土中基坑開挖距離對地表沉降的影響范圍約為75m（5～6 倍的基坑開挖深度），而對坑底隆起的影響范圍約為63m（4～5 倍的基坑開挖深度）。在同一開挖工況中，坑底隆起量從左至右逐漸變小，這主要有2 方面的原因：（1）土層層厚的變化；（2）從左至右基坑開挖深度由深變淺。這導致了坑底隆起量的不均勻分布。

對于工況5 及工況7 采用同時、交叉對應開挖，其影響范圍不易確定。但從模擬結(jié)果來看，基坑周圍土體的沉降量及坑底土體的隆起量是隨著開挖的進行逐漸增加的，其增加的速度比第3 工況小。主要由2 方面的原因引起的：（1）第3 工況的開挖深度（4.8m）比第5、第7 工況的開挖深度（均為3.5m）大；（2）第3 工況開挖的土層主要為泥炭質(zhì)土，第5、 第7 工況開挖的土層主要為黏土與粉土。基坑開挖到坑底時，坑周土體的沉降量最大為102.9mm，坑底土體的隆起量最大為31.4mm。

4.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)變形分析

在對計算結(jié)果進行分析時，選取具有代表性的鉆孔進行深層水平位移對比分析，充分反映了模擬過程中樁身位移在各工況下沿樁長方向的變化量。通過與對應工況實測值的對比分析；可在一定程度上反映所選用的FLAC 3D 軟件分析計算是否合理，土層與支護結(jié)構(gòu)概化、土體本構(gòu)模型的選用是否正確。鉆孔AM20CX1、AM21CX6 的計算值與監(jiān)測值對比分析圖如圖3、圖4 所示。

圖3 監(jiān)測點AM20CX1 計算值與監(jiān)測值對比圖

如圖3 所示，通過對比分析監(jiān)測點AM20CX1 工況3、工況5 及工況7 的監(jiān)測值與計算值，可以看到工況3 的計算結(jié)果與實測結(jié)果沿深度方向的擬合效果非常好；工況5 的計算結(jié)果與實測結(jié)果沿深度方向的擬合效果在樁長15m 范圍內(nèi)非常好，而超過15m 之后計算結(jié)果比實測結(jié)果偏大；工況7 的計算結(jié)果比實測結(jié)果沿樁長0～10m 范圍偏大，而在沿樁長10～20m 范圍偏小，計算的深層水平位移曲線的峰值比實測深層水平位移曲線的峰值向左平移了1.5m。總體來看，監(jiān)測點AM20CX1 的計算結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢是一致的。

圖4 監(jiān)測點AM21CX6 計算值與監(jiān)測值對比圖

如圖4 所示，監(jiān)測點AM21CX6 深層水平位移變化情況。工況5 與工況7 的計算結(jié)果與實測結(jié)果擬合得非常好；工況3 沿樁長10m 范圍內(nèi)的深層水平位移計算結(jié)果與實測結(jié)果擬合得非常好，而10m 以外，計算結(jié)果與實測結(jié)果一致，但存在一定的誤差。各工況計算結(jié)果的峰值大小及相對位置與實測結(jié)果基本相同。

通過對比分析各節(jié)段各鉆孔的計算結(jié)果與實測結(jié)果，說明模型的建立與實際情況相對吻合，可以此為基準對本基坑工程的其他節(jié)段進行優(yōu)化設(shè)計和指導實際施工。

5 結(jié)語

通過對比實測結(jié)果與計算結(jié)果，從坑周土體沉降、坑底隆起及計算結(jié)果綜合分析的結(jié)果來看，采用FLAC 3D 軟件實現(xiàn)基坑工程施工過程動態(tài)模擬分析有一定的意義，可為同類工程的設(shè)計與施工提供一些有價值的參考。對于土層變化不大的狹長明挖隧道基坑工程，可以采用分節(jié)段數(shù)值計算分析，并以此為基準對后期的節(jié)段進行優(yōu)化設(shè)計和指導，對實際施工具有重要意義。