丁文云，郭永发

（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650500）

1 引言

在城市地铁及隧道建设中，内支撑支护结构以受力均匀、不须占用坑外土地资源的特点，而备受工程设计人员的青睐。在岩土工程领域常用的数值计算方法主要有有限元法、边界元法、有限差分法、离散单元法等方法[1]。而FLAC 3D 软件是一种适用于岩土工程的三维显式有限差分计算软件，其不仅可以模拟岩土体材料的工程特性，还可以模拟岩土体介质与支护结构间的相互作用。刘继国等[2]采用FLAC 3D 软件对武汉某深基坑进行了开挖与支护模拟，得出了不同开挖阶段的地表沉降、基底隆起和墙后土体水平位移；胡浩军等[3]运用FLAC 3D 软件对北京市某高层住宅楼基坑工程开挖、失稳破坏、边坡支护进行了评价分析；谢秀栋等[4]采用FLAC 程序进行数值模拟，分析了地铁车站和基坑间距不同的情况下，坑周土层的变形特点。本文采用FLAC 3D 软件对昆明某深厚泥炭质土层中深基坑开挖过程进行了动态模拟和分析，据此获得了不同开挖阶段土体的应力状态、地表沉降、坑底隆起、支护结构的受力与变形情况，同时，也分析了基坑开挖距离对地表沉降及坑底隆起的影响。

2 工程概况

某隧道工程采用水中围堰明挖法施工，从昆明滇池草海底部穿越，围堰采取草海中填筑土石坝，坝顶宽63m，坝坡1∶2，隧道基坑围护结构宽31.2m，两侧施工便道宽各约15m。基坑工程节段编号为AM20、AM21、AM22，共180m。采用φ850mm@600mm 的SMW 工法桩作为基坑支护结构，桩长31.5m，采用700mm×300mm×13mm×24mm H 型钢。支护桩顶部采用1200mm×800mm 的钢筋混凝土冠梁连接。采用三排对撑，第一排为800mm×700mm 钢筋混凝土支撑，第二、第三排为φ609mm 壁厚16mm 钢管支撑，钢管支撑与坑壁采用钢围檩连接。

3 计算模型与参数的选取

3.1 计算模型

该基坑平面为狭长矩形，长180m，宽31.2m，坑深为13.6～11.2m。计算模型取长180m，宽91.2m，高50m。采用六面体网格，网格尺寸为1.5m，模型共划分446 520 个单元，生成了465 858 个节点；围护结构采用pile 单元来模拟，支撑采用beam 单元模拟。基坑工程在计算范围内土层经概化后共分为10 层；基坑开挖范围内设有3 道支撑，共有7 个工况，1、3、5、7 工况为开挖工况，根据实际施工开挖过程，开挖工况共分为37 个工序进行开挖。通过三维有限差分软件FLAC 3D 计算分析桩土相互作用下不同开挖工序土体的应力状态、地表沉降、坑底隆起、支护结构的受力与变形情况。

3.2 参数的选取

本文采用摩尔-库仑弹塑性模型进行分析计算。对于摩尔-库仑弹塑性模型其岩土体材料参数主要有：土的抗剪强度指标黏聚力c、内摩擦角φ，弹性模量E，泊松比μ，抗拉强度σt及剪胀角ψ。在基坑开挖范围内共有3 个节段，每个节段选取1 个钻孔来反映该节段内的土层分布情况，3 个钻孔之间的土层分布用直线连接来反映沿基坑方向的土层变化情况。各节段钻孔岩土体材料参数取值如表1 所示。

表1 岩土体材料参数表

4 计算结果与分析

4.1 坑周土体沉降及坑底隆起分析

在经过地质土、基坑围护结构体系概化，土层与基坑围护结构相互作用分析及参数合理化分析的基础上，实现了基坑工程施工过程动态模拟分析。基坑开挖共分为4 个开挖工况，每个开挖工况又有多个开挖土块；各开挖工况的开挖土块数如下：工况1 为1 个，工况3 为13 个，工况5 为14 个，工况7 为16 个。工况1 的1 个土块为1 次开挖；工况3 的13 个土块根据实际的开挖时间和开挖顺序从左至右分13 次开挖，每次开挖1 个土块；工况5 与工况7 开挖时按照实际施工情况同时、交叉对应开挖。图1 列举了工况5 与工况7 同时开挖时某一工序下的竖向应力云图；图2 为基坑开挖到坑底时的竖向应力云图。

图1 工况5 左起第7 块土块与工况7 左起第3 块土块同时开挖后竖向位移云图

图2 开挖至坑底时竖向位移云图

通过对各工况模拟结果竖向应力云图分析，从工况1、工况3、工况5 及工况7 的模拟结果可以看出，基坑开挖后坑周土体的沉降量与坑底土体的隆起量随各土块的开挖是动态变化的，而且其影响范围在一个相当大的区域内。

基坑开挖第1 工况后（开挖深度为2.4m），坑周土体产生了沉降，坑底产生了隆起；最大沉降量为8.47mm，最大隆起量为3.56mm。从第3 工况开挖第1 块土块到开挖最后一块土块，地面同一点的沉降随着开挖工序进行逐渐增大；同时，坑底同一点的隆起也随开挖工序的进行逐渐增大。坑周土体的最大沉降量从工况1 的8.47mm 逐渐增大到工况3 的66.98mm；坑底土体的隆起量从工况1 的3.56mm逐渐增大到工况3 的25.84mm。

对于工况3，坑周土体（沿基坑方向10m 处）的沉降量从开挖第1 块土块时约15mm，到开挖到第6 块土块（沿基坑方向约85m）开挖后沉降约60mm，且随工序逐渐增大。而坑底隆起量在开挖第1 块土块时约为13mm，而到开挖第5 块土块(沿基坑方向约73m)时约为24mm。由这些分析可知，在深厚泥炭质土中基坑开挖距离对地表沉降的影响范围约为75m（5～6 倍的基坑开挖深度），而对坑底隆起的影响范围约为63m（4～5 倍的基坑开挖深度）。在同一开挖工况中，坑底隆起量从左至右逐渐变小，这主要有2 方面的原因：（1）土层层厚的变化；（2）从左至右基坑开挖深度由深变浅。这导致了坑底隆起量的不均匀分布。

对于工况5 及工况7 采用同时、交叉对应开挖，其影响范围不易确定。但从模拟结果来看，基坑周围土体的沉降量及坑底土体的隆起量是随着开挖的进行逐渐增加的，其增加的速度比第3 工况小。主要由2 方面的原因引起的：（1）第3 工况的开挖深度（4.8m）比第5、第7 工况的开挖深度（均为3.5m）大；（2）第3 工况开挖的土层主要为泥炭质土，第5、 第7 工况开挖的土层主要为黏土与粉土。基坑开挖到坑底时，坑周土体的沉降量最大为102.9mm，坑底土体的隆起量最大为31.4mm。

4.2 基坑围护结构变形分析

在对计算结果进行分析时，选取具有代表性的钻孔进行深层水平位移对比分析，充分反映了模拟过程中桩身位移在各工况下沿桩长方向的变化量。通过与对应工况实测值的对比分析；可在一定程度上反映所选用的FLAC 3D 软件分析计算是否合理，土层与支护结构概化、土体本构模型的选用是否正确。钻孔AM20CX1、AM21CX6 的计算值与监测值对比分析图如图3、图4 所示。

图3 监测点AM20CX1 计算值与监测值对比图

如图3 所示，通过对比分析监测点AM20CX1 工况3、工况5 及工况7 的监测值与计算值，可以看到工况3 的计算结果与实测结果沿深度方向的拟合效果非常好；工况5 的计算结果与实测结果沿深度方向的拟合效果在桩长15m 范围内非常好，而超过15m 之后计算结果比实测结果偏大；工况7 的计算结果比实测结果沿桩长0～10m 范围偏大，而在沿桩长10～20m 范围偏小，计算的深层水平位移曲线的峰值比实测深层水平位移曲线的峰值向左平移了1.5m。总体来看，监测点AM20CX1 的计算结果与实测结果的变化趋势是一致的。

图4 监测点AM21CX6 计算值与监测值对比图

如图4 所示，监测点AM21CX6 深层水平位移变化情况。工况5 与工况7 的计算结果与实测结果拟合得非常好；工况3 沿桩长10m 范围内的深层水平位移计算结果与实测结果拟合得非常好，而10m 以外，计算结果与实测结果一致，但存在一定的误差。各工况计算结果的峰值大小及相对位置与实测结果基本相同。

通过对比分析各节段各钻孔的计算结果与实测结果，说明模型的建立与实际情况相对吻合，可以此为基准对本基坑工程的其他节段进行优化设计和指导实际施工。

5 结语

通过对比实测结果与计算结果，从坑周土体沉降、坑底隆起及计算结果综合分析的结果来看，采用FLAC 3D 软件实现基坑工程施工过程动态模拟分析有一定的意义，可为同类工程的设计与施工提供一些有价值的参考。对于土层变化不大的狭长明挖隧道基坑工程，可以采用分节段数值计算分析，并以此为基准对后期的节段进行优化设计和指导，对实际施工具有重要意义。