FLAC3D软件在某地铁车站深基坑开挖中的运用

广东交通职业技术学院学报

JOURNALOFGUANGDONGCOMMUNICATIONPOLYTECHNICVol.17No.2June2018

文章编号：1671-8496-(2018)-02-0041-06

FLAC3D软件在某地铁车站深基坑开挖中的运用

张洁玲，赵玉成，贾康琪

（石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043）

摘

要：以徐州某地铁车站深基坑工程为依托，采用FLAC3D软件建立基坑开挖支护模型，对基坑开挖不同

工况下引起的围护结构变形、地表沉降、坑底隆起等进行了数值模拟。并结合现场实测值进行对比分析，验证其数值模拟应用在深基坑开挖变形的可行性，对以后相似的地铁深基坑施工和设计有一定的参考价值。关键词：地铁车站；深基坑开挖支护；数值模拟；变形分析中图分类号：U213.3

文献标识码：A

ApplicationofFLAC3DintheDeepExcavationofSubwayStation

ZHANGJie-ling,ZHAOYu-cheng,JIAKang-qi

(SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)

Abstract:BasedonthedeepexcavationofasubwaystationinXuzhou,amodelwithFLAC3Dsoftwareofdeepfoundationexcavationsupportismadetocarryoutanumericalsimulationforthedifferentdeformationresultsintermsofdeflectionofretainingwalls,thesettlementofgroundsurface,theheaveofexcavationbottom.Thefeasibili-tyofnumericalsimulationforexcavationdeformationofdeepfoundationpitisverifiedbycomparingwithfieldmea-suredvalues,whichcanprovidereferenceforengineeringdesignandconstruction,whichhassomereferencevalueforsimilarsituation.

Keywords:subwaystation;deepfoundationexcavationsupport;numericalsimulation;deformationanalysis

国家城镇化进程的加快离不开交通事业的发展。如今，很多城市交通立体化发展已经涉及到地下铁道的建设，带来基坑工程迅速发展的同时，基坑施工技术难度也在逐渐地加大，人们也越来越关注地铁车站基坑施工的安全稳定问题。由于地下土层性质多变和复杂性以及数值模型参数选择有一定的局限，导致很多基坑工程的模拟计算结果与现场实测数据之间往往存在较大的差异。本文通过对徐州地铁2号线某车站深基坑开挖进行数值模拟，研究分析了深基坑施工产生的变形规律，并将围护桩桩身水平位移、基坑周边地表沉降、坑底隆起与现场监测数据进行了对比分析，为类似深基坑开挖施工提供了参考[1]。

1工程概况

市政府站为徐州轨道交通2号线的中间站，车站位于云龙区昆仑大道与汉风路的交叉口处。本站为地下二层岛式站台车站，主体结构采用单柱双跨钢筋砼箱型框架结构，车站结构外包全长为204.6m，标准段宽度为19.7m，站台中心里程处深约16.6m，端头井宽度24.9m，深度约18.7m。1.1场地工程地质及水文地质条件

本工程场地地貌类型为废黄河高漫滩，浅部15~30m以浅黄河及古河道冲积的粉土、粉质粘土等堆积而成，其下为河流冲洪积老粘土，下伏基岩为白垩系上统王氏组粉砂岩、砾岩。

收稿日期：2017-09-08作者简介：张洁玲（1992-），女，硕士研究生研究方向：城市地下空间开发利用42广东交通职业技术学院学报第17卷

本场地内地下水浅部为第四系粉土层中的孔隙潜水-弱承压水及基岩裂隙水。

根据本次勘察揭露，场地内潜水水位埋深约2.50～4.20m，水位标高35.36～38.18m，水位变化幅度1.00～3.00m。弱承压水静水位埋深约7.40m，水位标高约32.10m，水头高度约6.10m，水位变化幅度1.00～3.00m。由于该工程在开挖基坑之前，已将基坑水位降低到开挖面以下，所以本文的研究没有考虑地下水产生的影响。

1.2支护设计方案

本基坑主体结构工程用明挖顺做法进行施工。标准段基坑围护结构采用地下连续墙800mm厚+3道内支撑的支撑体系；端头井基坑采用800mm厚地下连续墙+4道内支撑的支撑体系。

各主要支护构件规格：砼支撑：尺寸为800mm×1000mm；砼冠梁：尺寸为1000mm×1000mm；钢支撑：直径800mm，壁厚16mm的钢管；本站通过压顶梁，使地下连续墙参与主体结构抗浮。

2数值模拟

2.1FLAC3D软件介绍

FLAC3D是由美国ITASCA公司在FLAC的

基础上开发的，是运用有限差分程序完成拉格朗日分析的三维数值分析软件。这个软件能用来模拟岩土、岩石及其他在达到屈服极限状态时发生的塑性流动的材料的三维力学性能。它含有12种材料弹塑性本构模型，5种计算方式，能够模拟岩土、岩石以及其他多种材料体，同时不同计算方式之间能互相藕合，这种方法比较适合分析模拟的大变形和渐进破坏以及失稳，能较好地模拟各种材料在处于屈服极限或强度极限时发生的塑性流动或破坏的力学性能。目前，FLAC3D数值模拟软件广泛应用于岩土工程领域，成为了研究土体和结构互相作用分析的有力工具[2]。2.2计算模型

依据该工程的实际情况，基坑长度200m，对称分布，拟选取一半的实际工程尺寸进行分析。但据以往经验，中间部分的基坑基本处于同样的受力状态，这样会降低计算效率。综合考虑，最终确定基坑的尺寸为：基坑宽度20m，深度17m，长度37.5m。模型的范围需要足够大可以覆盖住基坑开挖造成影响的区域，而且计算效率也要考虑。参考已有的研究成果，开挖区域一般选开挖尺寸的3~5倍比较合理。故取131.6m×65.3m×50m（长×宽×高）的区域建立深基坑FLAC3D计算模型。依据网格划分原则为基坑附近密集，远处稀疏，模型共有节点12138个单元11088个[3]。模型如图1。

图1FLAC3D计算模型

因此，本次数值模拟选用的本构模型是Mohr-Coulomb模型，采用空模型null来实现土体的开挖。本模型地下连续墙采用各项同性的弹性模型，用实体单元来模拟，墙体厚度800mm。基坑内支撑beam单元进行模拟，而且预应力施加模拟是建立端头构件，在此处施加一对等大的反向力，以便准确地模拟内支撑实际受力的状态。由于基坑周围地表并没有固定荷载，经过多方面的考虑，比如深基坑边缘存在偶尔的施工堆载、车辆行驶的动载等等，在距基坑边缘10m范围内施加均布超载q=15kPa，另外模型的上表面是自由的边界，底面是固定的，其他面都只约束法向位移[1,4-5]。

2.3计算参数及计算工况

第2期张洁玲，等：FLAC3D软件在某地铁车站深基坑开挖中的运用43

在数值模拟中，为了最大程度反映出土层介质的材料性质，计算参数的选定是关键点，对于土层参数的选取采用以下几种方式：①徐州市政府站的岩土工程勘察报告；②按照FLAC3D软件

表1

名称素填土砂质粉土粉质黏土砂质粉土粗粒砂黏土

重度∕kN·m-3

174019301870194019801950

体积模量∕MPa

5.206.009.866.606.6017.10

中介绍岩土土体参数的材料库；③相关论文中关

于土体参数的选取[6]。综上分析，最后确定在本文数值模拟计算分析时，各土层及支护结构的参数选取如下表1、表2所示。

模型土层参数简化

剪切模量∕MPa

2.40P3.604.603.993.995.70

粘聚力∕kPa

13.3013.3025.2014.1014.4073.60

内摩擦角∕°

30.3029.8013.9030.1030.3016.10

层厚∕m

24616217

表2

构件C30钢筋砼钢管支撑

主要支护构件的计算参数

重度/kN·m-3

25.078.5

弹性模量/GPa

39200

泊松比μ0.1760.3

基坑主体结构采用明挖顺作法分层开挖，分

以下5个工况进行模拟计算：

工况一：先进行初始平衡计算，施加围护结构地下连续墙和冠梁。

工况二：先进行土体开挖，开挖2m。

工况三：在开挖面以上0.5m处架设第一道钢筋砼支撑，进行第二步开挖到土体以下7.5m。

工况四：在开挖面以上0.5m处架设第二道钢支撑，进行第三步开挖到土体以下12.5m。

工况五：在开挖面以上0.5m处架设第三道钢支撑，进行第四步开挖到土体以下17m[7]。2.4模拟计算结果分析

针对上述计算模型和材料参数采用FLAC3D对基坑的开挖和支护进行了模拟，图2、图3分别为模拟开挖后土体水平变形情况和地表沉降情况。

工况二工况三

工况四工况五

图2不同工况下基坑水平位移云图

44广东交通职业技术学院学报第17卷

图3开挖完成后基坑竖向位移云图

从基坑位移云图中可以看出，当开挖了基坑土体后，土体原有的初始应力平衡就会被打破，重新分配内力平衡，导致基坑产生变形，两侧基坑地表沉降。随着开挖深度的不断增加，基坑周围土体的竖向位移量也逐渐变大。开挖底部有明显的上升，基坑底部的隆起在中点处达到最大值。基坑地表的沉降随距基坑坑边距离的增加而慢慢减少，直至接近零。在开挖的深度增加的同时，坑周土体的水平位移也逐渐增加。但从深基坑的整个施工过程中可以看出,基坑向坑内产生变形位移的速率慢慢减小

水平位移/mm

了，这正是钢支撑的施加限制了基坑的进一步变形[8]。

3模拟与实测结果对比分析

3.1围护结构水平位移

通过工况模拟可以得出地下连续墙的水平位移随地连墙埋深的变化曲线。如图4~图5所示，本文重点分析架设内支撑以后的工况二到工况五中的测点ZQC6的位移变化情况，并将模拟所得结果和监测结果进行对比分析。

水平位移/mm

-2

地连墙的埋深/m模拟值监测值

地连墙的埋深/m模拟值监测值

工况二

工况三

图4地连墙位移模拟值与监测值对比曲线一

由图4、图5可以看出，随着基坑开挖深度逐渐增加，地下连续墙的水平位移也在逐渐变大。第一次开挖时，还没有架设内支撑，在地连墙顶的水平位移最大，随着不同工况开挖深度加大，围护墙的最大水平位移会逐渐向下移，逐渐在基坑中部偏下部位趋于稳定。从图中可得，模拟计算值在地连墙埋深16m处最大，17.9mm。监测值在地连墙埋深17m处最大，19.1mm。地下连续墙的整体水平位移变形会随埋深的增加而减小。总体来说，数值模拟

第2期张洁玲，等：FLAC3D软件在某地铁车站深基坑开挖中的运用

水平位移/mm

水平位移/mm

45

地连墙的埋深/m地连墙的埋深/m模拟值监测值

模拟值监测值

工况四工况五

图5地连墙位移模拟值与监测值对比曲线二

值计算所得结果和现场实测值的曲线趋势大体略同，但因为模拟计算是比较理想化的，模拟时考虑的因素比较少，造成数值上两者有一定的不同。比如说，模拟计算时没有考虑到施工过程的不确定因素以及时空效应的影响；土层地质情况不明，可能存在个别的软弱土层，但模拟计算时需简化处理土层类别等。此外，在曲线图中地连墙水平位移的变化中可以看出，架设内支撑在限制围护结构的位移变形方面是很有用的[9]。

3.2基坑周边地表沉降对比

基坑周边地表沉降的数据选自基坑开挖完成后，该地铁车站深基坑采用三道内支撑，第一道钢筋砼支撑，第二、三道钢管支撑。基坑坑边地面有额外荷载，且地表的沉降曲线呈两头小中间大的凹曲线，如图6。

距基坑边缘的距离/m

图6基坑周边沉降模拟值与监测值对比曲线

从基坑周边地表沉降曲线图中可以看出，计算值与监测值的曲线变化趋势接近，但现场实测值总体高于模拟值，而且最大沉降位移的位置略有不同。模拟最大值出现在距基坑边缘11m左右处，监测最大沉降值出现在16m处，主要原因是因为基坑外大概10m范围内基坑施工设备和大量临时施工材料的堆积。并且曲线中的计算值偏小，最大沉降量仅为6.57mm，监测值是9.36mm,主要在FLAC3D模拟时，考虑的因素少，按理想模型进行计算，不考虑渗流、时空效应对坑周沉降范围产生的影响。并且，由图中还可看出，在本模型模拟范围内，距基坑边缘50m处，周围土体还有一定的沉降值[10]。这说明基坑开挖产生的沉降影响范围还是很大的，这就要求对于基坑开挖设计时，要足够重视周边的重要建筑物，要及时监测其基础的沉降，必要时采取对应的预防措施,防止产生不均匀的沉降使建筑物损坏。3.3基坑底部隆起变形对比

本文仅对基坑开挖完成后的坑底隆起情况进行了对比分析，如图7。比较模拟数据与监测数据曲线，虽然模拟数据较小，但综合的趋势是接近于实测值。随着基坑开挖深度的增加，基坑底部的隆起逐渐增大，其中坑底中部的位移值最大，最大隆起量模拟值是38.65mm，监测值是46.79mm。考虑到基坑开挖时，坑底会不可避免地产生一定量的隆起，因此，在基坑工程施工或

沉降量/mm46广东交通职业技术学院学报第17卷

者设计时，要足够重视这一点，及时预防监测，应进行坑底抗隆起验算，也要及时采取相应措施，避免地下结构物或基坑因隆起而产生破坏。

mm/量起隆底模拟值坑监测值坑基距基坑中心的距离/m

图7基坑底部隆起模拟值与监测值对比曲线

4认识和结论

(1)本文借助FLAC3D有限差分软件，对徐州某车站深基坑开挖支护进行数值模拟，模拟结果表明，此软件可以分析预测基坑开挖产生的变形，结果与已有研究的成果相符，对相似的基坑工程施工和设计有一定的参考价值。

(2)围护墙是深基坑工程中的主要围护结构，围护墙的变形能对基坑的稳定和安全产生重大影响。随着基坑开挖深度逐渐增加，地下连续墙的水平位移也在逐渐变大，但整体水平位移变形会随埋深的增加而减小。基坑开挖产生的地表沉降、坑底隆起，也会随着开挖深度的增加而变大[11]。

(3)通过将模拟结果和监测结果进行对比分

析得出，不同开挖工况下，围护墙体的侧向位移、坑周地表沉降、坑底的隆起变化趋势大致相同；表明本次数值模型的建立、计算参数的选取以及模拟计算的过程是正确的。

参考文献：

[1]吴意谦．兰州市某地铁车站深基坑变形规律数值模拟研究[D]．兰州：兰州理工大学，2013.

[2]郑毅，施鑫竹．FLAC3D及其在基坑开挖数值模拟中的应用[J]．有色金属设计，2016，43(2)：33-36.[3]李佳宇，张子新．圆砾层地铁车站深基坑变形特征三维数值分析[J]．地下空间与工程学报，2012，8(1)：71-76.

[4]高丙丽，等．西安地铁车站深基坑变形规律FLAC模拟研究[J]．中国安全生产科学技术，2012，8(3)：179-184.

[5]任建喜，等．西安地铁车站深基坑变形规律的有限差分法模拟[J]．城市轨道交通研究，2015，(2)：39-43.[6]樊俊锋，姜安龙．某地铁车站深基坑开挖监测及数值模拟分析[J]．施工技术，2012，41(8)：36-39.[7]田德新．安元西路站基坑施工技术及其变形规律研究[D]．石家庄铁道大学，2016.

[8]冯勇慧，等．基于FLAC3D的地铁车站深基坑开挖变形三维数值分析[J]．施工技术，2013，27(3)：92-96.[9]丰友山．西安大雁塔车站基坑开挖稳定性的研究[D]．石家庄，石家庄铁道大学，2016.

[10]刘继国，曾亚武．FLAC3D在深基坑开挖与支护数

值模拟中的应用[J]．岩土力学2006，27(3)：505-508.

[11]王雪浪，朱彦鹏．基坑开挖支护变形特性及稳定性

分析[J]．兰州理工大学学报，2010，36，(4)：116-119.