综合管廊开挖引起的地表沉降数值模拟对比

刘振江

摘要：本文采用的模拟软件是FLAC3D，对城市管廊在挖至不同深度时导致的地面沉降进行了模拟分析，通过模拟得到综合管廊的地面沉降一般规律和其他参数，并将模拟结果应用于城市综合管廊的地面沉降研究。通过对最终沉降值的比较，得出不同模拟方法的沉降值差异，从而优化数值模拟方法。

Abstract： The simulation software used in this paper is FLAC3D， which simulates and analyses the ground subsidence caused by the excavation of urban pipeline corridor to different depths. The general law of ground subsidence and other parameters of the comprehensive pipeline corridor are obtained by simulation， and the simulation results are applied to the study of the ground subsidence of urban pipeline corridor. By comparing the final settlement values， the differences of settlement values of different simulation methods are obtained， so as to optimize the numerical simulation method.

关键词：城市综合管廊;FLAC3D;数值模拟

Key words： urban comprehensive corridor;FLAC3D;numerical simulation

中图分类号：TU433                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）26-0168-02

0  引言

城市地下综合管廊的一般解释是地下公共走廊管道，是在地下建造的一个隧道空间，这种管道是用于在地下敷设的一种市政管道。城市综合管廊项目，是十三五计划中的重要组成部分，对民生工程，城市功能，城市的综合实力有着重要的影响，起到很大的引领作用。政府指导作为导向，截至到2020年，我国将有一批具有国际先进水平的地下综合管线并投入运行[1]。

城市地下综合管廊在开挖的过程中，会引起许多土层问题，岩土层扰动、地面沉降和变形等问题都是不可避免的，甚至危及地面建筑物、道路和管道的安全使用，更有甚者会有可能造成坍塌和破坏。整个过程中，城市地下综合管廊完整的施工过程是十分必要的。在施工过程中，地上和地下建筑物的沉降要进行实时监测，并严格控制其沉降，把对地面沉降的影响降到最低。后续的沉降也要密切关注，对将来地面的影响也要尽可能降低[2-4]。

在1956年的时候，R.W.Clough第一次把有限元计算方法运用到土石坝的稳定性分析中，那时的成果在岩土工程的领域内已经取得了相当大的成就，并取得了巨大的进步，由此解决了很多重大工程上的实际问题[5]。后来，随着个人电脑的出现，软件模拟的计算性能在不断的提高，这帮助研究人员在进行数值模拟分析成为了现实。数值模拟的手段不断地加强，慢慢就成了主流的研究和设计方法[6]。

在通过FLAC3d进行数值模拟时，在软进行数值分析时，每一个单元都有自己的一套本构关系，计算时要对其边界条件进行限定。如果在计算过程中，单元产生了把流动性变形或者屈服变形，那么这时候这个计算区域划分的单元网格会伴着材料变形而变形，这种算法就是FLAC算法。

1  数值模拟依据Peck公式

Peck公式是Peck对地层进行运算的公式，对此公式的熟练应用，使地层验算更加准确，这个公式的诞生过程和元素周期表很相似，在此有大量的数据和经验支撑，经过对比分析地表沉降的一般规律，会有一定参数的正态分布，这种情况下，最大的沉降位置在地下管廊正上方，这已经不再是一个秘密。

地下管廊在开挖的过程中，会影响岩土的结构和平衡，再加上叠加效应，地表会出现一些变化-沉降或隆起。

地层损失率我们可以理解为单位长度的地层损失量除以单位长度的理论体积的商的百分数，即

式中：VS——地层损失率（%）;

V——单位长度的理论体积（m3/m）;

V1——单位长度的地层损失量（m3/m）。

2  城市综合管廊开挖引起的地表沉降数值模拟

本文通过考虑现实情况进行建模。本次模型的参数：长：42m，宽：50m，高：25m，自由边界取在地表，模型的前y=0，后y=50，模型的左x=-21，右x=21，模型的下方z=-12，在下方加约束，在地面进行固定，并限制位移，本文采用零位模型对综合管廊的土體进行开挖，采用莫尔-库仑模型对土体进行开挖，采用壳单元对盾构段进行开挖。为便于观察分析，根据实际情况，综合管廊深度为11m，综合管廊外径为3.7m，盾构内径为3m，管片宽度为1.2m，管片厚度为F段为0.35m。本模型是对实际工程1：1进行模拟。

用该软件进行建模，软件自动进行三维网格生成，通过编写命令流，软件会生成三维立体网格，对边界、约束点和自重应力，进行管道开挖，管道长分别为5m、10m、20m、30m、40m、50m。接下来，软件开始进行动态的运算模拟，对运算后的图形进行系统分析。在整个运算过程中所建立的三维计算模型如图2所示。

3  城市综合管廊开挖引起的地表沉降数值模拟结果分析与对比

3.1 采用单侧开挖模拟数值分析

由图3可知，在模拟过程中，微型盾构机向内推进20m时，会影响地面沉降。模型中，综合管廊模型的顶部最大。随着管廊中心线的偏移越远越小，这时候最大值为2.4017mm。

3.2 采用中心开挖模拟数值分析

在模拟过程中，大地要作为一个无限边界的钢片，将大地当作一个无边界的大钢片，在上述的文本中，已经提到的单侧开挖深度是20m，模型是对称结构，内测40m，有限元的模拟如图4。

通过分析，图4可知：在微型盾构机继续内挖推进40m时，主要对其影响的是综合管廊开挖引起的地表沉降，模型中，管廊正上方（中心）最大，随着综合管廊中心線后的偏移呈现椭圆形扩散，这时最大值为2.3924mm。

4  结论

本次利用FLAC3D对某城市综合管廊开挖引起地表沉降进行数值模拟对比研究可以得出以下结论：

①对于土方开挖，无论是单开挖数值模拟还是内开挖数值模拟，其对地表沉降的数值影响是不同的，内开挖数值模拟比单开挖略小。②单边开挖数值模拟有助于预测城市综合管廊开挖引起的地面沉降，为内部结构提供了参考。

不可避免的是，用软件进行数值模拟会产生与实际情况完全不同的数据结果。因为在现实生活中，城市综合走廊的开挖会遇到各种土层。土壤是一种各向异性的非线性介质。软件模拟只能无限接近实际情况，需要继续探索精确计算土层开挖引起的地面沉降的方法。

参考文献：

[1]王鹏宇，王述红，朱承金.城市地下管廊结构地震动力响应分析[J].东北大学学报（自然科学版），2019（07）：1020-1027.

[2]J S Li，X Q Kou. Numerical analysis of the influence of soft ground improvement by surcharge preloading method on the underground pipe gallery[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2019，242（6）.

[3]Jiaxu Wang， Xuefeng Liu， Shu LI， Guanyu Fang，Wenjing Chen， Shiming Deng. Research on Quantitative Relationship between Fire Separations and Ampacity in Underground pipe gallery Electric cabin[J]. Energy Procedia，2019，158.

[4]李川杰，刘永立，孟嵩.地下管廊与管线同期同槽建设难点研究[J].水利水电施工，2018（04）：27-28.

[5]侯文丽，徐港.基于AHP的地下工程基坑开挖风险评价——以杭州艮山东路地下管廊工程为例[J].智能城市，2019，5（03）：11-13.

[6]任佳.地下综合管廊：城市建设的百年大计[J].中华建设，2018（11）：8-9.

[7]陆松.探究城市地铁盾构隧道地表沉降[J].价值工程，2018，37（17）：151-153.