劉振江

摘要：本文采用的模擬軟件是FLAC3D，對城市管廊在挖至不同深度時導(dǎo)致的地面沉降進行了模擬分析，通過模擬得到綜合管廊的地面沉降一般規(guī)律和其他參數(shù)，并將模擬結(jié)果應(yīng)用于城市綜合管廊的地面沉降研究。通過對最終沉降值的比較，得出不同模擬方法的沉降值差異，從而優(yōu)化數(shù)值模擬方法。

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.

關(guān)鍵詞：城市綜合管廊;FLAC3D;數(shù)值模擬

Key words： urban comprehensive corridor;FLAC3D;numerical simulation

中圖分類號：TU433? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0168-02

0? 引言

城市地下綜合管廊的一般解釋是地下公共走廊管道，是在地下建造的一個隧道空間，這種管道是用于在地下敷設(shè)的一種市政管道。城市綜合管廊項目，是十三五計劃中的重要組成部分，對民生工程，城市功能，城市的綜合實力有著重要的影響，起到很大的引領(lǐng)作用。政府指導(dǎo)作為導(dǎo)向，截至到2020年，我國將有一批具有國際先進水平的地下綜合管線并投入運行[1]。

城市地下綜合管廊在開挖的過程中，會引起許多土層問題，巖土層擾動、地面沉降和變形等問題都是不可避免的，甚至危及地面建筑物、道路和管道的安全使用，更有甚者會有可能造成坍塌和破壞。整個過程中，城市地下綜合管廊完整的施工過程是十分必要的。在施工過程中，地上和地下建筑物的沉降要進行實時監(jiān)測，并嚴(yán)格控制其沉降，把對地面沉降的影響降到最低。后續(xù)的沉降也要密切關(guān)注，對將來地面的影響也要盡可能降低[2-4]。

在1956年的時候，R.W.Clough第一次把有限元計算方法運用到土石壩的穩(wěn)定性分析中，那時的成果在巖土工程的領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就，并取得了巨大的進步，由此解決了很多重大工程上的實際問題[5]。后來，隨著個人電腦的出現(xiàn)，軟件模擬的計算性能在不斷的提高，這幫助研究人員在進行數(shù)值模擬分析成為了現(xiàn)實。數(shù)值模擬的手段不斷地加強，慢慢就成了主流的研究和設(shè)計方法[6]。

在通過FLAC3d進行數(shù)值模擬時，在軟進行數(shù)值分析時，每一個單元都有自己的一套本構(gòu)關(guān)系，計算時要對其邊界條件進行限定。如果在計算過程中，單元產(chǎn)生了把流動性變形或者屈服變形，那么這時候這個計算區(qū)域劃分的單元網(wǎng)格會伴著材料變形而變形，這種算法就是FLAC算法。

1? 數(shù)值模擬依據(jù)Peck公式

Peck公式是Peck對地層進行運算的公式，對此公式的熟練應(yīng)用，使地層驗算更加準(zhǔn)確，這個公式的誕生過程和元素周期表很相似，在此有大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗支撐，經(jīng)過對比分析地表沉降的一般規(guī)律，會有一定參數(shù)的正態(tài)分布，這種情況下，最大的沉降位置在地下管廊正上方，這已經(jīng)不再是一個秘密。

地下管廊在開挖的過程中，會影響巖土的結(jié)構(gòu)和平衡，再加上疊加效應(yīng)，地表會出現(xiàn)一些變化-沉降或隆起。

地層損失率我們可以理解為單位長度的地層損失量除以單位長度的理論體積的商的百分?jǐn)?shù)，即

式中：VS——地層損失率（%）;

V——單位長度的理論體積（m3/m）;

V1——單位長度的地層損失量（m3/m）。

2? 城市綜合管廊開挖引起的地表沉降數(shù)值模擬

本文通過考慮現(xiàn)實情況進行建模。本次模型的參數(shù)：長：42m，寬：50m，高：25m，自由邊界取在地表，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，在下方加約束，在地面進行固定，并限制位移，本文采用零位模型對綜合管廊的土體進行開挖，采用莫爾-庫侖模型對土體進行開挖，采用殼單元對盾構(gòu)段進行開挖。為便于觀察分析，根據(jù)實際情況，綜合管廊深度為11m，綜合管廊外徑為3.7m，盾構(gòu)內(nèi)徑為3m，管片寬度為1.2m，管片厚度為F段為0.35m。本模型是對實際工程1：1進行模擬。

用該軟件進行建模，軟件自動進行三維網(wǎng)格生成，通過編寫命令流，軟件會生成三維立體網(wǎng)格，對邊界、約束點和自重應(yīng)力，進行管道開挖，管道長分別為5m、10m、20m、30m、40m、50m。接下來，軟件開始進行動態(tài)的運算模擬，對運算后的圖形進行系統(tǒng)分析。在整個運算過程中所建立的三維計算模型如圖2所示。

3? 城市綜合管廊開挖引起的地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果分析與對比

3.1 采用單側(cè)開挖模擬數(shù)值分析

由圖3可知，在模擬過程中，微型盾構(gòu)機向內(nèi)推進20m時，會影響地面沉降。模型中，綜合管廊模型的頂部最大。隨著管廊中心線的偏移越遠越小，這時候最大值為2.4017mm。

3.2 采用中心開挖模擬數(shù)值分析

在模擬過程中，大地要作為一個無限邊界的鋼片，將大地當(dāng)作一個無邊界的大鋼片，在上述的文本中，已經(jīng)提到的單側(cè)開挖深度是20m，模型是對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)測40m，有限元的模擬如圖4。

通過分析，圖4可知：在微型盾構(gòu)機繼續(xù)內(nèi)挖推進40m時，主要對其影響的是綜合管廊開挖引起的地表沉降，模型中，管廊正上方（中心）最大，隨著綜合管廊中心線后的偏移呈現(xiàn)橢圓形擴散，這時最大值為2.3924mm。

4? 結(jié)論

本次利用FLAC3D對某城市綜合管廊開挖引起地表沉降進行數(shù)值模擬對比研究可以得出以下結(jié)論：

①對于土方開挖，無論是單開挖數(shù)值模擬還是內(nèi)開挖數(shù)值模擬，其對地表沉降的數(shù)值影響是不同的，內(nèi)開挖數(shù)值模擬比單開挖略小。②單邊開挖數(shù)值模擬有助于預(yù)測城市綜合管廊開挖引起的地面沉降，為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了參考。

不可避免的是，用軟件進行數(shù)值模擬會產(chǎn)生與實際情況完全不同的數(shù)據(jù)結(jié)果。因為在現(xiàn)實生活中，城市綜合走廊的開挖會遇到各種土層。土壤是一種各向異性的非線性介質(zhì)。軟件模擬只能無限接近實際情況，需要繼續(xù)探索精確計算土層開挖引起的地面沉降的方法。

參考文獻：

[1]王鵬宇，王述紅，朱承金.城市地下管廊結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)分析[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)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，劉永立，孟嵩.地下管廊與管線同期同槽建設(shè)難點研究[J].水利水電施工，2018（04）：27-28.

[5]侯文麗，徐港.基于AHP的地下工程基坑開挖風(fēng)險評價——以杭州艮山東路地下管廊工程為例[J].智能城市，2019，5（03）：11-13.

[6]任佳.地下綜合管廊：城市建設(shè)的百年大計[J].中華建設(shè)，2018（11）：8-9.

[7]陸松.探究城市地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降[J].價值工程，2018，37（17）：151-153.