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摘要：运用三维快速拉格朗日分析程序FLAC3D研究了软土中不同埋深地下通道开挖对邻近桩基产生的影响，并对地下通道开挖引起的地表沉降变形进行了数值模拟，同时得到邻近桩基桩顶的水平位移和竖向位移，并根据邻近建筑物的允许变形值评估该地下通道开挖对建筑物的影响程度。在数值分析过程中，地下通道开挖采用上下两台阶的方式进行，开挖时支护和衬砌的作用通过提高围岩参数来模拟。对比分析可知，提高围岩参数模拟支护和衬砌的方法不仅简化了模型，而且大大提高了计算效率。根据据算结果和通道开挖过程中周围土体运动趋势可以得出，随着地下通道埋深的增加，桩顶水平位移和沉降位移也随之增加，且增加幅度较大。因此在进行地下通道设计时，应综合考虑对周围环境的影响，选择适当的埋深。
关键词：FLAC3D；地下通道；地表变形；桩顶位移；围岩参数
中图分类号：TU28文献标识码： A
1引言
为了解决城市中地少人多的矛盾和日益拥挤的交通问题，人们逐渐将目光投入到地下空间的综合利用。有了地下通道，行人能大量、快速、安全的通过拥挤的街道，解决了大城市内的行人交通拥挤和安全问题，同时起到了美化城市的景观作用。
由于岩土开挖不可避免地产生对岩土体的扰动并引起隧道周围地表发生位移和变形，当位移和变形超过一定限度时，势必危及周围地面建筑设施。地下通道由于埋深较浅，且往往位于交通拥挤的路段，为了尽量减少对交通的影响，通常采用浅埋暗挖的施工方法进行施工。另外，由于城市中建筑物较密集，尤其随着桩基础的大量运用，当地下通道邻近既有桩基础时，其开挖势必会对桩基造成影响。
芮勇勤、岳中琦和唐春安等[1]研究了不同的隧道开挖方式对建筑物桩基的影响。黄茂松、李早和杨超[2]提出了隧道开挖对群桩影响的两阶段分析方法并在考虑桩基的遮拦效应前提下分析隧道开挖对群桩的影响。张云军、宰金珉和王旭东等[3]分析了邻近桩基的隧道开挖对建筑物桩基的影响，并选取了不同隧道挖深，模拟开挖对邻近建筑物桩基的影响。丁智、魏新江和魏纲[4]等，采用有限元方法对邻近不同位置建筑物工况下的盾构隧道施工进行了模拟和分析。李文秀，瞿淑花，乔金丽[5]将BP神经网络用于岩体移动分析模型中的工程参数的确定，进而研究了隧道开挖对地表沉降的影响。Peck[6]通过对大量的隧道开挖引起地表沉降的实测资料的分析整理，在1969年提出了地层损失的概念和估算地表沉降的实用方法，即Peck公式。Mortorn[7]和Logannathan[8]分别通过模型试验和离心机试验进行了盾构隧道开挖对邻近桩基的影响的研究。
由于上海软土中地下水位较高，地下通道开挖引起邻近桩基侧壁和端部土体的位移变形以及孔隙水压力的消散，会对基桩承载力和桩底位移产生一定的影响。土体位移变形和孔隙水压力的消散程度越大，则对桩基的承载力影响也越大。本文运用FLAC3D软件对软土中不同埋深地下通道开挖引起的地表变形和邻近基桩桩顶水平位移和竖直位移进行了模拟计算，以便评估开挖对邻近建筑物的影响。
2工程概况
该通道位于上海软土地区，断面为圆形，直径6m，沿轴向长度30m，地下水位-0.5m。采用浅埋暗挖法中的上下台阶法施工，即先开挖通道上半部分，支护衬砌，再开挖下半部分，做好支护，每次开挖进深为5m，依次完成整个地下通道的开挖。邻近桩基为长20m的钻孔灌注桩，桩径600mm，桩身轴心距离通道边缘7m（见图1）。
图1地下通道位置及尺寸
Fig.1location and dimensions of underpass
3數值模拟
3.1 模型几何尺寸
地下通道模型采用直径6m，长度30m的圆形断面实体单元模拟。通道顶部到地面的距离h根据需要分别取1m、2m、3m、4m、5m。邻近桩基础采用FLAC3D中的桩结构单元进行模拟[9]，每个桩单元分为五段六节点，桩长为20m，桩径0.6m，桩身轴线到通道侧边缘的距离为7m，即通道中心到桩身轴线的距离为10m。考虑到桩基础的长度和地下通道的宽度，取周围土体的尺寸为30m×40m×30m（见图2）。
因为地下通道采用上下两台阶法[10~11]进行开挖，为了便于模拟分步开挖的过程，在建模时将通道部分分成上下两个半圆柱体建模。另外因为通道开挖过程中衬砌和支护的作用，是通过采用提高围岩参数的方法[12]来进行模拟，因此在通道周围建立厚度为50cm的围岩圈，也分为上下两部分，以便开挖的时候能做到同步提高其参数来模拟衬砌和支护的作用。
图2地下通道几何模型
Fig.2Geometric model of underpass
3.2 土层参数
为更好地模拟施工的影响，使用与原状土相同的土层进行计算，且土层分布如表1所示：
表1地下通道土层分布
Table2soil distribution of underpass
在FLAC3D中，由于土体模型采用的是摩尔—库伦模型[13]，而该模型涉及到的是土体的体积模量和切变模量，故需将土体压缩模量转为弹性体积模量K和切变模量G，按下式进行转换：
上式中E为杨氏模量，ν为泊松比。
3.3 地下通道开挖过程模拟
地下通道施工流程为：先开挖第1部分，进深5m,再开挖第2部分，也进深5m，如此循环直至开挖完毕，通道断面和开挖顺序如图3所示。
图3通道断面和开挖顺序
Fig.3Excavating sequence of underpass
4计算结果与分析
4.1 不同埋深地下通道开挖引起的地表变形
运用上述几何模型和参数对不同埋深地下通道进行开挖，并记录地表沉降位移，观测记录点为垂直于通道中心线的一条直线，直线上每隔5米布置一观测点，总共9个(见图2)。各个埋深开挖对应的地表沉降变形如图4所示。
图4不同埋深开挖地表沉降
Fig.4 ground surface settlement on different depth
4.2 不同埋深地下通道开挖引起桩顶的沉降
通过对上述不同埋深地下通道进行开挖，记录各桩桩顶的沉降位移，其中观测记录点为三根桩桩桩顶轴心对应的坐标点。各个埋深开挖对应的桩顶沉降位移如图5~7所示。
图51#桩桩顶沉降
Fig.5 settlement of 1# pile top
图62#桩桩顶沉降
Fig.6 settlement of 2# pile top
图73#桩桩顶沉降
Fig.7 settlement of 3# pile top
由图5~7可以看到，三根桩均表现为随着通道埋深的增加，桩顶竖直位移也增加，且当通道埋深增加4m时，相应桩顶沉降增加了将近三倍。
在地下通道开挖过程中，通道断面的收缩变形，导致了通道周围土体向开挖空间运动，从而引起地表沉降[14~15]。随着通道开挖深度的增加，通道断面上应力也相应增加，通道断面收缩量变大，地表沉降增加。此外由于软土地区，地下水位较高，通道的开挖势必会引起地下水位的变化，随着通道开挖的进行，地下水朝着开挖空间运动，由此也带来的地表的部分沉降。
通道开挖引起邻近桩基桩侧土体下沉，导致桩侧摩阻力减小，于是桩在上部不变的荷载作用下发生沉降。由上述计算和分析可知，随着通道开挖深度越深，桩侧土体沉降量越大，桩侧摩阻力减小就越多，因此，通道开挖深度增加，桩顶竖直位移也增加。
4.3 不同埋深地下通道开挖引起桩顶的水平位移
《危险房屋检定标准》[16]中明确规定，当地基不稳定产生滑移，水平位移量大于10mm,并对上部结构有显著影响，且仍具有滑移迹象，则应评定该房屋为危险状态。桩基础顶部产生水平位移时，桩身下部由于土的约束作用，相对较稳定，这样势必造成桩身倾斜和弯曲，严重者可能导致破坏。
由此可见，桩顶水平位移在开挖过程中应引起足够的重视。本文中为了检测桩顶水平位移，在不同埋深地下通道进行开挖的过程中，记录了各桩顶的水平位移，观测记录点取为三根桩桩顶轴心对应的坐标点。各个埋深开挖对应的各桩顶水平位移如图8~10所示。
图81#桩桩顶水平
Fig.8 horizontal displacement of 1# pile top
图92#桩桩顶水平
Fig.9 horizontal displacement of 2# pile top
图103#桩桩顶水平
Fig.10 horizontal displacement of 3# pile top
由图7~图9可以看到随着地下通道开挖深度的增加，桩顶水平位移也相应增加，当通道埋深增加4m 时，相应的水平位移增加2倍多。
通道开挖过程中，开挖断面在围岩应力作用下收缩变形，从而导致了周围土体向开挖部分运动（见图11），这样一来则带动了临近桩基向通道方向发生水平位移。当通道埋深增加时，上部土体运动越剧烈，从而导致了桩顶水平位移也随之增加。
图11土体运动趋势图
Fig.11 trend of soil movement
5结论
通过上述计算与分析可知，随着地下通道开挖深度的增加，地表沉降和桩顶的位移也相应增加。在埋深增加4m的时候，相应的沉降位移增加将近3倍，水平位移增加将近2倍。而且土质越软地下水位越高，由于开挖引起地下水的流动，与土体中孔隙水压力的消散，导致土体的变形加剧，从而引起桩基更大的沉降和水平位移。因此在实际的地下通道工程中，为了尽量减少对邻近建筑物的影响，我们应该合理的选择通道的埋深和施工方法，以避免造成对周围环境的破坏。
参考文献
芮勇勤, 岳中琦, 唐春安等. 隧道开挖方式对建筑物桩基影响的数值模拟分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(5): 735－741.
RUI Yongqin, YUE Zhongqi, TANG Chun-an. Numerical simulation analysis on influence of tunnel excavation types on pile foundation of building[J]. Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(5):735-741
黄茂松, 李早, 杨超. 隧道开挖条件下被动群桩遮拦效应分析[J]. 土木工程学报, 2007, 40(6).
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张云军, 宰金珉, 王旭东等. 隧道开挖对临近桩基影响的二维数值分析[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(6).
ZHANG Yunjun, ZAI Jinmin, WANG Xudong. Two-dimension numerical analysis of the influence of pile foundation induced by adjacent tunnel excavation[J]. Underground Space and Engineering, 2005,1(6).
丁智, 魏新江, 魏綱, 李晓珍. 邻近不同基础建筑物地铁盾构施工相互内力影响研究与分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(增刊1).
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陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2011.
王梦茹. 地下工程浅埋暗挖技术通论[M]. 合肥:安徽教育出版社, 2004.
阳军生, 刘宝琛. 城市隧道施工引起的地表移动及变形[M]. 北京: 中国铁道出版社,2002.
蔡小林, 赵德安. 隧道计算中提高围岩参数模拟锚杆作用的探讨[J]. 兰州交通大学学报, 2004, 23(1).
CAI Xiaolin, ZHAO De-an. Probe into simulation of the bolt function by increasing geotechnical parameters in tunnel calculation[J]. Lanzhou Jiaotong University. 2004,23(1).
彭文斌. FLAC 3D实用教程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.
乔世范, 殷建华, 刘宝琛. 圆形断面隧道开挖引起的地表及岩土体的位移和变形计算研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(增2).
QIAO Shifan, YIN Jianhua, LIU Baoshen. Study on movement and deformation of ground and soil and rock mass resulted from excavation of tunnel with circle section[J]. Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(add 2).
姜忻良, 赵志明, 李园. 隧道开挖引起土层沉降槽曲线形态的分析与计算[J]. 岩土力学, 2004,25(10).
JIANG Xinliang, ZHAO Zhimin, LI Yuan. Analysis and calculation of surface and subsurface settlement trough profiles due to tunneling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004,25(10).
中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ125-99 危险房屋检定标准[S]. 北京: 中国建筑工业出社.
[作者简历] 曹炯（1976.7-），男，主任，工程硕士，工程师，经济师。
[作者简历] 曹炯（1976.7-），男，主任，工程硕士，工程师，经济师
关键词：FLAC3D；地下通道；地表变形；桩顶位移；围岩参数
中图分类号：TU28文献标识码： A
1引言
为了解决城市中地少人多的矛盾和日益拥挤的交通问题，人们逐渐将目光投入到地下空间的综合利用。有了地下通道，行人能大量、快速、安全的通过拥挤的街道，解决了大城市内的行人交通拥挤和安全问题，同时起到了美化城市的景观作用。
由于岩土开挖不可避免地产生对岩土体的扰动并引起隧道周围地表发生位移和变形，当位移和变形超过一定限度时，势必危及周围地面建筑设施。地下通道由于埋深较浅，且往往位于交通拥挤的路段，为了尽量减少对交通的影响，通常采用浅埋暗挖的施工方法进行施工。另外，由于城市中建筑物较密集，尤其随着桩基础的大量运用，当地下通道邻近既有桩基础时，其开挖势必会对桩基造成影响。
芮勇勤、岳中琦和唐春安等[1]研究了不同的隧道开挖方式对建筑物桩基的影响。黄茂松、李早和杨超[2]提出了隧道开挖对群桩影响的两阶段分析方法并在考虑桩基的遮拦效应前提下分析隧道开挖对群桩的影响。张云军、宰金珉和王旭东等[3]分析了邻近桩基的隧道开挖对建筑物桩基的影响，并选取了不同隧道挖深，模拟开挖对邻近建筑物桩基的影响。丁智、魏新江和魏纲[4]等，采用有限元方法对邻近不同位置建筑物工况下的盾构隧道施工进行了模拟和分析。李文秀，瞿淑花，乔金丽[5]将BP神经网络用于岩体移动分析模型中的工程参数的确定，进而研究了隧道开挖对地表沉降的影响。Peck[6]通过对大量的隧道开挖引起地表沉降的实测资料的分析整理，在1969年提出了地层损失的概念和估算地表沉降的实用方法，即Peck公式。Mortorn[7]和Logannathan[8]分别通过模型试验和离心机试验进行了盾构隧道开挖对邻近桩基的影响的研究。
由于上海软土中地下水位较高，地下通道开挖引起邻近桩基侧壁和端部土体的位移变形以及孔隙水压力的消散，会对基桩承载力和桩底位移产生一定的影响。土体位移变形和孔隙水压力的消散程度越大，则对桩基的承载力影响也越大。本文运用FLAC3D软件对软土中不同埋深地下通道开挖引起的地表变形和邻近基桩桩顶水平位移和竖直位移进行了模拟计算，以便评估开挖对邻近建筑物的影响。
2工程概况
该通道位于上海软土地区，断面为圆形，直径6m，沿轴向长度30m，地下水位-0.5m。采用浅埋暗挖法中的上下台阶法施工，即先开挖通道上半部分，支护衬砌，再开挖下半部分，做好支护，每次开挖进深为5m，依次完成整个地下通道的开挖。邻近桩基为长20m的钻孔灌注桩，桩径600mm，桩身轴心距离通道边缘7m（见图1）。
图1地下通道位置及尺寸
Fig.1location and dimensions of underpass
3數值模拟
3.1 模型几何尺寸
地下通道模型采用直径6m，长度30m的圆形断面实体单元模拟。通道顶部到地面的距离h根据需要分别取1m、2m、3m、4m、5m。邻近桩基础采用FLAC3D中的桩结构单元进行模拟[9]，每个桩单元分为五段六节点，桩长为20m，桩径0.6m，桩身轴线到通道侧边缘的距离为7m，即通道中心到桩身轴线的距离为10m。考虑到桩基础的长度和地下通道的宽度，取周围土体的尺寸为30m×40m×30m（见图2）。
因为地下通道采用上下两台阶法[10~11]进行开挖，为了便于模拟分步开挖的过程，在建模时将通道部分分成上下两个半圆柱体建模。另外因为通道开挖过程中衬砌和支护的作用，是通过采用提高围岩参数的方法[12]来进行模拟，因此在通道周围建立厚度为50cm的围岩圈，也分为上下两部分，以便开挖的时候能做到同步提高其参数来模拟衬砌和支护的作用。
图2地下通道几何模型
Fig.2Geometric model of underpass
3.2 土层参数
为更好地模拟施工的影响，使用与原状土相同的土层进行计算，且土层分布如表1所示：
表1地下通道土层分布
Table2soil distribution of underpass
在FLAC3D中，由于土体模型采用的是摩尔—库伦模型[13]，而该模型涉及到的是土体的体积模量和切变模量，故需将土体压缩模量转为弹性体积模量K和切变模量G，按下式进行转换：
上式中E为杨氏模量，ν为泊松比。
3.3 地下通道开挖过程模拟
地下通道施工流程为：先开挖第1部分，进深5m,再开挖第2部分，也进深5m，如此循环直至开挖完毕，通道断面和开挖顺序如图3所示。
图3通道断面和开挖顺序
Fig.3Excavating sequence of underpass
4计算结果与分析
4.1 不同埋深地下通道开挖引起的地表变形
运用上述几何模型和参数对不同埋深地下通道进行开挖，并记录地表沉降位移，观测记录点为垂直于通道中心线的一条直线，直线上每隔5米布置一观测点，总共9个(见图2)。各个埋深开挖对应的地表沉降变形如图4所示。
图4不同埋深开挖地表沉降
Fig.4 ground surface settlement on different depth
4.2 不同埋深地下通道开挖引起桩顶的沉降
通过对上述不同埋深地下通道进行开挖，记录各桩桩顶的沉降位移，其中观测记录点为三根桩桩桩顶轴心对应的坐标点。各个埋深开挖对应的桩顶沉降位移如图5~7所示。
图51#桩桩顶沉降
Fig.5 settlement of 1# pile top
图62#桩桩顶沉降
Fig.6 settlement of 2# pile top
图73#桩桩顶沉降
Fig.7 settlement of 3# pile top
由图5~7可以看到，三根桩均表现为随着通道埋深的增加，桩顶竖直位移也增加，且当通道埋深增加4m时，相应桩顶沉降增加了将近三倍。
在地下通道开挖过程中，通道断面的收缩变形，导致了通道周围土体向开挖空间运动，从而引起地表沉降[14~15]。随着通道开挖深度的增加，通道断面上应力也相应增加，通道断面收缩量变大，地表沉降增加。此外由于软土地区，地下水位较高，通道的开挖势必会引起地下水位的变化，随着通道开挖的进行，地下水朝着开挖空间运动，由此也带来的地表的部分沉降。
通道开挖引起邻近桩基桩侧土体下沉，导致桩侧摩阻力减小，于是桩在上部不变的荷载作用下发生沉降。由上述计算和分析可知，随着通道开挖深度越深，桩侧土体沉降量越大，桩侧摩阻力减小就越多，因此，通道开挖深度增加，桩顶竖直位移也增加。
4.3 不同埋深地下通道开挖引起桩顶的水平位移
《危险房屋检定标准》[16]中明确规定，当地基不稳定产生滑移，水平位移量大于10mm,并对上部结构有显著影响，且仍具有滑移迹象，则应评定该房屋为危险状态。桩基础顶部产生水平位移时，桩身下部由于土的约束作用，相对较稳定，这样势必造成桩身倾斜和弯曲，严重者可能导致破坏。
由此可见，桩顶水平位移在开挖过程中应引起足够的重视。本文中为了检测桩顶水平位移，在不同埋深地下通道进行开挖的过程中，记录了各桩顶的水平位移，观测记录点取为三根桩桩顶轴心对应的坐标点。各个埋深开挖对应的各桩顶水平位移如图8~10所示。
图81#桩桩顶水平
Fig.8 horizontal displacement of 1# pile top
图92#桩桩顶水平
Fig.9 horizontal displacement of 2# pile top
图103#桩桩顶水平
Fig.10 horizontal displacement of 3# pile top
由图7~图9可以看到随着地下通道开挖深度的增加，桩顶水平位移也相应增加，当通道埋深增加4m 时，相应的水平位移增加2倍多。
通道开挖过程中，开挖断面在围岩应力作用下收缩变形，从而导致了周围土体向开挖部分运动（见图11），这样一来则带动了临近桩基向通道方向发生水平位移。当通道埋深增加时，上部土体运动越剧烈，从而导致了桩顶水平位移也随之增加。
图11土体运动趋势图
Fig.11 trend of soil movement
5结论
通过上述计算与分析可知，随着地下通道开挖深度的增加，地表沉降和桩顶的位移也相应增加。在埋深增加4m的时候，相应的沉降位移增加将近3倍，水平位移增加将近2倍。而且土质越软地下水位越高，由于开挖引起地下水的流动，与土体中孔隙水压力的消散，导致土体的变形加剧，从而引起桩基更大的沉降和水平位移。因此在实际的地下通道工程中，为了尽量减少对邻近建筑物的影响，我们应该合理的选择通道的埋深和施工方法，以避免造成对周围环境的破坏。
参考文献
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姜忻良, 赵志明, 李园. 隧道开挖引起土层沉降槽曲线形态的分析与计算[J]. 岩土力学, 2004,25(10).
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中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ125-99 危险房屋检定标准[S]. 北京: 中国建筑工业出社.
[作者简历] 曹炯（1976.7-），男，主任，工程硕士，工程师，经济师。
[作者简历] 曹炯（1976.7-），男，主任，工程硕士，工程师，经济师