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【摘 要】 本文利用岩土工程专业分析软件FLAC 3D，模拟北京地铁8号线安德里北街站D出入口人防段通道开挖过程，建立了工程开挖、支护模拟模型，分析该工程开挖、支护全过程及在此过程中支护结构后面土体的变形和沉降分析。在分析中，采用Null单元模拟挖掉土体，通过时间步来定义工程开挖、支护过程，从而可以计算分析每一工况下支护结构的内力、变形和地表沉降。
【关键词】 FLAC 3D；开挖
1727-5123（2012）03-127-02
Merical simulation analysis of the excation of the subway station
【Abstract】 This paper has made use of geotechnical engineering professional analysis software FLAC 3D to simulate the
engineering excation and support model, and analyzed the whole process of engineering excation and support, as well as soil
deformation. In this paper, the researcher has used the Null unit to simulate the removed soil. Through the time step to define engineering
excation and support process, in this way the researcher can calculate the internal force, deformation and surface subsidence of support
structure for each condition.
【Key words】FLAC 3D；Excation
由于ＦＬＡＣ ３Ｄ在建立计算模型时采用键入数据命令行的方式，且ＦＩＳＨ语言具有其独特的源代码表达方式，故一般在Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ或ＡＮＳＹＳ中完成前处理，包括建模、划分和分组拉伸网格等工作，然后通过转化程序将其转化为ＦＬＡＣ ３Ｄ程序的前处理数据文件，在ＦＬＡＣ ３Ｄ中完成开挖和后处理过程，并分析对比数据结果。
1 工程条件概述
北京地铁８号线是北京轨道交通规划网中一条由北向南贯穿北京城的轨道交通线，安德里北街站是８号线二期工程的中间站。车站位于安德里北街和鼓楼外大街十字交叉路口处，沿鼓楼外大街呈南北布置。根据钻探揭露的地层资料，按沉积年代、成因类型及岩土性质，将勘察深度范围内地层自上而下分为人工堆积层和一般第四纪沉积层。车站主体、出入口、紧急疏散口、风亭，盾构调头井等，围岩为人工堆积填土层和一般第四纪沉积的粉质粘土层、粉土层、细粉砂层、粘土层；修正后的围岩分级均为Ⅵ级。施工范围内存在上层滞水及局部存在层间滞留水，须采取降排水措施。
2 建模计算
２．１ ＣＡＤ建模。做辅助线。建模前需要明确开挖过程和工序，这是做辅助线的根本依据。添加开挖影响范围的辅助线。左右两侧影响范围分别是一倍的洞径宽度，下侧影响范围是一倍的开挖高度。模型见图２：
２．２ Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ建模。新建文件并导入模型。交叉分割图形并检查重复输入。注意交叉分割可能产生小的线段或弧段，不再满足网格划分区域要求，此时可采用合并线命令合并相应线段。
进行网格划分。①划分方法选择。一般有两种方法：a.自动划分平面网格（如图３所示）。b.采用播种子方法划分ｋ－线面映射网格（如图４所示）。播种子方法能控制分割数量，画出的网格更为规整；且由于自动划分网格的离散性和随意性，对称图形往往得到不对称的计算结果，故一般采用方法２）。②分割数量控制。模型外轮廓至影响范围区域按１ｍ／段进行划分；影响范围以外区域１．５－２ｍ／段进行划分。③镜像网格。
图３ 图４
网格拉伸。①根据工序要求，确定不同拉伸组，可适当合并相同工序的组。②每扩展一次网格，需要修改相应实体属性。
２．３ ＦＬＡＣ ３Ｄ开挖计算。
2.3.1 Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ模型导入ＦＬＡＣ ３Ｄ并进行初始应力求解。①模型选择。通过对应用弹性模型ｅｌａ和塑性模型Ｍｏｈｒ计算结果的对比发现，当选用Ｍｏｈｒ模型进行计算时，参数ｆｒｉｃ、ｃｏｈ和ｔｅｎｓｉｏｎ须取值较大，才能平衡初始应力；选用正常参数时，不能实现平衡。故在进行初始应力计算时，应选用ｅｌａ模型。②施加约束。一般选取边界值±０．１作为约束范围。③设置计算步数。一般地，计算步数越多，对应的时间越长，模型发生的变形也越大；计算步数过少，所得结果不是最终解，无实际意义。初始应力求解通常选用系统默认的１ｅ－５。
结论：取ｙ＝１５ｍ做结果切片（如图５、６所示），对比结果表明通过改变实体单元参数加初期支护的结果要偏小，且由于只有结构单元才能查看内力，故采用１）法做初期支护。2.3.2.2 添加壳单元的方式。①圆柱面加壳。上台阶初衬壳单元。ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｇｒｏｕｐ ８ ｒａｎｇｅ ｃｙｌ ｅｎｄ１ ０ ０ ３．４９０２ ｅｎｄ２ ０ １３．４９０２ ｒａｄ ２．９５。上台阶初衬壳单元参数定义ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｐｒｏｐ ｉｓｏ＝（２．８０ｅ１０，０．２） ｔｈｉｃｋ＝０．３ ｄｅｎｓｉｔｙ ２４００。②设定范围加壳。上台阶初衬壳单元ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｇｒｏｕｐ ８ ｒａｎｇｅ ｘ －２．９５ ２．９５ ｙ ０．１ ０．９ ｚ ３．４ ６．５。上台阶初衬壳单元参数定义ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｐｒｏｐ ｉｓｏ＝（２．８ｅ１０，０．２） ｔｈｉｃｋ＝０．３ ｄｅｎｓｉｔｙ ２４００。
图７ 图８
结论：取ｙ＝１５ｍ做结果切片（如图７、８所示），对比结果表明两种加壳方式对计算结果影响不大。
2.3.2.3 设置壳单元ＩＤ号。①要保证壳单元的内力连续，需要设置统一的ＩＤ编号。②对于电力管线等，可通过设置不同ＩＤ表示管线存在接缝。
2.3.2.4 循环步的设置。添加壳单元时，对于不同的加壳方式需要调整循环步的设置。以安德里北街站Ｄ出入口人防段断面算例为例。采用范围加壳时，使用不同的循环方式（命令流见附录２），加壳单元的效果不同（见图９、１０）。当采用范围加壳时，注意不要在端面上加壳。
图９ 图１０
图１１ 图１２
2.3.3.2 塑性区分布图。观察结果的弹塑性区域可使用如下命令：Ｐｌｏｔ ｂｌｏｃｋ ｓｔａｔｅ ｓｈｅａｒ／ｔｅｎｓｉｏｎ－ｐ／ｎｏｗ／ｐａｓｔ （见图１２）
2.3.3.3 变量检测。检测节点（ｇｐ）的位移和单元（ｚｏｎｅ）的应力可使用如下命令：（见图１３）
ｈｉｓｔ ｉｄ＝２ ｇｐ ｚｄｉｓ １ １ ３
ｈｉｓｔ ｉｄ＝３ ｚｏｎｅ ｓｚｚ １ １ ３
… …
ＰＬＯＴ ｈｉｓｔ ２
ＰＬＯＴ ｈｉｓｔ ３
图１３ 图１４
2.3.3.4 切片操作。描述模型的内部信息可在模型中设置剖面，输出剖面上的响应结果：（见图１４）
Ｐｌｏｔ ｓｅｔ ｐｌａｎｅ ｏｒｉ ０，１５，０ ｎｏｒ
Ｐｌｏｔ ｃｏｎ ｚｄｉｓ ｐｌａｎｅ
３ 结论与建议
3.1 如前文所述，ＧＴＳ建模及网格划分对计算有影响，手动画出的网格更为规整；且自动划分网格的离散性和随意性对称图形往往得到不对称的计算结果，故手动划分优于自动划分。
3.2 通过采用两种模型导入FLAC 3D进行初始应力计算和开挖沉降分析发现，两种网格划分对初始应力计算无影响，对后期计算有影响。
3.3 初始应力计算中采用Elastic及Mohr类型及超载均会对分析结果产生一定的影响：①初平衡时采用mohr模型时，coh 和 tension 必须无限大，才能土体分层均匀。②初平衡时采用elar模型时，fric、coh 和 tension 对土体沉降位移无影响，土体分层均匀。③超载对初平衡沉降有影响，如apply szz-2e4 range z 1
3.5 通过计算结果可以发现，开挖时间步对计算结果有一定影响。时间步选择较小会导致应力不能完全释放，选择过大则会使沉降值过大，甚至不能得到合理的结果，均与实际情况不符。故时间步选取在50～100步较为合理，且需要在工程实际中注意，尽量缩短开挖与初期支护的时间间隔，尽快封闭成环，减小沉降值。
1 刘波等. FLAC原理实例与应用指南.北京：人民交通出版社，2005.9
2 夏国志等．地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程的模拟研究
[J].铁道建筑，2007，(7)：32．35
【关键词】 FLAC 3D；开挖
1727-5123（2012）03-127-02
Merical simulation analysis of the excation of the subway station
【Abstract】 This paper has made use of geotechnical engineering professional analysis software FLAC 3D to simulate the
摘自：本科毕业论文评语www.udooo.com
excation process of D exit and entrance person defending channel in Beijing subway Line 8.In addition, it has also establishedengineering excation and support model, and analyzed the whole process of engineering excation and support, as well as soil
deformation. In this paper, the researcher has used the Null unit to simulate the removed soil. Through the time step to define engineering
excation and support process, in this way the researcher can calculate the internal force, deformation and surface subsidence of support
structure for each condition.
【Key words】FLAC 3D；Excation
由于ＦＬＡＣ ３Ｄ在建立计算模型时采用键入数据命令行的方式，且ＦＩＳＨ语言具有其独特的源代码表达方式，故一般在Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ或ＡＮＳＹＳ中完成前处理，包括建模、划分和分组拉伸网格等工作，然后通过转化程序将其转化为ＦＬＡＣ ３Ｄ程序的前处理数据文件，在ＦＬＡＣ ３Ｄ中完成开挖和后处理过程，并分析对比数据结果。
1 工程条件概述
北京地铁８号线是北京轨道交通规划网中一条由北向南贯穿北京城的轨道交通线，安德里北街站是８号线二期工程的中间站。车站位于安德里北街和鼓楼外大街十字交叉路口处，沿鼓楼外大街呈南北布置。根据钻探揭露的地层资料，按沉积年代、成因类型及岩土性质，将勘察深度范围内地层自上而下分为人工堆积层和一般第四纪沉积层。车站主体、出入口、紧急疏散口、风亭，盾构调头井等，围岩为人工堆积填土层和一般第四纪沉积的粉质粘土层、粉土层、细粉砂层、粘土层；修正后的围岩分级均为Ⅵ级。施工范围内存在上层滞水及局部存在层间滞留水，须采取降排水措施。
2 建模计算
２．１ ＣＡＤ建模。做辅助线。建模前需要明确开挖过程和工序，这是做辅助线的根本依据。添加开挖影响范围的辅助线。左右两侧影响范围分别是一倍的洞径宽度，下侧影响范围是一倍的开挖高度。模型见图２：
２．２ Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ建模。新建文件并导入模型。交叉分割图形并检查重复输入。注意交叉分割可能产生小的线段或弧段，不再满足网格划分区域要求，此时可采用合并线命令合并相应线段。
进行网格划分。①划分方法选择。一般有两种方法：a.自动划分平面网格（如图３所示）。b.采用播种子方法划分ｋ－线面映射网格（如图４所示）。播种子方法能控制分割数量，画出的网格更为规整；且由于自动划分网格的离散性和随意性，对称图形往往得到不对称的计算结果，故一般采用方法２）。②分割数量控制。模型外轮廓至影响范围区域按１ｍ／段进行划分；影响范围以外区域１．５－２ｍ／段进行划分。③镜像网格。
图３ 图４
网格拉伸。①根据工序要求，确定不同拉伸组，可适当合并相同工序的组。②每扩展一次网格，需要修改相应实体属性。
２．３ ＦＬＡＣ ３Ｄ开挖计算。
2.3.1 Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ模型导入ＦＬＡＣ ３Ｄ并进行初始应力求解。①模型选择。通过对应用弹性模型ｅｌａ和塑性模型Ｍｏｈｒ计算结果的对比发现，当选用Ｍｏｈｒ模型进行计算时，参数ｆｒｉｃ、ｃｏｈ和ｔｅｎｓｉｏｎ须取值较大，才能平衡初始应力；选用正常参数时，不能实现平衡。故在进行初始应力计算时，应选用ｅｌａ模型。②施加约束。一般选取边界值±０．１作为约束范围。③设置计算步数。一般地，计算步数越多，对应的时间越长，模型发生的变形也越大；计算步数过少，所得结果不是最终解，无实际意义。初始应力求解通常选用系统默认的１ｅ－５。
2.3.2 开挖。
2.3.1 加初期支护的方式。一般有两种方法：①添加壳单元。②改变实体单元参数。
图５ 图６结论：取ｙ＝１５ｍ做结果切片（如图５、６所示），对比结果表明通过改变实体单元参数加初期支护的结果要偏小，且由于只有结构单元才能查看内力，故采用１）法做初期支护。2.3.2.2 添加壳单元的方式。①圆柱面加壳。上台阶初衬壳单元。ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｇｒｏｕｐ ８ ｒａｎｇｅ ｃｙｌ ｅｎｄ１ ０ ０ ３．４９０２ ｅｎｄ２ ０ １３．４９０２ ｒａｄ ２．９５。上台阶初衬壳单元参数定义ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｐｒｏｐ ｉｓｏ＝（２．８０ｅ１０，０．２） ｔｈｉｃｋ＝０．３ ｄｅｎｓｉｔｙ ２４００。②设定范围加壳。上台阶初衬壳单元ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｇｒｏｕｐ ８ ｒａｎｇｅ ｘ －２．９５ ２．９５ ｙ ０．１ ０．９ ｚ ３．４ ６．５。上台阶初衬壳单元参数定义ｓｅｌ ｓｈｅｌｌ ｉｄ＝１ ｐｒｏｐ ｉｓｏ＝（２．８ｅ１０，０．２） ｔｈｉｃｋ＝０．３ ｄｅｎｓｉｔｙ ２４００。
图７ 图８
结论：取ｙ＝１５ｍ做结果切片（如图７、８所示），对比结果表明两种加壳方式对计算结果影响不大。
2.3.2.3 设置壳单元ＩＤ号。①要保证壳单元的内力连续，需要设置统一的ＩＤ编号。②对于电力管线等，可通过设置不同ＩＤ表示管线存在接缝。
2.3.2.4 循环步的设置。添加壳单元时，对于不同的加壳方式需要调整循环步的设置。以安德里北街站Ｄ出入口人防段断面算例为例。采用范围加壳时，使用不同的循环方式（命令流见附录２），加壳单元的效果不同（见图９、１０）。当采用范围加壳时，注意不要在端面上加壳。
图９ 图１０
2.3.3 后处理。
2.3.3.1 变形云图。分析图形的Ｚ方向位移或竖向应力可使用如下命令：Ｐｌｏｔ ｃｏｎ ｚｄｉｓ／ｓｚｚ （见图１１）。图１１ 图１２
2.3.3.2 塑性区分布图。观察结果的弹塑性区域可使用如下命令：Ｐｌｏｔ ｂｌｏｃｋ ｓｔａｔｅ ｓｈｅａｒ／ｔｅｎｓｉｏｎ－ｐ／ｎｏｗ／ｐａｓｔ （见图１２）
2.3.3.3 变量检测。检测节点（ｇｐ）的位移和单元（ｚｏｎｅ）的应力可使用如下命令：（见图１３）
ｈｉｓｔ ｉｄ＝２ ｇｐ ｚｄｉｓ １ １ ３
ｈｉｓｔ ｉｄ＝３ ｚｏｎｅ ｓｚｚ １ １ ３
… …
ＰＬＯＴ ｈｉｓｔ ２
ＰＬＯＴ ｈｉｓｔ ３
图１３ 图１４
2.3.3.4 切片操作。描述模型的内部信息可在模型中设置剖面，输出剖面上的响应结果：（见图１４）
Ｐｌｏｔ ｓｅｔ ｐｌａｎｅ ｏｒｉ ０，１５，０ ｎｏｒ
源于：大学生论文网www.udooo.com
ｍ ０，２０，０Ｐｌｏｔ ｃｏｎ ｚｄｉｓ ｐｌａｎｅ
３ 结论与建议
3.1 如前文所述，ＧＴＳ建模及网格划分对计算有影响，手动画出的网格更为规整；且自动划分网格的离散性和随意性对称图形往往得到不对称的计算结果，故手动划分优于自动划分。
3.2 通过采用两种模型导入FLAC 3D进行初始应力计算和开挖沉降分析发现，两种网格划分对初始应力计算无影响，对后期计算有影响。
3.3 初始应力计算中采用Elastic及Mohr类型及超载均会对分析结果产生一定的影响：①初平衡时采用mohr模型时，coh 和 tension 必须无限大，才能土体分层均匀。②初平衡时采用elar模型时，fric、coh 和 tension 对土体沉降位移无影响，土体分层均匀。③超载对初平衡沉降有影响，如apply szz-2e4 range z 1
6.34 155，超载方向应与重力加速度方向一致。
3.4 暗挖结构中初期支护的加载方式有两种：①改变实体单元参数；②施加shell或lineshell单元。3.5 通过计算结果可以发现，开挖时间步对计算结果有一定影响。时间步选择较小会导致应力不能完全释放，选择过大则会使沉降值过大，甚至不能得到合理的结果，均与实际情况不符。故时间步选取在50～100步较为合理，且需要在工程实际中注意，尽量缩短开挖与初期支护的时间间隔，尽快封闭成环，减小沉降值。
3.6 循环开挖的模拟步骤可采用分段语句和循环语句控制来模拟实现。
参考文献1 刘波等. FLAC原理实例与应用指南.北京：人民交通出版社，2005.9
2 夏国志等．地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程的模拟研究
[J].铁道建筑，2007，(7)：32．35