为预测常州地铁1号线对地下通道的影响，研究人员采用FLAC3D软件对左右地铁隧道线路逐级开挖进行模拟。
然后比较了既有和非既有人行地下通道对地下沉降的影响，分析了人行地下通道的变形和应力分布。
计算和监测结果表明，人行天桥的存在造成了比较明显的“屏障”效应，使得竖向位移随深度的增加而变化。
隧道开挖主要造成人行地下通道倾斜、扶梯通道底板变形、扶梯通道与人行通道交界处变形差，隧道的存在对人行天桥的应力变化影响不大。
但是，为了防止应力集中，在施工过程中需要重点监测应力较大的地方，如人行地下通道与扶梯通道的右侧接口、扶梯通道的右侧出口等。
地铁隧道施工
在地质构造复杂的城市地下空间建设地铁隧道，不可避免地会对隧道周边既有结构产生不利影响。地质条件也是需要考虑的问题，如地下水、软土层、裂缝等。
如何提前预知问题并采取有效措施减少这些影响，成为了隧道开挖工程需要解决的关键因素。
1969年代，根据大量实测数据提出了地表流失的概念，得出隧道在不排水条件下开挖形成的地下沉降体积等于地表流失的体积。
此后，许多学者对隧道开挖影响竖向位移的问题，进行了研究地层和相邻结构。几种方法用于预测地表运动，例如经验方程，解析解，数值模拟和模型测试方法。
研究人员采用三维软件FLAC3D，对近距离盾构掘进对沪宁城际地铁一号线常州站人行通道的影响进行了数值分析，现场监测数据证明了模拟的正确性。
项目概况
由于已建成的隧道与常州站人行地下通道距离较近，双线隧道开挖不可避免地会扰动隧道周围土体，对站台人行地下通道产生不利影响。
为了预测这种影响，对本项目进行了数值模拟分析，隧道通道断面水平面如图1所示。
图1 隧道平面图（M为现场监测点）
数值模拟方案
1、计算模型
FLAC3D软件可以更好地模拟地质材料在达到强度极限，或屈服极限时发生破坏或塑性流动的力学特性，特别适用于渐进破坏的分析和大变形的模拟。
为此，此次研究采用有限差分数值程序的FLAC3D软件，对常州地铁1号线盾构施工过程进行模拟。
计算模型包括所有土层、地铁隧道段、人行地下通道和自动扶梯通道。地基土、地铁隧道、人行地下通道、自动扶梯通道均按实体单元进行模拟。
摩尔—库仑塑性模型用于土体的应力-应变计算，弹性模型用于人行地下通道、自动扶梯通道和地铁隧道衬砌的计算。
计算模型被网格化为 191238 个元素和 201770 个节点，如图2所示。
考虑到扶梯通道和地铁隧道是本项目的重点研究对象，这些区域的单元网格较为密集，足以模拟隧道受力。
图 2 数值模拟模型
2、材料参数
根据现场调查，得到岩土层物理力学参数和扶梯通道、地铁隧道参数，如下表所示。
图3显示了所有土壤的粒径级配累积曲线，结果表明，所有土壤都得到了很好的分级。
图 3 土壤的粒度级配
计算工况
因此，需要首先模拟人行地下通道和自动扶梯通道的施工过程，然后计算隧道开挖前的初始地应力场。
地面损失定义为施工期间开挖的土壤体积，与工程完成后隧道围合的实际体积之间的差值，一般用地损率表示。
盾构掘进对地层的扰动用综合地层损失来描述，接地损耗的计算如图4所示。
图 4 地损计算示意图
参考已有研究成果，采用0.5%的地面流失率作为正常施工时隧道直线的取值。
首先模拟开挖区土体的开挖，然后按比例降低开挖区土体的初始模量并进行回填，计算隧道变形。
当隧道计算变形面积约为隧道初始面积的99.5%时，地表损失计算完成。
现场监测结果
为了获得隧道开挖过程中人行地下通道的稳定性状况，对地下和人行地下通道的位移进行了监测。
位移监测点如图1所示，M1、M4、M9点放在地下；M2、M3、M7、M8点设在自动扶梯隧道；M5 和 M6 点设在行人地下通道，而监测点固定测试技术如下图5所示。
图 5 现场监测情况
左线完成后，地下最大沉降值为10.0 mm，自动扶梯隧道和行人隧道的最大竖向位移值分别为7.6 mm和5.4 mm。
双线完成后，地下最大沉降值为12.0 mm，自动扶梯隧道和人行天桥的最大竖向位移值分别为7.9 mm和6.0 mm。
数值结果的验证
通过数值模拟与现场监测结果的对比，验证了数值模拟的准确性。
选取两条隧道竣工时监测点的位移作为比较标准，实测位移值和模拟位移值列于下表。
在此基础上，数值结果与现场监测结果的误差如图7、图8所示。
由于数值模型和监测仪器精度的原因，模拟结果与现场监测实测位移存在3.0-15.1%的偏差。
然而，数值方法可以准确地捕捉人行地下通道的变形特征。因此，数值结果可用于分析人行地下通道的变形机制。
图 7 现场监测与数值结果的比较
隧道开挖对地层影响分析
隧道开挖对周围地层的扰动，会影响邻近建筑物和隧道的结构变形。
同时，相邻建筑物的存在也会影响地层扰动的趋势和程度。
然后在既有行人地下通道和未开行人行地下通道的情况下，分析隧道开挖对地层的影响。
图8
选取5个特定深度的地层竖向位移曲线，反映隧道开挖对地层的影响，如图9和图10所示，坐标横轴表示所选点距两条隧道中轴线的距离，纵轴表示点的竖向位移值。
从图 9可以看出，在地层内不存在人行地下通道的情况下，当隧道左线完工时，不同深度的地层沉降基本一致，沉降曲线为“单峰” ”。峰点位于左线隧道的中轴线上，距离隧道越近，峰点越大。
图9 左侧隧道完工后的竖向位移分布
当地层中存在人行天桥时，地层沉降变化明显，表现为：
不同深度的地层沉降是不同的，人行天桥上层竖向位移曲线不再是标准的单峰线，其峰值出现在左侧隧道中轴线右侧。
不同深度的垂向位移曲线峰值和垂向位移波谷宽度发生变化，通过比较两种不同工况下不同地层沉降曲线的峰值数据发现，人行天桥上层竖向位移峰值增大。
图10 左右隧道完工后竖向位移分布
从上图10可以看出，在不存在人行地下通道的情况下，随着两线隧道的开挖，地层沉降值逐渐增大，沉降槽宽度也随之增大。
地层沉降曲线由“单峰”逐渐向“双峰”发展，离隧道越近，“双峰”趋势越明显，峰值点分别位于左右隧道的中轴线上。
当地层存在出口人行天桥时，除左侧隧道竣工时地层沉降外，地层沉降曲线的“双峰”峰点呈现左小右大的特点。左侧隧道上层聚落与右侧隧道不一致，如下图 11。
图11 存在人行天桥时竖向位移等值线
上述地层竖向位移的变化与人行天桥的形状和位置有关。左侧隧道开挖过程中土体应力释放，隧道周围土体向隧道方向挤压，越靠近隧道这种程度越明显。
因此，右下方“U”形刚体沉降值略大，而左端沉降值较小，造成人行天桥上层倾斜度较小。
随着右侧隧道的开挖，隧道周围地层受到的影响更大，导致U型刚体倾角增大，左右地层不均匀沉降增大，从而造成左右隧道上部土体不均匀沉降。
人行地下通道变形分析
选取人行天桥中轴位置横截面表示隧道建成后，人行天桥的变形情况如图12所示。
左侧隧道建成后，人行天桥右侧靠近隧道的沉降变形大于远离隧道的左侧。差值为3.68mm。隧道上侧水平变形大于下侧水平变形，导致人行天桥向右下方倾斜。
主要原因是隧道开挖引起的应力释放。人行天桥向下倾斜0.307% 0向右倾斜0.295% 0. 右隧道建成后，人行天桥的沉降量和水平变形量增加。
图 12 隧道完工后行人地下通道的变形
据计算，人行天桥向下倾斜0.298% ，向右倾斜0.345% 。
与左隧道完工后的倾角值相比，下倾角减小了0.023，向右倾角增加了0.169。
这证明右隧道开挖增加了人行天桥向右倾角，具有对向下倾斜的影响较小。
结论：
我们采用FLAC3D程序，模拟了常州地铁1号线盾构隧道穿越沪宁城际铁路人行地下通道的工程。
计算结果经现场监测验证，分析了隧道开挖对地下人行通道不同地层变形和应力的影响，得到以下结论：
（1）人行天桥的存在具有大跨度、大刚度的特点，导致竖向位移不均匀。它被称为“屏障”效应。地下最大垂直位移值为12.0 mm，位于M9点。
（2）人行地下通道的应力因隧道开挖而略有变化。受力较大的点集中在人行地下通道与扶梯通道的右侧交界处和扶梯通道的右侧出口处。
参考文献：
2.F. Xiong、Q. Jiang、Z. Ye 和 X. Zhang著，《通过粗糙壁岩石裂缝的非线性流动行为：接触面积的影响》卷102，第 179-195 页，2018 年10月。
3.Z. Qin、H. Fu 和 X. Chen著，《水侵-失水循环引起的花岗岩细观破坏机制研究》卷78，第 428 页，2019 年。
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