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地鐵南京站下穿南京鐵路站場施工過程的三維數值模擬及工程應用

0186建筑材料2021-07-18 12:03:55

摘　要:受南京火車站鐵路站場制約,南京地鐵一號線南京站分為南北兩個明挖區和鐵路站場下方過站區.過站區為雙線隧道,隧道跨度大、埋深淺、線間距小,采用礦山法施工難度和風險極大.為配合施工,采用FLAC三維數值分析軟件,按實際的開挖順序和施工工藝,對過站區開挖過程進行了模擬.得出過站區隧道施工引起的地層沉降和塑性區分布,數值計算結果表明過站區施工方案是合理可行的,計算結論為地層加固范圍提供了依據,對過站區隧道施工有指導作用.施工實踐也證明了依據數值計算結果所采取的施工輔助措施對確保地表線路安全和隧道施工安全效果明顯.

關鍵詞:大斷面隧道;下穿鐵路站場;礦山法;三維數值模擬

1 工程概況

南京地鐵一號線南京站以80°角下穿南京火車站鐵路站場,是國內第一個采用礦山法在既有鐵路站場下施工的地鐵車站,受鐵路站場制約,地鐵南京站劃分為南區、北區和過站區3個部分(圖1).南區、北區為雙層明挖箱型框架結構,車站中部為暗挖分離雙洞隧道,稱之為過站區.暗挖隧道埋深6。69~8.06m,單洞長度均為66.56m.隧道開挖高度9.546m,跨度11m,兩條隧道中心線間距15.46m,中間設有兩條橫通道相連.

隧道圍巖為Ⅴ級,采用復合式襯砌結構,初期支護為鋼筋網、噴射砼和格柵鋼架,厚度350mm;二次襯砌為模筑鋼筋砼,厚度500mm.過站區隧道斷面形式見圖2.

為有效控制地表既有站場的沉降,保證南京火車站行車安全和隧道施工安全,在過站區隧道施工前,對站場內隧道穿越的所有線路均采用架設D24型便梁進行加固,兩隧道之間的便梁支墩采用箱涵,并在箱涵內設置靜壓鋼筋砼方樁,隧道外側的便梁支墩采用鋼筋混凝土擴大基礎.有關隧道施工及線路加固的詳細方案見文獻1.

2 過站區施工過程的三維數值模擬

2 . 1 計算條件的適度簡化

由于在隧道開挖前,對線路采用了便梁加固,隧道施工期間中,列車運行的動荷載通過便梁傳遞到兩側便梁支墩上,因此,計算中不考慮列車荷載的影響.監測結果也表明了列車動荷載對隧道結構影響很小.

2．2 數值計算目的

按實際的開挖順序和施工工藝,對過站區開挖過程進行模擬,從施工力學機理分析的角度探討隧道開挖引起的地表線路沉降和地層中塑性區的分布,驗證施工方案的可行性,并為地層加固部位及輔助施工措施的選擇提供依據.

2．3 模擬的施工步驟

過站隧道采用CRD(Crossdiaphragm)工法施工1_2,隧道開挖前超前施作直徑為159mm的大管棚和小導管預支護.在大管棚超前預注漿加固地層完成后,由北向南單向推進,先左線后右線,左線超前右線一個施工分段(約15~20m),地表鐵路軌道加固與隧道開挖協調施工,先加固后開挖,見圖3.

模擬的施工步驟為:

第一步:Ⅷ道和7道在便梁防護下,左線開始掘進至3#站臺中心線;

第二步:拆除左線便梁,移至右線Ⅷ道和7道架設,右線開始掘進至3#站臺中心線;

第三步:拆除右線便梁,移至左線6道、5道和4道架設便梁,并掘進至2#站臺中心線;

第四步:拆除左線便梁,移至右線6道、5道和4道架設便梁,并掘進至2#站臺中心線;第五步:拆除右線便梁,移至左線3道、2道和1道架設便梁,左線掘進至過站區終點;

第六步:拆除左線便梁,移至右線3道、2道和1道架設便梁,右線掘進至過站區終點.

2．4 計算模型的建立

采用三維數值軟件FLAC3D2.1.

根據南京站過站隧道的設計條件,確定計算范圍:上至地面,下至隧道底部以下30m處,橫向取隧道中線兩側各60m,沿隧道軸線方向取66m.

模擬過程中主要考慮永久荷載,包括結構自重,地層壓力、水壓.地層的初始應力場由自重產生,對水壓力的考慮是采用水土合算的原則.

計算模型的邊界條件:取地面為自由面,側面和底面為位移邊界,前后左右4個側面限制水平位移,底部限制垂直移動.

計算力學模型選用Mohr_Coulomb彈塑性模型.

2.5 隧道超前支護、初期支護和二襯的模擬

(1)格柵拱架加掛網噴射混凝土的模擬

按抗彎剛度等效的原則,將初期支護的網噴混凝土和格柵拱架作為一個等效體,并采用彈性三維殼單元進行模擬.計算中,每一計算步開挖后及時施加模擬格柵拱架加網噴混凝土的殼單元,但剛度降一個數量級來模擬施工過程中強度發展的時間效應.在下一計算步中,初支剛度發展到100%.初支彈性模量取1.75×104MPa,泊松比取0.2,重度為23kN/m3.

(2)管棚加固的力學效果模擬

將管棚加固區等效成厚200mm的連續空間薄層預支護結構,采用殼單元來模擬.假定開挖之前管棚已經施工完畢,即開挖之前在管棚位置都預加殼單元.根據類似工程的施工經驗,加固層彈性模量取1.5×103MPa,泊松比取0.2,重度為23kN/m3.

(3)把注漿小導管當成安全儲備,不進行模擬.

(4)模筑二襯根據實際厚度和實際彈性模量采用三維實體單元來模擬.二襯彈性模量取3×104MPa,泊松比取0.2,重度為25kN/m3. (5)隧道洞身穿越地層主要為強風化閃長巖,拱頂土層主要為粉質黏土,地層物理力學參數見表1.

根據以上情況建立計算模型,共劃分單元50556個,節點總數54162個,開挖前后三維計算模型的網格剖分如圖4、圖5所示.

3 計算結果及對工程施工的指導意義

(1)過站隧道施工引起的地表沉降預測幾個典型施工階段的隧道地表最大沉降和隧道左線施工完畢后的地表沉降云圖和模擬地層的豎向位移云圖見封三圖6.

右線施工完畢后的地表沉降云圖和整個模擬地層的豎向位移云圖見封三圖7.

數值計算結果表明:地表最大沉降在允許值的40mm范圍內,應該說過站區暗挖隧道所采取的施工方案能夠將地表沉降控制在允許值范圍內.

過站區施工期間,在線路股道中間和便梁支墩上均布置了沉降測點.隨隧道開挖進程對地表線路沉降和便梁兩側的支墩沉降進行跟蹤監測3.

在施工過程中,對過站區地表沉降的實際監測結果3略小于計算值.因為實際監測值是工程輔助措施應用后的效果體現,這也從一個側面證明了根據計算的塑性區分布和應力狀態確定的輔助施工措施的有效性.(2)塑性區分布

施工完畢時的隧道周邊塑性分布情況見圖8所示.由圖8可知,左右線全部施工完后,隧道周邊的塑性區范圍主要集中在隧道上半部和隧道之間部分土體,這部分土體為粉質黏土,施工中要注意采取預加固措施.