大跨度三联拱隧道下穿建筑物施工方案的研究摘要:研究目的:南京市轨道交通1号线南延安德门—宁丹路区间,在左、右行车线两侧引出车辆段出入段线形成了三联拱大跨度隧道,且线路下穿5层楼房,该段结构设计复杂,施工分步多、工序转换多,施工开挖安全与其地面上方的五层楼房使用安全问题十分突出。三联拱隧道多采用分部开挖施工,然而采用不同的开挖和衬砌步序,对地层和上部建筑物的影响不同,因此,分析研究既保证施工安全又对楼房影响最小的施工先后步序是该段的关键技术。研究结论:通过对三联拱地段下穿5层楼房段的5种不同施工工序方案进行模拟分析,比较各方案引起的地层沉降和结构内力,得出中导洞法开挖,侧洞衬砌先行,再施做中间隧道的方案相比侧洞开挖、中导洞开挖、侧洞衬砌、最后施做主洞等其他几种方案,其对地层和楼房桩基底沉降最小,支护结构内力也最小,是5种方案中最优方案。关键词:三联拱;下穿建筑物;控制沉降;支护内力;施工方案 随着城市地下铁道建设的蓬勃发展,地铁线路不可避免地下穿建筑群的情况越来越多,因此选择对既有建筑的影响小的地铁施工方案对地铁建设起着重要作用。特别是三联拱隧道本身结构跨度大,施工分步多,受力复杂,再加上下穿5层楼房。因此,在多种工序可能的情况下,选择一种对建筑物影响最小的施工方案是非常必要的。本文将对此从数值分析角度进行研究。1 工程概况1. 1 工程线路结构概况 南京市轨道交通1号线南延安德门—宁丹路区间,在左、右行车线两侧引出车辆段出入端线形成了双线、双联拱、三联拱大跨度不等跨联拱隧道。隧道主要穿越泥质粉砂岩,岩土软弱、岩体的自稳能力差,易产生不均匀变形。其中三联拱区段上方有5层的人造花总厂办公楼,楼房桩基长度10~12 m,隧道拱顶距桩底垂直距离为1. 6 m。如图1、图2所示。
该段结构设计复杂,施工分步多、工序转换多,施工开挖安全与其地面上方的五层楼房使用安全问题十分突出。因此通过模拟分析选择合理的开挖分步,以达到结构施工安全和上部建筑物的安全就显得尤为重要。1. 2 工程地质概况 根据隧道临近地质勘探XR15钻孔地质分层、各层地层勘探统计物性指标,计算所采用的地层和结构物理力学参数具体如表1所示。楼房附加荷载根据最不利情况,框架结构的办公楼按每层16 kPa考虑,均布于楼房基础上方。
2 施工方案比选2. 1 方案设计思路 三联拱结构施工按其开挖顺序和支护先后的不同可以有多种不同的组合方案,分析每种方案的支护内力和引起的沉降大小,寻找出最佳施工方案。2. 2 方案组合 按以上设计思路共有5种方案组合:方案一:施工顺序为侧洞开挖→中导洞开挖→中墙施作→侧洞衬砌→主洞开挖→主洞衬砌。 方案二:施工顺序为侧洞开挖→中导洞开挖→中墙施作→主洞开挖→侧洞衬砌→主洞衬砌。 方案三:中导洞开挖→中墙施作→主洞左侧开挖→主洞右侧开挖→主洞衬砌→侧洞开挖→侧洞衬砌。施工步序如图3所示。
方案四:中导洞开挖→中墙施作→主洞左侧开挖→主洞右侧开挖→侧洞开挖→主洞衬砌→侧洞衬砌。 方案五:中导洞开挖→中墙施作→侧洞开挖→侧洞衬砌→主洞左侧开挖→主洞右侧开挖→主洞衬砌。2. 3 方案计算分析2.3.1 计算模型 模型采用ANSYS二维模型,两侧边界至隧道中心线距离为65 m,底部边界至隧道距离为35 m,隧道埋深16. 62 m。侧面边界为水平约束,底面边界为竖向约束。模型上部边界为自由边界。初期支护和临时支护采用BEAM3单元,二次衬砌以及围岩采用PLANE42实体单元。整个计算模型共有7 759个单元。应力释放40?时施作上部支护,应力释放70%时施作仰拱支护,各洞室应力释放100%后拆撑、二次衬砌(承受相邻洞室后续施工附加荷载)。模型网格具体如图4所示。
2.3.2 计算结果及分析 逐一对以上5个方案进行分析计算,限于篇幅下面以方案一为例给出计算结果。2. 3. 2. 1 地表沉降和地层竖向位移 地层竖向位移分布情况如图5所示,不同施工步地表沉降曲线如图6所示。
2. 3. 2. 2 支护结构内力 计算结果显示,初支在施工结束时内力分布最不利,最大弯矩为210. 1 kN·m,发生在主洞拱顶(见图7)。最大轴力为1 550 kN,发生位置为主洞与侧洞的交接处(见图8)。
二衬受力较小,中墙受力较大,在中墙与侧洞、中墙与主洞交接处产生了较大的应力集中,最大压应力达到了10. 8MPa,最大拉应力为1. 16MPa。2. 4 五种方案计算结果对比2.4.1 支护变形及地基沉降量对比 施工结束后拱顶下沉及水平位移值如表2所示。
从计算结果可以看出,隧道在开挖过程中,地层和结构变形均较小。侧洞法:主洞拱顶下沉值为7 mm左右,两侧洞边墙的拱顶下沉在4. 5 mm左右。方案一支护变形较方案二略小。两方案中地表沉降与隧道上方桩底竖向位移基本一致,方案一最大地表沉降为5. 79 mm,方案二最大地表沉降为5. 95 mm。说明在施工过程中,侧洞提前衬砌对抑制地表变形及既有地基的不均匀沉降起到了一定的作用。中导洞法:主洞拱顶下沉值为6.5 mm左右,两侧洞拱顶下沉在4.3 mm左右。方案五支护变形较其它方案略小,方案三最大地表沉降为5.05mm,方案四最大地表沉降为5.07mm,方案五最大地表沉降为4. 94 mm,同样中导洞法的三个方案中地表沉降与隧道上方桩底竖向位移基本一致。 由中导洞法和侧洞法对比可以看出,中导洞法开挖引起的地表变形及桩底沉降值较小。2.4.2 隧道结构受力状态对比 根据计算结果,从支护结构受力角度出发,总体上中洞法优于侧洞法,其中,中洞法各种方案结构内力相差不多。3 结论 (1)在上述5种方案施工过程中,地层均未出现较大的塑性区,说明在计算条件下,上述5种施工步序均能保证施工过程中洞室的整体稳定。 (2)根据计算结果,上述5种施工方案,地表变位均满足施工沉降控制标准。 (3)从控制地表沉降、支护内力以及结构应力角度出发,在上述5种施工方案中,以中导洞法开挖、侧洞先行方案为最优。参考文献:[1]GB 50157—2003,地铁设计规范[S].[2]南京地铁1号线南延安德门~宁丹路区间施工图[Z].兰州:中铁第一勘测设计院, 2007.[3]复杂工程环境下隧道施工洞室稳定及结构检算报告[R].石家庄:石家庄铁道学院, 2007.
