地铁南京站下穿南京铁路站场施工过程的三维数值模拟及工程应用

摘　要:受南京火车站铁路站场制约,南京地铁一号线南京站分为南北两个明挖区和铁路站场下方过站区.过站区为双线隧道,隧道跨度大、埋深浅、线间距小,采用矿山法施工难度和风险极大.为配合施工,采用FLAC三维数值分析软件,按实际的开挖顺序和施工工艺,对过站区开挖过程进行了模拟.得出过站区隧道施工引起的地层沉降和塑性区分布,数值计算结果表明过站区施工方案是合理可行的,计算结论为地层加固范围提供了依据,对过站区隧道施工有指导作用.施工实践也证明了依据数值计算结果所采取的施工辅助措施对确保地表线路安全和隧道施工安全效果明显.

关键词:大断面隧道;下穿铁路站场;矿山法;三维数值模拟

1 工程概况

南京地铁一号线南京站以80°角下穿南京火车站铁路站场,是国内第一个采用矿山法在既有铁路站场下施工的地铁车站,受铁路站场制约,地铁南京站划分为南区、北区和过站区3个部分(图1).南区、北区为双层明挖箱型框架结构,车站中部为暗挖分离双洞隧道,称之为过站区.暗挖隧道埋深6。69~8.06m,单洞长度均为66.56m.隧道开挖高度9.546m,跨度11m,两条隧道中心线间距15.46m,中间设有两条横通道相连.

隧道围岩为Ⅴ级,采用复合式衬砌结构,初期支护为钢筋网、喷射砼和格栅钢架,厚度350mm;二次衬砌为模筑钢筋砼,厚度500mm.过站区隧道断面形式见图2.

为有效控制地表既有站场的沉降,保证南京火车站行车安全和隧道施工安全,在过站区隧道施工前,对站场内隧道穿越的所有线路均采用架设D24型便梁进行加固,两隧道之间的便梁支墩采用箱涵,并在箱涵内设置静压钢筋砼方桩,隧道外侧的便梁支墩采用钢筋混凝土扩大基础.有关隧道施工及线路加固的详细方案见文献1.

2 过站区施工过程的三维数值模拟

2．1 计算条件的适度简化

由于在隧道开挖前,对线路采用了便梁加固,隧道施工期间中,列车运行的动荷载通过便梁传递到两侧便梁支墩上,因此,计算中不考虑列车荷载的影响.监测结果也表明了列车动荷载对隧道结构影响很小.

2．2 数值计算目的

按实际的开挖顺序和施工工艺,对过站区开挖过程进行模拟,从施工力学机理分析的角度探讨隧道开挖引起的地表线路沉降和地层中塑性区的分布,验证施工方案的可行性,并为地层加固部位及辅助施工措施的选择提供依据.

2．3 模拟的施工步骤

过站隧道采用CRD(Crossdiaphragm)工法施工1_2,隧道开挖前超前施作直径为159mm的大管棚和小导管预支护.在大管棚超前预注浆加固地层完成后,由北向南单向推进,先左线后右线,左线超前右线一个施工分段(约15~20m),地表铁路轨道加固与隧道开挖协调施工,先加固后开挖,见图3.

模拟的施工步骤为:

第一步:Ⅷ道和7道在便梁防护下,左线开始掘进至3#站台中心线;

第二步:拆除左线便梁,移至右线Ⅷ道和7道架设,右线开始掘进至3#站台中心线;

第三步:拆除右线便梁,移至左线6道、5道和4道架设便梁,并掘进至2#站台中心线;

第四步:拆除左线便梁,移至右线6道、5道和4道架设便梁,并掘进至2#站台中心线;[page]

第五步:拆除右线便梁,移至左线3道、2道和1道架设便梁,左线掘进至过站区终点;

第六步:拆除左线便梁,移至右线3道、2道和1道架设便梁,右线掘进至过站区终点.

2．4 计算模型的建立

采用三维数值软件FLAC3D2.1.

根据南京站过站隧道的设计条件,确定计算范围:上至地面,下至隧道底部以下30m处,横向取隧道中线两侧各60m,沿隧道轴线方向取66m.

模拟过程中主要考虑永久荷载,包括结构自重,地层压力、水压.地层的初始应力场由自重产生,对水压力的考虑是采用水土合算的原则.

计算模型的边界条件:取地面为自由面,侧面和底面为位移边界,前后左右4个侧面限制水平位移,底部限制垂直移动.

计算力学模型选用Mohr_Coulomb弹塑性模型.

2.5 隧道超前支护、初期支护和二衬的模拟

(1)格栅拱架加挂网喷射混凝土的模拟

按抗弯刚度等效的原则,将初期支护的网喷混凝土和格栅拱架作为一个等效体,并采用弹性三维壳单元进行模拟.计算中,每一计算步开挖后及时施加模拟格栅拱架加网喷混凝土的壳单元,但刚度降一个数量级来模拟施工过程中强度发展的时间效应.在下一计算步中,初支刚度发展到100%.初支弹性模量取1.75×104MPa,泊松比取0.2,重度为23kN/m3.

(2)管棚加固的力学效果模拟

将管棚加固区等效成厚200mm的连续空间薄层预支护结构,采用壳单元来模拟.假定开挖之前管棚已经施工完毕,即开挖之前在管棚位置都预加壳单元.根据类似工程的施工经验,加固层弹性模量取1.5×103MPa,泊松比取0.2,重度为23kN/m3.

(3)把注浆小导管当成安全储备,不进行模拟.

(4)模筑二衬根据实际厚度和实际弹性模量采用三维实体单元来模拟.二衬弹性模量取3×104MPa,泊松比取0.2,重度为25kN/m3. (5)隧道洞身穿越地层主要为强风化闪长岩,拱顶土层主要为粉质黏土,地层物理力学参数见表1.

根据以上情况建立计算模型,共划分单元50556个,节点总数54162个,开挖前后三维计算模型的网格剖分如图4、图5所示.

3 计算结果及对工程施工的指导意义

(1)过站隧道施工引起的地表沉降预测几个典型施工阶段的隧道地表最大沉降和隧道左线施工完毕后的地表沉降云图和模拟地层的竖向位移云图见封三图6.

右线施工完毕后的地表沉降云图和整个模拟地层的竖向位移云图见封三图7.

数值计算结果表明:地表最大沉降在允许值的40mm范围内,应该说过站区暗挖隧道所采取的施工方案能够将地表沉降控制在允许值范围内.

过站区施工期间,在线路股道中间和便梁支墩上均布置了沉降测点.随隧道开挖进程对地表线路沉降和便梁两侧的支墩沉降进行跟踪监测3.

在施工过程中,对过站区地表沉降的实际监测结果3略小于计算值.因为实际监测值是工程辅助措施应用后的效果体现,这也从一个侧面证明了根据计算的塑性区分布和应力状态确定的辅助施工措施的有效性.[page]

(2)塑性区分布

施工完毕时的隧道周边塑性分布情况见图8所示.由图8可知,左右线全部施工完后,隧道周边的塑性区范围主要集中在隧道上半部和隧道之间部分土体,这部分土体为粉质黏土,施工中要注意采取预加固措施.

根据塑性区分布的计算结果,在隧道开挖前对中间箱涵两侧及底部地层进行了注浆加固1,加固目的是为了提高桩与土体之间的摩擦力,保证中间箱涵支墩的稳定.

(3)应力状态分析

施工完成,隧道周围模拟地层的最大主应力云图和最小主应力云图如封三图9所示.最大主拉应力分布在拱顶和拱底位置,在靠左(右)线的侧墙位置有较大的主压应力.

根据应力状态的计算结果,隧道拱顶和隧道两侧应力较大,是施工中需要关注的重点部位,隧道施工中,强调及时施作中隔壁,并设置锁脚锚杆,两隧道之间设置对拉锚杆1.

4 结论

(1)在施工方案实施前,应对施工的环境影响特别是地表沉降进行预测,确定施工方案能否将地表沉降大致控制在允许值范围内.

(2)数值计算得出的隧道周围地层塑性区分布和应力状态,能够为地层加固措施及辅助施工方案的选择提供理论依据.

(3)地铁南京站过站区的施工实践也证明了依据数值计算结果所采取的施工辅助措施对确保地表线路安全和隧道施工安全效果明显.

参考文献:

1李兆平,李铭凯,黄庆华.南京地铁车站下穿既有铁路站场施工技术研究J.岩石力学与工程学报,2005,24(6):1061-1066.

LiZhao_ping,LiMing_kai,HuangQing_hua.AStudyfortheConstructionTechnologyoftheNanjingSubwaySta-tionUndertheNanjingRailwayStationJ.ChineseJour-nalofRockMechanicsandEngineering,2005,24(6):

1061-1066.(inChinese)

2施仲衡.地下铁道设计与施工M.西安:陕西科学技术出版社,2002.

ShiZhong_heng.TheDesignandConstructionforMetroM.Xi‘an:ShanxiScienceandTechnologyPress,2002.(inchinese)

3李兆平,黄庆华,马天文.下穿大型铁路站场的地铁车站施工对线路变形的影响监测及分析J.岩石力学与工程学报,2005,24(增2):5569-5575.

LiZhao_ping,HuangQing_hua,MaTian_wen.MonitorandAnalysisonRailwayLineSettlementDuetoConstruc-tionofSubwayTunnelsJustBeneathaClusterofExistingRailwayLinesintheNanjingRailwayStationJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,24(Supp.2):5569-5575.(inChinese)