大跨度三聯(lián)拱隧道下穿建筑物施工方案的研究摘要:研究目的:南京市軌道交通1號線南延安德門—寧丹路區(qū)間,在左、右行車線兩側(cè)引出車輛段出入段線形成了三聯(lián)拱大跨度隧道,且線路下穿5層樓房,該段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,施工分步多、工序轉(zhuǎn)換多,施工開挖安全與其地面上方的五層樓房使用安全問題十分突出。三聯(lián)拱隧道多采用分部開挖施工,然而采用不同的開挖和襯砌步序,對地層和上部建筑物的影響不同,因此,分析研究既保證施工安全又對樓房影響最小的施工先后步序是該段的關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)論:通過對三聯(lián)拱地段下穿5層樓房段的5種不同施工工序方案進(jìn)行模擬分析,比較各方案引起的地層沉降和結(jié)構(gòu)內(nèi)力,得出中導(dǎo)洞法開挖,側(cè)洞襯砌先行,再施做中間隧道的方案相比側(cè)洞開挖、中導(dǎo)洞開挖、側(cè)洞襯砌、最后施做主洞等其他幾種方案,其對地層和樓房樁基底沉降最小,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力也最小,是5種方案中最優(yōu)方案。關(guān)鍵詞:三聯(lián)拱;下穿建筑物;控制沉降;支護(hù)內(nèi)力;施工方案 隨著城市地下鐵道建設(shè)的蓬勃發(fā)展,地鐵線路不可避免地下穿建筑群的情況越來越多,因此選擇對既有建筑的影響小的地鐵施工方案對地鐵建設(shè)起著重要作用。特別是三聯(lián)拱隧道本身結(jié)構(gòu)跨度大,施工分步多,受力復(fù)雜,再加上下穿5層樓房。因此,在多種工序可能的情況下,選擇一種對建筑物影響最小的施工方案是非常必要的。本文將對此從數(shù)值分析角度進(jìn)行研究。1 工程概況1. 1 工程線路結(jié)構(gòu)概況 南京市軌道交通1號線南延安德門—寧丹路區(qū)間,在左、右行車線兩側(cè)引出車輛段出入端線形成了雙線、雙聯(lián)拱、三聯(lián)拱大跨度不等跨聯(lián)拱隧道。隧道主要穿越泥質(zhì)粉砂巖,巖土軟弱、巖體的自穩(wěn)能力差,易產(chǎn)生不均勻變形。其中三聯(lián)拱區(qū)段上方有5層的人造花總廠辦公樓,樓房樁基長度10~12 m,隧道拱頂距樁底垂直距離為1. 6 m。如圖1、圖2所示。
該段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,施工分步多、工序轉(zhuǎn)換多,施工開挖安全與其地面上方的五層樓房使用安全問題十分突出。因此通過模擬分析選擇合理的開挖分步,以達(dá)到結(jié)構(gòu)施工安全和上部建筑物的安全就顯得尤為重要。1. 2 工程地質(zhì)概況 根據(jù)隧道臨近地質(zhì)勘探XR15鉆孔地質(zhì)分層、各層地層勘探統(tǒng)計(jì)物性指標(biāo),計(jì)算所采用的地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)具體如表1所示。樓房附加荷載根據(jù)最不利情況,框架結(jié)構(gòu)的辦公樓按每層16 kPa考慮,均布于樓房基礎(chǔ)上方。2 施工方案比選2. 1 方案設(shè)計(jì)思路 三聯(lián)拱結(jié)構(gòu)施工按其開挖順序和支護(hù)先后的不同可以有多種不同的組合方案,分析每種方案的支護(hù)內(nèi)力和引起的沉降大小,尋找出最佳施工方案。2. 2 方案組合 按以上設(shè)計(jì)思路共有5種方案組合:方案一:施工順序?yàn)閭?cè)洞開挖→中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→側(cè)洞襯砌→主洞開挖→主洞襯砌。 方案二:施工順序?yàn)閭?cè)洞開挖→中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→主洞開挖→側(cè)洞襯砌→主洞襯砌。 方案三:中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→主洞左側(cè)開挖→主洞右側(cè)開挖→主洞襯砌→側(cè)洞開挖→側(cè)洞襯砌。施工步序如圖3所示。 方案四:中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→主洞左側(cè)開挖→主洞右側(cè)開挖→側(cè)洞開挖→主洞襯砌→側(cè)洞襯砌。 方案五:中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→側(cè)洞開挖→側(cè)洞襯砌→主洞左側(cè)開挖→主洞右側(cè)開挖→主洞襯砌。2. 3 方案計(jì)算分析2.3.1 計(jì)算模型 模型采用ANSYS二維模型,兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為65 m,底部邊界至隧道距離為35 m,隧道埋深16. 62 m。側(cè)面邊界為水平約束,底面邊界為豎向約束。模型上部邊界為自由邊界。初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)采用BEAM3單元,二次襯砌以及圍巖采用PLANE42實(shí)體單元。整個(gè)計(jì)算模型共有7 759個(gè)單元。應(yīng)力釋放40?時(shí)施作上部支護(hù),應(yīng)力釋放70%時(shí)施作仰拱支護(hù),各洞室應(yīng)力釋放100%后拆撐、二次襯砌(承受相鄰洞室后續(xù)施工附加荷載)。模型網(wǎng)格具體如圖4所示。2. 3. 2. 2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力 計(jì)算結(jié)果顯示,初支在施工結(jié)束時(shí)內(nèi)力分布最不利,最大彎矩為210. 1 kN·m,發(fā)生在主洞拱頂(見圖7)。最大軸力為1 550 kN,發(fā)生位置為主洞與側(cè)洞的交接處(見圖8)。 二襯受力較小,中墻受力較大,在中墻與側(cè)洞、中墻與主洞交接處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,最大壓應(yīng)力達(dá)到了10. 8MPa,最大拉應(yīng)力為1. 16MPa。2. 4 五種方案計(jì)算結(jié)果對比2.4.1 支護(hù)變形及地基沉降量對比 施工結(jié)束后拱頂下沉及水平位移值如表2所示。 從計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道在開挖過程中,地層和結(jié)構(gòu)變形均較小。側(cè)洞法:主洞拱頂下沉值為7 mm左右,兩側(cè)洞邊墻的拱頂下沉在4. 5 mm左右。方案一支護(hù)變形較方案二略小。兩方案中地表沉降與隧道上方樁底豎向位移基本一致,方案一最大地表沉降為5. 79 mm,方案二最大地表沉降為5. 95 mm。說明在施工過程中,側(cè)洞提前襯砌對抑制地表變形及既有地基的不均勻沉降起到了一定的作用。中導(dǎo)洞法:主洞拱頂下沉值為6.5 mm左右,兩側(cè)洞拱頂下沉在4.3 mm左右。方案五支護(hù)變形較其它方案略小,方案三最大地表沉降為5.05mm,方案四最大地表沉降為5.07mm,方案五最大地表沉降為4. 94 mm,同樣中導(dǎo)洞法的三個(gè)方案中地表沉降與隧道上方樁底豎向位移基本一致。 由中導(dǎo)洞法和側(cè)洞法對比可以看出,中導(dǎo)洞法開挖引起的地表變形及樁底沉降值較小。2.4.2 隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對比 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā),總體上中洞法優(yōu)于側(cè)洞法,其中,中洞法各種方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力相差不多。3 結(jié)論 (1)在上述5種方案施工過程中,地層均未出現(xiàn)較大的塑性區(qū),說明在計(jì)算條件下,上述5種施工步序均能保證施工過程中洞室的整體穩(wěn)定。 (2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,上述5種施工方案,地表變位均滿足施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。 (3)從控制地表沉降、支護(hù)內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力角度出發(fā),在上述5種施工方案中,以中導(dǎo)洞法開挖、側(cè)洞先行方案為最優(yōu)。參考文獻(xiàn):[1]GB 50157—2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]南京地鐵1號線南延安德門~寧丹路區(qū)間施工圖[Z].蘭州:中鐵第一勘測設(shè)計(jì)院, 2007.[3]復(fù)雜工程環(huán)境下隧道施工洞室穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)檢算報(bào)告[R].石家莊:石家莊鐵道學(xué)院, 2007.
該段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,施工分步多、工序轉(zhuǎn)換多,施工開挖安全與其地面上方的五層樓房使用安全問題十分突出。因此通過模擬分析選擇合理的開挖分步,以達(dá)到結(jié)構(gòu)施工安全和上部建筑物的安全就顯得尤為重要。1. 2 工程地質(zhì)概況 根據(jù)隧道臨近地質(zhì)勘探XR15鉆孔地質(zhì)分層、各層地層勘探統(tǒng)計(jì)物性指標(biāo),計(jì)算所采用的地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)具體如表1所示。樓房附加荷載根據(jù)最不利情況,框架結(jié)構(gòu)的辦公樓按每層16 kPa考慮,均布于樓房基礎(chǔ)上方。2 施工方案比選2. 1 方案設(shè)計(jì)思路 三聯(lián)拱結(jié)構(gòu)施工按其開挖順序和支護(hù)先后的不同可以有多種不同的組合方案,分析每種方案的支護(hù)內(nèi)力和引起的沉降大小,尋找出最佳施工方案。2. 2 方案組合 按以上設(shè)計(jì)思路共有5種方案組合:方案一:施工順序?yàn)閭?cè)洞開挖→中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→側(cè)洞襯砌→主洞開挖→主洞襯砌。 方案二:施工順序?yàn)閭?cè)洞開挖→中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→主洞開挖→側(cè)洞襯砌→主洞襯砌。 方案三:中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→主洞左側(cè)開挖→主洞右側(cè)開挖→主洞襯砌→側(cè)洞開挖→側(cè)洞襯砌。施工步序如圖3所示。 方案四:中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→主洞左側(cè)開挖→主洞右側(cè)開挖→側(cè)洞開挖→主洞襯砌→側(cè)洞襯砌。 方案五:中導(dǎo)洞開挖→中墻施作→側(cè)洞開挖→側(cè)洞襯砌→主洞左側(cè)開挖→主洞右側(cè)開挖→主洞襯砌。2. 3 方案計(jì)算分析2.3.1 計(jì)算模型 模型采用ANSYS二維模型,兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為65 m,底部邊界至隧道距離為35 m,隧道埋深16. 62 m。側(cè)面邊界為水平約束,底面邊界為豎向約束。模型上部邊界為自由邊界。初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)采用BEAM3單元,二次襯砌以及圍巖采用PLANE42實(shí)體單元。整個(gè)計(jì)算模型共有7 759個(gè)單元。應(yīng)力釋放40?時(shí)施作上部支護(hù),應(yīng)力釋放70%時(shí)施作仰拱支護(hù),各洞室應(yīng)力釋放100%后拆撐、二次襯砌(承受相鄰洞室后續(xù)施工附加荷載)。模型網(wǎng)格具體如圖4所示。
2. 3. 2. 2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力 計(jì)算結(jié)果顯示,初支在施工結(jié)束時(shí)內(nèi)力分布最不利,最大彎矩為210. 1 kN·m,發(fā)生在主洞拱頂(見圖7)。最大軸力為1 550 kN,發(fā)生位置為主洞與側(cè)洞的交接處(見圖8)。 二襯受力較小,中墻受力較大,在中墻與側(cè)洞、中墻與主洞交接處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,最大壓應(yīng)力達(dá)到了10. 8MPa,最大拉應(yīng)力為1. 16MPa。2. 4 五種方案計(jì)算結(jié)果對比2.4.1 支護(hù)變形及地基沉降量對比 施工結(jié)束后拱頂下沉及水平位移值如表2所示。 從計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道在開挖過程中,地層和結(jié)構(gòu)變形均較小。側(cè)洞法:主洞拱頂下沉值為7 mm左右,兩側(cè)洞邊墻的拱頂下沉在4. 5 mm左右。方案一支護(hù)變形較方案二略小。兩方案中地表沉降與隧道上方樁底豎向位移基本一致,方案一最大地表沉降為5. 79 mm,方案二最大地表沉降為5. 95 mm。說明在施工過程中,側(cè)洞提前襯砌對抑制地表變形及既有地基的不均勻沉降起到了一定的作用。中導(dǎo)洞法:主洞拱頂下沉值為6.5 mm左右,兩側(cè)洞拱頂下沉在4.3 mm左右。方案五支護(hù)變形較其它方案略小,方案三最大地表沉降為5.05mm,方案四最大地表沉降為5.07mm,方案五最大地表沉降為4. 94 mm,同樣中導(dǎo)洞法的三個(gè)方案中地表沉降與隧道上方樁底豎向位移基本一致。 由中導(dǎo)洞法和側(cè)洞法對比可以看出,中導(dǎo)洞法開挖引起的地表變形及樁底沉降值較小。2.4.2 隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對比 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā),總體上中洞法優(yōu)于側(cè)洞法,其中,中洞法各種方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力相差不多。3 結(jié)論 (1)在上述5種方案施工過程中,地層均未出現(xiàn)較大的塑性區(qū),說明在計(jì)算條件下,上述5種施工步序均能保證施工過程中洞室的整體穩(wěn)定。 (2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,上述5種施工方案,地表變位均滿足施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。 (3)從控制地表沉降、支護(hù)內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力角度出發(fā),在上述5種施工方案中,以中導(dǎo)洞法開挖、側(cè)洞先行方案為最優(yōu)。參考文獻(xiàn):[1]GB 50157—2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]南京地鐵1號線南延安德門~寧丹路區(qū)間施工圖[Z].蘭州:中鐵第一勘測設(shè)計(jì)院, 2007.[3]復(fù)雜工程環(huán)境下隧道施工洞室穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)檢算報(bào)告[R].石家莊:石家莊鐵道學(xué)院, 2007.
