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1、地铁南京站下穿南京铁路站场施工过程的三维数值模拟摘 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
2、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
3、.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
4、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
5、)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
6、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;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
7、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,
8、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3×104M
