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(hào)線(xiàn)南延安德門(mén)—寧丹路區(qū)間,在左、右行車(chē)線(xiàn)兩側(cè)引出車(chē)輛段出入段線(xiàn)形成了三聯(lián)拱大跨度隧道,且線(xiàn)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(kāi)挖安全與其地面上方的五層樓房使用安全問(wèn)題十分突出。三聯(lián)拱隧道多采用分部開(kāi)挖施工,然而采用不同的開(kāi)挖和襯砌步序,對(duì)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(duì)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(guò)對(duì)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(kāi)挖,側(cè)洞襯砌先行,再施做中間隧道的方案相比側(cè)洞開(kāi)挖、中導(dǎo)洞開(kāi)挖、側(cè)洞襯砌、最后施做主洞等其他幾種方案,其對(duì)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(xiàn)路不可避免地下穿建筑群的情況越來(lái)越多,因此選擇對(duì)既有建筑的影響小的地鐵施工方案對(duì)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(duì)建筑物影響最小的施工方案是非常必要的。本文將對(duì)此從數(shù)值分析角度進(jìn)行研究。1 工程概況1. 1 工程線(xiàn)路結(jié)構(gòu)概況 南京市軌道交通1號(hào)線(xiàn)南延安德門(mén)—寧丹路區(qū)間,在左、右行車(chē)線(xiàn)兩側(cè)引出車(chē)輛段出入端線(xiàn)形成了雙線(xiàn)、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(chǎng)辦公樓,樓房樁基長(zhǎng)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(kāi)挖安全與其地面上方的五層樓房使用安全問(wèn)題十分突出。因此通過(guò)模擬分析選擇合理的開(kāi)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(kāi)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(kāi)挖→中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→側(cè)洞襯砌→主洞開(kāi)挖→主洞襯砌。 方案二:施工順序?yàn)閭?cè)洞開(kāi)挖→中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→主洞開(kāi)挖→側(cè)洞襯砌→主洞襯砌。 方案三:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→主洞左側(cè)開(kāi)挖→主洞右側(cè)開(kāi)挖→主洞襯砌→側(cè)洞開(kāi)挖→側(cè)洞襯砌。施工步序如圖3所示。 方案四:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→主洞左側(cè)開(kāi)挖→主洞右側(cè)開(kāi)挖→側(cè)洞開(kāi)挖→主洞襯砌→側(cè)洞襯砌。 方案五:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→側(cè)洞開(kāi)挖→側(cè)洞襯砌→主洞左側(cè)開(kāi)挖→主洞右側(cè)開(kāi)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(xiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)比2.4.1 支護(hù)變形及地基沉降量對(duì)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(kāi)挖過(guò)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(shuō)明在施工過(guò)程中,側(cè)洞提前襯砌對(duì)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(duì)比可以看出,中導(dǎo)洞法開(kāi)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(duì)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(guò)程中,地層均未出現(xiàn)較大的塑性區(qū),說(shuō)明在計(jì)算條件下,上述5種施工步序均能保證施工過(guò)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(mǎn)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(kāi)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(hào)線(xiàn)南延安德門(mén)~寧丹路區(qū)間施工圖[Z].蘭州:中鐵第一勘測(cè)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(kāi)挖安全與其地面上方的五層樓房使用安全問(wèn)題十分突出。因此通過(guò)模擬分析選擇合理的開(kāi)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(kāi)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(kāi)挖→中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→側(cè)洞襯砌→主洞開(kāi)挖→主洞襯砌。 方案二:施工順序?yàn)閭?cè)洞開(kāi)挖→中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→主洞開(kāi)挖→側(cè)洞襯砌→主洞襯砌。 方案三:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→主洞左側(cè)開(kāi)挖→主洞右側(cè)開(kāi)挖→主洞襯砌→側(cè)洞開(kāi)挖→側(cè)洞襯砌。施工步序如圖3所示。 方案四:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→主洞左側(cè)開(kāi)挖→主洞右側(cè)開(kāi)挖→側(cè)洞開(kāi)挖→主洞襯砌→側(cè)洞襯砌。 方案五:中導(dǎo)洞開(kāi)挖→中墻施作→側(cè)洞開(kāi)挖→側(cè)洞襯砌→主洞左側(cè)開(kāi)挖→主洞右側(cè)開(kāi)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(xiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)比2.4.1 支護(hù)變形及地基沉降量對(duì)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(kāi)挖過(guò)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(shuō)明在施工過(guò)程中,側(cè)洞提前襯砌對(duì)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(duì)比可以看出,中導(dǎo)洞法開(kāi)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(duì)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(guò)程中,地層均未出現(xiàn)較大的塑性區(qū),說(shuō)明在計(jì)算條件下,上述5種施工步序均能保證施工過(guò)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(mǎn)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(kāi)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(hào)線(xiàn)南延安德門(mén)~寧丹路區(qū)間施工圖[Z].蘭州:中鐵第一勘測(cè)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.
