文章摘要：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......
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;
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.
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