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图 1地铁隧道与翠屏山隧道位置关系 (a)全视图(b)侧视图 1项目概况 拟建的南京地铁十四号线规划以南北方向经 过南京江宁区翠屏山处与现有翠屏山隧道错层交 汇。 根据宁地铁函字(2001)30 号文件,新建地铁隧 道拟采用盾构法下穿翠屏山隧道,左右线中心距为 13.5m,相近边线距离为 7.2m。 地铁左线中心线与翠 屏山隧道相交处桩号分别为 K35+365.85 (南侧)、 K35+341.35(北侧),南北侧地铁隧道顶高程分别为 1.65m 和 2.48m, 距离翠屏山隧道底部距离分别为 1.12m 与 2.03m；地铁右线中心线与翠屏山隧道相交 处桩号分别为 K35+362.51(南侧)、K35+340.85(北 侧),南北侧地铁隧道顶高程分别为 1.58m 和 2.45m, 距离翠屏山隧道底部距离分别为 1.00m 与 1.71m。 地铁隧道与翠屏山隧道位置关系如图 1 所示。 根据工程项目实测地质勘探资料,工程区域土 层按照岩性可分为杂填土、素填土、粉土、粉砂类细 纱、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土、强 风化安山岩 8 层,地质承载力较好。 其中,翠屏山隧 道所在地层为粉砂类细纱、淤泥质粉质黏土；盾构 地铁隧道所在地层主要为粉质黏土和粉质黏土 ；隧道底部为强风化安山岩。 工程地基采用加设抗拔桩加固模式。 在沿翠屏 山隧道方向设置 4 根/排的抗拔桩,抗拔桩的布设参 考翠屏山隧道底板的拉应力分布(拉应力大的区域 布设较密)。 共布设 28 根抗拔桩,抗拔桩的具体布 设如图 2 所示。 盾构法施工对隧道稳定性的仿真分析 王军 (中铁十八局集团第一工程有限公司,涿州 072750) 摘要：以南京地铁十四号线工程盾构施工为依托,借助 ANSYS 有限元软件,针对该工程中的翠屏山隧道建立 了三维数模进行仿真计算与分析。 计算结果表明,地铁隧道盾构施工对翠屏山隧道周围土体扰动较小,后者整体保 持稳定,未出现大的异变；最大应变区域发生在翠屏山隧道中心区域,隧道底板最大下沉量为 18.2mm,建议在该区 域加密抗拔桩,以减小土体变形。 关键词：盾构施工；应变场；抗拔桩；三维数模；仿真计算 Abstract: Based on the shield construction of Nanjing Metro Line No.14, ANSYS finite element software is used to establish the 3D model of Cuipingshan Tunnel for simulation calculation and analysis. The results show that the subway shield tunnel construction has little influence on the surrounding soil of Cuipingshan Tunnel, the surrounding soil can maintain the overall stability and has no major changes. The maximum strain occurred in the center area of Cuipingshan Tunnel floor area, the maximum subsidence quantity is 18.2mm, which indicates that the uplift pile should be increased density to reduce soil deformation. Key words: Shield construction; Strain field; Uplift pile; 3D numerical simulation; Simulation calculation 中图分类号：TU528.01文献标识码：A文章编号：1000-4637(2017)06-82-04 图 2抗拨桩的具体布设情况 左线右线 1.004m 1.711m 2017 年第 6 期混 凝 土 与 水 泥 制 品2017 No.6 6 月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJune 82- 万方数据 图 5部分施工工序模拟 (a)工序(b)工序 2三维数值模型建立及计算 2.1研究范围 以地铁左线中心线与翠屏山隧道相交处南侧 (桩号 K35+365.85)为中心点,X 方向(地铁盾构掘 进方向) 取 72m 长；Y 方向 (翠屏山隧道方向)取 80m 长,Z 方向(竖直方向)取 45.6m 长,以右手法则 判断坐标正负。 整个研究范围体积共 262656m3,采 用 ANSYS 有限元软件进行计算, 模型研究范围示 意图见图 3。 2.2网格划分 为了减小单元网格之间应力传递的误差,保证 模型计算的准确性,对研究范围内各材质单元进行 不同的网格划分 1-6。 其中, 混凝土管片采用 Shell 93、隧道周边岩体采用实体单元 Solid 95,对局部关 心区域进行了加密处理7。模型网格划分结果如图 4 所示。 2.3施工工序模拟 整个施工工序分为 4 个步骤：翠屏山隧道明 挖施工完成,形成自重地应力场；完成抗拔桩施 设,左线隧道开挖；完成左线管片拼装,形成支 护,释放 80%载荷；左线隧道施工完成,右线隧道 施工,释放载荷同左线；左、右线隧道施工均完 成。 部分施工工序数值模拟见图 5。 3数值模拟结果及分析 3.1地铁隧道盾构自身变形分析 根据数值模拟计算结果,将地铁左、右线施工 过程中隧道围岩变形量列于表 1。 分析表 1 可知： (1)翠屏山隧道明挖施工完成后,对隧道围岩 变形量影响较小。 (2)在整个施工过程中,隧道围岩变形最大的 时刻发生在盾构掘进后,无管片支护阶段；此后,随 着支护效应起作用,围岩变形量逐渐减小。 (3)本工程地铁隧道先施工左线,左线完工后 再施工右线。 从最终围岩变形量来看,左线与右线 变形量相近,可见,施工顺序对最终围岩变形量影 响较小。 3.2地铁隧道盾构施工过程中翠屏山隧道应力、应 变分析 基于数值模拟计算结果,重点分析地铁隧道在 盾构过程中, 翠屏山隧道底板在纵向与水平向应 表 1隧道施工过程中围岩变形量统计 施工 工序 左线隧道围岩最大变形/cm右线隧道围岩最大变形/cm 衬砌外侧近接内侧拱顶底板衬砌外侧近接内侧拱顶底板 工序 工序 工序 工序 工序 0.89 1.52 1.26 1.26 1.19 -0.78 -1.56 -1.27 -1.04 -1.11 -1.22 -2.88 -3.39 -3.93 -3.99 1.42 2.78 2.88 2.59 2.52 - - - 1.35 1.09 - - - -1.52 -1.24 - - - -3.73 -4.24 - - - 2.66 2.75 图 4研究对象网格划分 (a)地铁隧道(b)翠屏山隧道 图 3研究范围内整体建模情况 45.6m 72m 80m 王军盾构法施工对隧道稳定性的仿真分析 83- 万方数据 力、应变的大小8-10,并分析主要受压、受拉区域。 将 施工过程中翠屏山隧道底板纵向应变分布绘于图 6,底板横向应变分布绘于图 7。 分析图 6 和图 7 可知： (1)地铁左线隧道施工完成时,因与翠屏山隧 道交叉点距离翠屏山隧道底板距离较小 (仅有 1.004m), 导致底板出现以交叉点为中心的下沉区 域,这种不均匀变形体现在底板下缘受拉。 与此同 时,在抗拔桩支撑作用下,局部区域呈现下缘受压 的相反状态。 (2)在左、右双线均完工时,翠屏隧道底受压区 与受拉区分布更加明显, 最终形成沿着隧道底板 横、纵向中轴两条受压区,其余均为受拉区的情况。 同时,由于中隔墙的作用,所有受拉、受压区之间均 不连续。 根据上述结论,对翠屏山隧道底板进行了分区 处理,总共分为 8 个区,如图 8 所示。 同时,将翠屏 山隧道底板的横向和纵向最大应变变化过程列于 表 2。 根据表 2 并结合前文分析可知,翠屏山隧道底 板受下穿地铁施工影响,导致交叉点上方底板区域 成为结构受力最不利的区域。 如何改善交叉点上方 的受力状态是保证翠屏山隧道整体结构稳定的关 键所在。 表 2翠屏山隧道底板横、纵向最大应变变化过程 应力方向施工工序下缘最大拉应力/MPa发生位置下缘最大拉压力/MPa发生位置 纵向 工序 工序 工序 工序 1.85 2.44 2.38 2.60 1 区 1 区 1 区 6 区 -0.198 -0.243 -0.31 -0.351 4 区 4 区 4 区 4 区 横向 工序 工序 工序 工序 1.99 2.52 2.07 2.23 1 区 1 区 1 区 6 区 -2.29 -2.74 -2.5 -2.71 2 区 2 区 2 区 7 区 3.3地铁隧道盾构施工过程中翠屏山隧道变形量 分析 根据数值模拟计算结果,将地铁盾构施工过程 中翠屏山隧道顶板、底板最大变形量统计后列于表 3,将地铁左、右线施工完成后翠屏山隧道整体竖向 变形分布表况绘于图 9。 分析表 3 及图 9 可知： (1)翠屏山隧道底板、顶板变形最大增量阶段 为盾构掘进后,无管片支护阶段,此时,由于缺少管 片的支撑作用,隧道应变场处于“毛洞”状态。 进一 步分析可知,顶板与底板在此阶段内产生的变形量 分别占总变形量的 52.5%与 42.0%。 图 8翠屏山隧道底板横向应变变化过程 左线隧道 右线隧道 1 区 8 区 7 区 6 区 5 区 4 区 3 区 2 区 受拉区 受拉区 受压区 受 压 区 受拉区 2受拉区 2 受拉区 1受拉区 1 图 7翠屏山隧道底板横向应变变化过程 受拉区 下缘面 受拉区受压区受拉区 2受拉区 1 (a)左线隧道施工完成(b)左、右线隧道施工完成 受 压 区 图 6翠屏山隧道底板纵向应变变化过程 (a)左线隧道施工完成(b)左、右线隧道施工完成 2017 年第 6 期混凝土与水泥制品总第 254 期 84- 万方数据 表 3各施工状态下翠屏山隧道顶板、底板最大变形量 (2)根据数值模拟计算结果,翠屏山隧道最大 竖直下降量为 18.2mm, 满足项目设定的20.0mm。 由于安全预留值较小,建议对结构稳定措施进行进 一步的优化。 (3)考虑到翠屏山隧道最大下沉处均在该隧道 中心线位置,作为安全储备,建议沿翠屏山隧道中 心线,在局部增设抗拔桩,减小桩间距,改善其受力 条件,控制下沉量。 4结论 (1)从工程施工过程对土体的变形量来看,南 京地铁十四号线隧道盾构施工对翠屏山隧道周围 土体扰动较小,翠屏山隧道整体稳定,未出现大的 异变。 (2)根据数值模拟计算结果,地图盾构隧道下 穿区对应的翠屏山隧道底板压力变化值最大,其受 力特征主要表现为：受抗拔桩的支撑作用和盾构隧 道的施工影响,翠屏山隧道底板下缘的纵向最大附 加拉应力为 2.14MPa,最大压应力为-0.714MPa。 底 板下缘的横向最大附加拉应力为 1.72MPa, 最大压 应力为-2.25MPa,底板上缘的横向最大附加拉应力 为 2.73MPa,最大压应力为-1.69MPa。 (3)本地铁隧道盾构施工前,在翠屏山隧道底 板下增设抗拔桩对于减小隧道底板拉应力,重塑底 板应力分布,控制土体变形具有重要作用。 同时,由 于翠屏隧道最大竖直下降量为 18.2mm,距离项目设 定的20.0mm 临界安全值预留空间较小,建议加密 抗拔桩以增大工程安全性。 考虑到最大应力区出现 在翠屏山隧道中心区域,建议在该区域进行抗拔桩 加密工作。 参考文献： 1 郭庆彪,Guo Qingbiao.地铁隧道穿越桥桩施工技术探讨J. 铁道建筑技术,2016,43(1):31-36. 2 陈柯润.三维有限元分析方法评估隧道开挖对建筑结构的 影响D.北京:北京交通大学,2015. 3 Krajcinovie D,Silva M A G.Statistical aspects of the continuous damage theoryJ. 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