复杂下穿地铁隧道下穿多层厂房方案研究

复杂下穿地铁隧道下穿多层厂房方案研究

随着城市地下铁路建设的蓬勃发展，地铁线路不可避免地会穿越建筑高度。因此，选择对现有建筑影响较小的地铁设计方案对地铁建设起着重要作用。特别是三联拱隧道本身结构跨度大,施工分步多,受力复杂,再加上下穿5层楼房。因此,在多种工序可能的情况下,选择一种对建筑物影响最小的施工方案是非常必要的。本文将对此从数值分析角度进行研究。1项目总结1.1隧道结构设计南京市轨道交通1号线南延安德门—宁丹路区间,在左、右行车线两侧引出车辆段出入端线形成了双线、双联拱、三联拱大跨度不等跨联拱隧道。隧道主要穿越泥质粉砂岩,岩土软弱、岩体的自稳能力差,易产生不均匀变形。其中三联拱区段上方有5层的人造花总厂办公楼,楼房桩基长度10～12m,隧道拱顶距桩底垂直距离为1.6m。如图1、图2所示。该段结构设计复杂,施工分步多、工序转换多,施工开挖安全与其地面上方的五层楼房使用安全问题十分突出。因此通过模拟分析选择合理的开挖分步,以达到结构施工安全和上部建筑物的安全就显得尤为重要。1.2勘探统计物性指标根据隧道临近地质勘探XR15钻孔地质分层、各层地层勘探统计物性指标,计算所采用的地层和结构物理力学参数具体如表1所示。楼房附加荷载根据最不利情况,框架结构的办公楼按每层16kPa考虑,均布于楼房基础上方。2施工方案的比较2.1该计划的概念三联拱结构施工按其开挖顺序和支护先后的不同可以有多种不同的组合方案,分析每种方案的支护内力和引起的沉降大小,寻找出最佳施工方案。2.2施工程序顺序按以上设计思路共有5种方案组合:方案一:施工顺序为侧洞开挖→中导洞开挖→中墙施作→侧洞衬砌→主洞开挖→主洞衬砌。方案二:施工顺序为侧洞开挖→中导洞开挖→中墙施作→主洞开挖→侧洞衬砌→主洞衬砌。方案三:中导洞开挖→中墙施作→主洞左侧开挖→主洞右侧开挖→主洞衬砌→侧洞开挖→侧洞衬砌。施工步序如图3所示。方案四:中导洞开挖→中墙施作→主洞左侧开挖→主洞右侧开挖→侧洞开挖→主洞衬砌→侧洞衬砌。方案五:中导洞开挖→中墙施作→侧洞开挖→侧洞衬砌→主洞左侧开挖→主洞右侧开挖→主洞衬砌。2.3计算和分析系统2.3.1数值模型及边界模型采用ANSYS二维模型,两侧边界至隧道中心线距离为65m,底部边界至隧道距离为35m,隧道埋深16.62m。侧面边界为水平约束,底面边界为竖向约束。模型上部边界为自由边界。初期支护和临时支护采用BEAM3单元,二次衬砌以及围岩采用PLANE42实体单元。整个计算模型共有7759个单元。应力释放40℅时施作上部支护,应力释放70%时施作仰拱支护,各洞室应力释放100%后拆撑、二次衬砌(承受相邻洞室后续施工附加荷载)。模型网格具体如图4所示。2.3.2计算结果和分析逐一对以上5个方案进行分析计算,限于篇幅下面以方案一为例给出计算结果。2.3.2.1.地表沉降和垂直位移地层竖向位移分布情况如图5所示,不同施工步地表沉降曲线如图6所示。2.3.2.主洞拱顶结构计算结果显示,初支在施工结束时内力分布最不利,最大弯矩为210.1kN·m,发生在主洞拱顶(见图7)。最大轴力为1550kN,发生位置为主洞与侧洞的交接处(见图8)。二衬受力较小,中墙受力较大,在中墙与侧洞、中墙与主洞交接处产生了较大的应力集中,最大压应力达到了10.8MPa,最大拉应力为1.16MPa。2.4五个方案的计算结果的比较2.4.1地下岩地沉降观测施工结束后拱顶下沉及水平位移值如表2所示。施工结束后桩底沉降曲线如图9所示。从计算结果可以看出,隧道在开挖过程中,地层和结构变形均较小。侧洞法:主洞拱顶下沉值为7mm左右,两侧洞边墙的拱顶下沉在4.5mm左右。方案一支护变形较方案二略小。两方案中地表沉降与隧道上方桩底竖向位移基本一致,方案一最大地表沉降为5.79mm,方案二最大地表沉降为5.95mm。说明在施工过程中,侧洞提前衬砌对抑制地表变形及既有地基的不均匀沉降起到了一定的作用。中导洞法:主洞拱顶下沉值为6.5mm左右,两侧洞拱顶下沉在4.3mm左右。方案五支护变形较其它方案略小,方案三最大地表沉降为5.05mm,方案四最大地表沉降为5.07mm,方案五最大地表沉降为4.94mm,同样中导洞法的三个方案中地表沉降与隧道上方桩底竖向位移基本一致。由中导洞法和侧洞法对比可以看出,中导洞法开挖引起的地表变形及桩底沉降值较小。2.4.2隧道结构的加固性能的比较根据计算结果,从支护结构受力角度出发,总体上中洞法优于侧洞法,其中,中洞法各种方案结构内力相差不多。3地表变位控制(1)在上述5种方案施工过程中,地层均未出现较大的塑性区,说明在计算条件下,上述5种施工步序均能保证施工