南京地鐵交叉區段施工方案計算分析

付迎春，朱永全，陳 靜

(1.石家莊鐵路職業技術學院，石家莊 050041;2.石家莊鐵道大學，石家莊 050043;3.河北鐵建工程有限公司，石家莊 050000)

1 工程概況

南京地鐵一號線南延線車站出入線為地下隧道，軌道高程21～23 m，其上方為安德門站—寧丹路站區間正線隧道，軌道高程30～32 m，擬采用礦山法施工。區間正線與出入線上下交叉，結構之間最小距離為1.152 m，施工時，首先施作下方隧道，并對頂部周邊圍巖進行注漿加固，上方隧道開挖采取合理的工序，減少對下部隧道的擾動。

根據該處隧道臨近的地質勘探CR26鉆孔地質分層、各層地層勘探統計物性指標，計算所采用的地層和結構物理力學參數具體見表1。考慮到其中微風化泥質粉砂巖僅有巖塊試驗指標，泥質粉砂巖巖體計算指標按其圍巖分級V級的隧道規范值取值，結構物性指標取相應混凝土類型和強度等級的規范值。上層隧道拱部施作的超前小導管，下層隧道拱部施作的超前大管棚，計算中均按0.3 m地層加固有效厚度，根據經驗取相應地層 E(彈性模量)、C(黏聚力)、φ(摩擦角)、γ(重度)、μ(泊松比)參數提高25%。

表1 圍巖及材料物理力學指標

計算分析模擬的工況為:先修建出入線(上下臺階開挖)，然后逐步修建區間隧道(左右分部開挖)，主要分析后建區間隧道對先建出入線隧道的影響

2 計算模型

計算采用 ANSYS三維有限元模型，隧道埋深13.9 m。側面邊界為水平位移約束，底面邊界為豎向位移約束。模型上部邊界為自由邊界。初期支護和圍巖均采用SOLID185實體單元。整個計算模型共有59 882個單元。模型及網格劃分見圖1。

圖1 有限元分析模型

3 計算結果及分析

3.1 地表沉降和地層豎向位移

先建出入線隧道開挖支護后，地表沉降見圖2，地層的豎向位移見圖3。后建區間隧道開挖支護后的地表沉降見圖4，地層的豎向位移見圖5。

由圖2～圖5可以看出:先建出入線隧道開挖支護后的最大地表沉降為2.4 mm，地層最大豎向位移為4.6 mm;后建區間隧道開挖支護后的最大地表沉降為3.4 mm，地層最大豎向位移為4.9 mm。

圖2 出入線隧道施工完成后的地表沉降(單位:m)

圖3 出入線隧道施工完成后的地層豎向位移(單位:m)

圖4 區間線隧道施工完成后的地表沉降(單位:m)

圖5 區間線隧道施工完成后的地層豎向位移(單位:m)

3.2 后建區間隧道施工對先建出入線隧道的影響

后建區間隧道施工按左右分部開挖(CD分部、未設臨時中壁支護)，從距兩洞相交中線位置50 m前開始開挖，離開中心50 m后開挖結束。

1)豎向位移影響

先建出入線隧道開挖支護后(區間隧道未施工時)，出入線隧道的豎向位移見圖6。

圖6 出入線隧道施工完成后出入線的豎向位移(單位:m)

先建的出入線隧道豎向位移和地層位移，隨后建的上層區間隧道施工開挖進尺關系分別見圖7～圖8。

圖7 區間隧道施工100 m時出入線隧道的豎向位移(單位:m)

圖8 區間隧道施工100 m時地層豎向位移(單位:m)

從圖7～圖8可以看出:先建的上層出入線隧道的豎向位移，隨后建的上層區間隧道開挖位移增大，最大拱頂下沉從4.74 mm變化到4.88 mm，變化不大。而地層的最大豎向位移則從4.75 mm逐漸增大到4.87 mm，變化也不大。

2)對支護結構內力影響

先建出入線隧道開挖支護后(區間隧道未施工時)，出入線隧道的支護結構的主應力見圖9和圖10。

出入線隧道開挖支護后(區間隧道未施工時)，出入線隧道的支護結構的最大拉應力為43.9 kPa，最大壓應力為111.8 kPa。

圖9 出入線隧道自身施工后支護結構的第一主應力(單位:Pa)

圖10 出入線隧道自身施工后支護結構的第三主應力(單位:Pa)

后建上層隧道施工不同距離后，出入線支護結構的主應力見圖11、圖12。

圖11 上層區間隧道施工100 m時，

從圖11、圖12可以看出:先建出入線隧道的支護結構的主應力隨后建區間隧道的開挖變化顯著。當區間隧道開挖24 m時，出入線隧道的支護結構第一主應力最大值為1.53 MPa(拉應力)，第三主應力最大值為－1.48 MPa(壓應力);當區間隧道開挖48 m時，出入線隧道的支護結構第一主應力最大值為2.78 MPa(拉應力)，第三主應力最大值為－2.31 MPa(壓應力);隨著區間隧道遠離交叉位置，出入線隧道的支護結構第一主應力有逐漸減小的趨勢，最后穩定在2.75 MPa(拉應力)，而壓應力繼續增加，最大壓應力為－2.41 MPa。在交叉位置40 m(前后各20 m)范圍內影響較大。區間隧道的施工使出入線隧道結構的拉、壓應力均增加，但其拉、壓應力均小于鋼架混凝土支護結構強度。

圖12 上層區間隧道施工100 m時，下層隧道支護結構的第三主應力(單位:Pa)

4 結論

1)先建的出入線隧道開挖支護后的最大地表沉降為2.4 mm，最大拱頂下沉位移為4.6 mm;后建區間隧道開挖支護后的累計最大地表沉降為3.4 mm，累計地層最大豎向位移為4.9 mm。地表位移滿足施工沉降控制標準。

2)后建上層區間隧道對先建出入線隧道支護結構的豎向位移影響不明顯。而對先建出入線隧道的支護結構主應力影響顯著，最大拉應力達2.75 MPa，最大壓應力為－2.41 MPa，但其拉、壓應力均小于鋼架混凝土支護結構強度。

3)考慮到支護結構承受變形、抗震能力遠好于襯砌混凝土，建議交叉區段上下層隧道全部開挖支護后，再施作上下層隧道襯砌。

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