明挖隧道近距离上跨地铁隧道的影响分析
2012-12-04 22:07
明挖隧道近距离上跨地铁隧道的影响分析
摘 要：通过对宁芜改线工程南京南明挖隧道近距离上跨南京地铁区间隧道的设计，利用数值模拟的手段对明挖隧道的基坑施工引起的下部隧道结构的上抬及受力变化值进行预判，根据预判值调整及优化设计。通过将数值模拟结果与实测值进行比对可知，两者较为吻合，认为计算中选取的模型及参数较为合理，数值计算可以对设计方案的合理性及影响进行判断。
关键词：明挖隧道，数值模拟，基坑，预判值，卸载
１ 前言
伴随着市政交通的高速发展，城市交通的重点开始转向地下，而随着地下交通网络日趋完善，不可避免地会出现地下近距离交叉建设的情况，在这种情况下，如何保障既有结构的安全运营，又保证新建结构的顺利实施是需要研究的重要课题。
本文拟通过对宁芜改线工程南京南明挖隧道近距离上跨南京已运营地铁区间这一工程实例，通过三维有限元分析计算，动态模拟整个基坑的开挖、支撑及回填过程，预测基坑施工的影响，对设计及施工方案进行合理预判。由于基坑垂直上跨南京地铁，因此基坑施 工的主要影响来自于基坑的开挖卸载［１－２］。
２ 工程概况
宁芜改线工程南京南隧道先期明挖段位于南京南站北广场，分别上跨南京市地铁１、３号线，上跨段长度约５０ｍ。地铁１号线位于地下三层，为双洞单线马蹄型矿山法隧道，两洞间距约４１．０９ｍ，已开通运营，与隧道夹角约９０°；待建３号线位于地下二层，拟采用明挖矩形结构，上部宁芜货线隧道为明挖法施工的矩形结构隧道。由于纵坡的限制，地铁３号线拟与上部宁芜货线工程合建，地铁１号线拱顶距上部隧道底部约６．５ｍ。
明挖隧道采用钻孔桩进行基坑围护。上跨１号线的９ｍ范围内，为避开１号线隧道的系统锚杆，围护桩设计嵌入深度为３．４ｍ，其余部分嵌入深度为５ｍ。隧道与地铁３号线合建范围内基坑深度约１９．５ｍ，局部将围护桩嵌入深度加深至６ｍ。围护设计与地铁１、３号线剖面关系见图１。
３ 数值分析
３．１ 计算模型
为分析隧道基坑开挖对南京地铁一号线的影响，采用ＭＩＤＡＳ ＧＴＳ软件进行三维有限元计算，计算模型如图２所示。模型沿隧道纵向长７８ｍ，宽６０ｍ，高度取地面以下４０ｍ。开挖深度为１３ｍ，宽度１１．１ｍ；局部与地铁三号线交叉段基坑开挖深度为１９．５ｍ，开挖宽度为３１．１ｍ。既有隧道简化为连续体模型［３］，初喷混凝土采用板壳单元，二次衬砌采用实体单元。上部基坑开挖按照３ｍ厚分层并考虑架撑。计算中假设地铁隧道结构变形与该处土体变形一致［４－５］。计算所用参数见表１。
３．２ 计算结果分析
计算结果见图３、图４。
从计算结果得到，基坑完成全部开挖步骤后，地铁１号线隧道在与基坑交叉部位出现最大的上抬位移，其值为０．５７ｍｍ，在上部结构完成并回填后，既有隧道最大上抬位移值减小为０．０２５ｍｍ。地铁１号线隧道二次衬砌在基坑开挖前、基坑开挖后以及拆撑回填后的最大主应力分别为１０３、３２４和５３９ｋＰａ。对比基坑开挖前、开挖后以及拆撑回填后的受力，三个工况变化均不大。因此，上部基坑开挖对 地铁一号线隧道的位移及受力影响很小。
４ 实施结果
施工中为减小卸载引起的地铁上抬，开挖必须分段、分区、分层、对称进行，开挖完成后及时浇筑底板。本段隧道结构施工已完成，监测结果表明地铁１号线结构总体发生沉降，但各点累计沉降量不大。在整个监测期间，在前期土方开挖及隧道上方土方开挖期间，最大上抬位移约０．５ｍｍ，随底板的浇筑完毕，上抬得到抑制，各监测点变化较为稳定，地铁隧道结构处于稳定状态且与计算结果基本吻合，均满足小于２０ｍｍ的要求［８］。
５ 结论
（１）地层弹性模量的选取对计算结果尤其是上抬位移的影响较大，计算时应选取合理的弹性模量。
（２）明挖隧道上跨地铁施工时，最不利位置位于交叉部位；且随着相对距离的增加，地铁隧道受到的影响减小。
（３）施工中应分段、分区、分层、对称地进行基坑开挖，减小一次性大面积卸载引起的既有隧道结构的上抬，同时及时施做明挖隧道结构也能够有效控制既有隧道向上的位移。
参 考 文 献
［１］ 李志高，刘国彬，曾远，等．基坑开挖引起下方隧道的变形控制［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００６，２（３）．
［２］ 戴博红．深基坑施工对临近地铁隧道的影响预测［Ｊ］．城市轨道交通研究，２００８，（８）．
［３］ 赵志强，张冬梅．临近基坑开挖对地铁区间隧道影响评价［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１１，５（７）．
［4］ 刘建航，侯学渊．基坑工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９７．
［５］ 张俊龙．卸载对地下建（构）筑物的影响研究［Ｄ］［学位论文］．上海：同济大学，
２００６．
［６］ 铁道第二勘察设计院．铁路工程设计技术手册———隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９９．
［７］ 铁道第二勘察设计院．铁路隧道设计规范（ＴＢ１０００３－２００５）［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５．
［８］ 上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定［Ｒ］．
