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.

　　过站区施工期间,在线路股道中间和便梁支墩上均布置了沉降测点.随隧道开挖进程对地表线路沉降和便梁两侧的支墩沉降进行跟踪监测[3].

　　在施工过程中,对过站区地表沉降的实际监测结果[3]略小于计算值.因为实际监测值是工程辅助措施应用后的效果体现,这也从一个侧面证明了根据计算的塑性区分布和应力状态确定的辅助施工措施的有效性.

　　(2)塑性区分布

　　施工完毕时的隧道周边塑性分布情况见图8所示.由图8可知,左右线全部施工完后,隧道周边的塑性区范围主要集中在隧道上半部和隧道之间部分土体,这部分土体为粉质黏土,施工中要注意采取预加固措施.

　　根据塑性区分布的计算结果,在隧道开挖前对中间箱涵两侧及底部地层进行了注浆加固[1],加固目的是为了提高桩与土体之间的摩擦力,保证中间箱涵支墩的稳定.

　　(3)应力状态分析

　　施工完成,隧道周围模拟地层的最大主应力云图和最小主应力云图如封三图9所示.最大主拉应力分布在拱顶和拱底位置,在靠左(右)线的侧墙位置

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