地鐵盾構(gòu)隧道越江段洪汛期仿真模擬

李大志 馬姜悅 胡金鑫

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，地面交通運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求，人們逐漸向“上天入地”發(fā)展，過(guò)江水下隧道就是“地”的一種。近年來(lái)，過(guò)江隧道的迅速發(fā)展，而水壓力和土壓力是影響過(guò)江隧道的重要因素，水文氣候?qū)λ滤淼缿?yīng)力變化是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。目前許多學(xué)者對(duì)水壓力影響水下隧道進(jìn)行了許多研究，陳路海[1]、張雨[3]、李策[2]、路開(kāi)道[4]、李雪[5]都對(duì)盾構(gòu)隧道水土壓力及管片內(nèi)力進(jìn)行了研究。但對(duì)總應(yīng)力（土壓力、水壓力及孔隙水壓力之和）對(duì)隧道盾構(gòu)管片的影響，目前研究的較少。因此，本文將以南京某過(guò)江盾構(gòu)隧道為例，采用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)長(zhǎng)江洪汛期總應(yīng)力變化對(duì)隧道內(nèi)部受力變形的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

南京地鐵某區(qū)間下穿長(zhǎng)江，屬于典型的富水區(qū)段，該區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，設(shè)計(jì)隧道盾構(gòu)外徑11.3m，內(nèi)徑10.2m，隧道采用預(yù)制 C60 混凝土管片，管片寬度2m，厚度0.5m，區(qū)間起訖里程右CK7+030.000～右CK7+730.000，區(qū)間全長(zhǎng)約700m，盾構(gòu)隧道剖面見(jiàn)圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道剖面圖（單位：m）

2 模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

由于盾構(gòu)隧道越江段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，沿隧道縱向地層變形變化復(fù)雜，故使用ANSYS 軟件建模進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)將工區(qū)分為兩段。模型采用位移約束條件，兩側(cè)約束水平方向，上部和底部約束豎直方向，土體和水體為無(wú)限體，取3～5倍洞徑，采用摩爾庫(kù)倫彈塑性模型和荷載-結(jié)構(gòu)理論構(gòu)建各土層及注漿層單元，襯砌管片則采用梁?jiǎn)卧?，如圖2。

圖2 三維數(shù)值模擬

2.2 參數(shù)賦值

1） 襯砌管片：彈性模量3x104MPa，泊松比0.2，密度25Kn/m3。

2） 注漿體：彈性模量3.8MPa，泊松比0.3，密度23Kn/m3，粘聚力16KPa，內(nèi)摩擦角27°[1]。

各地層物理參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬方案

隧道襯砌受總應(yīng)力影響，計(jì)算2 個(gè)工況：工況1 的主要荷載為總應(yīng)力，水位為歷史最高水位10.3m，工況2 的主要荷載為總應(yīng)力，水位為歷史最低水位0.64m。在工況一和工況二的情況下，總應(yīng)力隨隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度的變化如圖3 和圖4 所示。

圖3 工況一 總應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 工況二 總應(yīng)力分析結(jié)果

從圖3 和圖4 可以得到，兩種工況下每個(gè)區(qū)段內(nèi)，總應(yīng)力沿隧道斷面環(huán)向分布中，左右拱腰總應(yīng)力差別不大，量值最??；拱底處最大，拱頂處量值居中。兩種工況下，同一掘進(jìn)深度下，西岸段拱底的總應(yīng)力比拱頂?shù)目倯?yīng)力平均增大0.31MPa，是兩腰的總應(yīng)力的2 倍；東岸段拱底的總應(yīng)力比拱頂?shù)目倯?yīng)力平均增大0.26MPa，是兩腰的總應(yīng)力的2.1 倍。

根據(jù)上述分析，西岸段拱頂和兩腰位于粉細(xì)砂層內(nèi)，拱底位于圓礫層內(nèi)，粉細(xì)砂地層的滲透系數(shù)小于圓礫層的滲透系數(shù)，隧道掘進(jìn)引起的孔隙水壓力變化復(fù)雜，波動(dòng)較大，導(dǎo)致總應(yīng)力變化隨之變化；東岸段，隧道整體處于卵礫石層，地層的滲透系數(shù)變化小，因此孔隙水壓力數(shù)值穩(wěn)定，總應(yīng)力的變化波動(dòng)較小。

同一掘進(jìn)深度，沿隧道環(huán)向總應(yīng)力工況一比工況二大，但同一工況下，隧道拱底、拱頂和兩腰的差值變化不大。

3 計(jì)算結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道施工完畢，選取隧道左線里程右CK7+180.00 處斷面為研究對(duì)象，分析對(duì)比兩種工況下管片的內(nèi)力分布云圖，如圖5。

圖5 隧道開(kāi)挖后左線管片軸力圖（KPa）

由圖5 分析可知，隧道襯砌管片的軸力受不同總應(yīng)力作用下分布規(guī)律大致一樣，且均為壓應(yīng)力，軸力最大值分布在隧道襯砌管片的拱頂、拱頂兩側(cè)上方，軸力最小值分布在隧道襯砌管片的拱底及拱底兩側(cè)下方，同時(shí)，總應(yīng)力越大，隧道襯砌管片的軸力相對(duì)較大。

4 結(jié)論

為使得南京長(zhǎng)江盾構(gòu)隧道越江段在長(zhǎng)江洪汛期下的高效率施工、安全掘進(jìn)，本次對(duì)其開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中受到的總應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而得到下面結(jié)論：

（1）同一掘進(jìn)深度，不同工況下，總應(yīng)力沿隧道斷面環(huán)向分布規(guī)律大致相同，左右拱腰總應(yīng)力差別不大，量值最小；拱頂處量值居中，拱底處最大。

（2）盾構(gòu)隧道的埋深和地層的滲透系數(shù)影響著總應(yīng)力的分布，滲透系數(shù)相差越大，引起總應(yīng)力的波動(dòng)越大，反之，總應(yīng)力的波動(dòng)較小。在實(shí)際的開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)隧道拱底和拱頂總應(yīng)力變化，防治冒頂和突涌冒水冒砂事故的發(fā)生。

（3）長(zhǎng)江洪汛期間，水位越高，越江段隧道襯砌管片受到的內(nèi)力就越大，兩者是正相關(guān)，因此，要根據(jù)隧道開(kāi)挖掘進(jìn)的實(shí)際情況對(duì)管片進(jìn)行配筋計(jì)算和設(shè)計(jì)。