越江隧道水位變化運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)受力分析

李大志

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化水平的提高，城市軌道交通逐漸從地上走向地下?，F(xiàn)如今地下隧道施工方式主要以盾構(gòu)施工法為主，盾構(gòu)施工法具有良好的防滲漏水性等施工特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市過(guò)江隧道建設(shè)中。城市越江隧道建成后，水位變化對(duì)隧道變形、地表沉降、后期隧道加固等方面有重要影響。因此，隧道運(yùn)營(yíng)階段的健康狀況需要密切關(guān)注。

對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的隧道內(nèi)力分析的研究，仍有一些成果。張洪斌數(shù)值模擬分析巖溶高水壓地區(qū)隧道的內(nèi)力效應(yīng)情況，得出了圓形襯砌抵抗水壓能力最好；吳世明等利用國(guó)外精密監(jiān)測(cè)設(shè)備，得出了潮位變化對(duì)隧道的影響；唐志成等對(duì)高水壓下隧洞進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了在0.6～0.7 Mpa下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征；鄭永來(lái)等對(duì)軟土隧道滲漏問(wèn)題進(jìn)行了研究。上述研究多針對(duì)軟土地區(qū)水壓力對(duì)隧道盾構(gòu)管片的影響，對(duì)于砂層較厚且長(zhǎng)江水位變化較大對(duì)運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)管片受力研究的較少。鑒于此，以南京某隧道管片受力情況，結(jié)合有限元模擬，分析水位變化對(duì)管片受力影響。

1 工程概況

地鐵區(qū)間頂板埋深13.5(從江底起算)～34.3 m，施工工法為盾構(gòu)法。區(qū)間起訖里程右CK6+337.609～右CK9+403.350，區(qū)間全長(zhǎng)約3 065.741 m。盾構(gòu)隧道平面和地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 盾構(gòu)隧道平面示意圖Fig.1 Plan map of the shield tunnel

圖2 盾構(gòu)隧道地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the shield tunnel

2 模型與參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用有限元軟件Ansys模擬在不同水位的情況下隧道截面的受力情況。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、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?，?jiàn)圖3、圖4。

圖3 盾構(gòu)隧道數(shù)值模擬Fig.3 Numerical simulation of the shield tunnel

圖4 隧道截面CK7+272.44計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of the tunnel section CK7+272.44

2.2 計(jì)算參數(shù)

(1)襯砌管片：彈性模量3×104 MPa，泊松比0.2，密度25 kN/m3。

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

各土層物理參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the soil

2.3 數(shù)值模擬方案

選取隧道截面CK7+272.44進(jìn)行計(jì)算，由于土層壓力保持不變，地鐵運(yùn)營(yíng)期間，隧道襯砌主要受水壓力影響，結(jié)合2020年最高水位與最低水位，見(jiàn)圖5。計(jì)算2種工況，工況1為2020年最低水位1.05 m，工況2為2020年最高水位8.32 m。

圖5 2020年水位變化圖Fig.5 Changing water levels in 2020

3 計(jì)算結(jié)果分析

地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)，隧道襯砌管片受不同水壓力作用下的軸力及彎矩分布規(guī)律大致一樣，計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7。根據(jù)圖6(a)與圖7(a)可以得出，在2種工況下隧道拱底和拱腰處彎矩大，拱頂彎矩小，隧道拱腰彎矩越靠近底部彎矩越大，拱腰底部彎矩達(dá)到最大；隧道拱底彎矩自底部中間向兩端擴(kuò)大，在兩端彎矩達(dá)到最大。根據(jù)圖6(b)與圖7(b)可以得出，隧道拱頂軸力在隧道頂部中間達(dá)到最大；隧道拱腰彎矩越靠近底部軸力越大，拱腰軸力在拱腰底部達(dá)到最大；隧道拱底中間位置軸力小，兩邊軸力大，在兩端位置達(dá)到最大。

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)地鐵運(yùn)營(yíng)期間，水位越高，襯砌管片遭受內(nèi)力越大。

(2)不同工況下，襯砌管片彎矩和軸力分布規(guī)律大致相同，左右拱腰和拱頂處彎矩量值相對(duì)較小，拱底處最大，軸力拱腰底部最大，應(yīng)加強(qiáng)地鐵運(yùn)營(yíng)期間拱底處的內(nèi)力監(jiān)測(cè)。

(3)地鐵運(yùn)營(yíng)期間，隧道襯砌管片位于粉細(xì)砂地層中的斷面宜加強(qiáng)觀測(cè)，防止隧道的不均勻沉降。