地鐵盾構隧道越江段洪汛期仿真模擬

李大志 馬姜悅 胡金鑫

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著經濟高速的發展，地面交通運輸系統已經遠遠滿足不了需求，人們逐漸向“上天入地”發展，過江水下隧道就是“地”的一種。近年來，過江隧道的迅速發展，而水壓力和土壓力是影響過江隧道的重要因素，水文氣候對水下隧道應力變化是一個值得探討的問題。目前許多學者對水壓力影響水下隧道進行了許多研究，陳路海[1]、張雨[3]、李策[2]、路開道[4]、李雪[5]都對盾構隧道水土壓力及管片內力進行了研究。但對總應力（土壓力、水壓力及孔隙水壓力之和）對隧道盾構管片的影響，目前研究的較少。因此，本文將以南京某過江盾構隧道為例，采用有限元分析軟件ANSYS，對長江洪汛期總應力變化對隧道內部受力變形的影響進行分析。

1 工程概況

南京地鐵某區間下穿長江，屬于典型的富水區段，該區間采用土壓平衡盾構法施工，設計隧道盾構外徑11.3m，內徑10.2m，隧道采用預制 C60 混凝土管片，管片寬度2m，厚度0.5m，區間起訖里程右CK7+030.000～右CK7+730.000，區間全長約700m，盾構隧道剖面見圖1。

圖1 盾構隧道剖面圖（單位：m）

2 模型及參數

2.1 計算模型

由于盾構隧道越江段長度較長，沿隧道縱向地層變形變化復雜，故使用ANSYS 軟件建模進行數值模擬時將工區分為兩段。模型采用位移約束條件，兩側約束水平方向，上部和底部約束豎直方向，土體和水體為無限體，取3～5倍洞徑，采用摩爾庫倫彈塑性模型和荷載-結構理論構建各土層及注漿層單元，襯砌管片則采用梁單元，如圖2。

圖2 三維數值模擬

2.2 參數賦值

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，內摩擦角27°[1]。

各地層物理參數值見表1。

表1 土體物理力學參數

2.3 數值模擬方案

隧道襯砌受總應力影響，計算2 個工況：工況1 的主要荷載為總應力，水位為歷史最高水位10.3m，工況2 的主要荷載為總應力，水位為歷史最低水位0.64m。在工況一和工況二的情況下，總應力隨隧道掘進長度的變化如圖3 和圖4 所示。

圖3 工況一 總應力分析結果

圖4 工況二 總應力分析結果

從圖3 和圖4 可以得到，兩種工況下每個區段內，總應力沿隧道斷面環向分布中，左右拱腰總應力差別不大，量值最小；拱底處最大，拱頂處量值居中。兩種工況下，同一掘進深度下，西岸段拱底的總應力比拱頂的總應力平均增大0.31MPa，是兩腰的總應力的2 倍；東岸段拱底的總應力比拱頂的總應力平均增大0.26MPa，是兩腰的總應力的2.1 倍。

根據上述分析，西岸段拱頂和兩腰位于粉細砂層內，拱底位于圓礫層內，粉細砂地層的滲透系數小于圓礫層的滲透系數，隧道掘進引起的孔隙水壓力變化復雜，波動較大，導致總應力變化隨之變化；東岸段，隧道整體處于卵礫石層，地層的滲透系數變化小，因此孔隙水壓力數值穩定，總應力的變化波動較小。

同一掘進深度，沿隧道環向總應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 計算結果分析

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

圖5 隧道開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力作用下分布規律大致一樣，且均為壓應力，軸力最大值分布在隧道襯砌管片的拱頂、拱頂兩側上方，軸力最小值分布在隧道襯砌管片的拱底及拱底兩側下方，同時，總應力越大，隧道襯砌管片的軸力相對較大。

4 結論

為使得南京長江盾構隧道越江段在長江洪汛期下的高效率施工、安全掘進，本次對其開挖掘進過程中受到的總應力進行數值模擬分析，從而得到下面結論：

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

（2）盾構隧道的埋深和地層的滲透系數影響著總應力的分布，滲透系數相差越大，引起總應力的波動越大，反之，總應力的波動較小。在實際的開挖掘進過程中，應重點監測隧道拱底和拱頂總應力變化，防治冒頂和突涌冒水冒砂事故的發生。

（3）長江洪汛期間，水位越高，越江段隧道襯砌管片受到的內力就越大，兩者是正相關，因此，要根據隧道開挖掘進的實際情況對管片進行配筋計算和設計。