越江隧道水位變化運營期結構受力分析

2022-07-13 03:00:42李大志

有色金屬設計 2022年2期

李大志

(南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 211156)

0 引言

進入21世紀，隨著我國經濟的高速發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。現如今地下隧道施工方式主要以盾構施工法為主，盾構施工法具有良好的防滲漏水性等施工特點，廣泛應用于城市過江隧道建設中。城市越江隧道建成后，水位變化對隧道變形、地表沉降、后期隧道加固等方面有重要影響。因此，隧道運營階段的健康狀況需要密切關注。

對于運營期的隧道內力分析的研究，仍有一些成果。張洪斌數值模擬分析巖溶高水壓地區隧道的內力效應情況，得出了圓形襯砌抵抗水壓能力最好；吳世明等利用國外精密監測設備，得出了潮位變化對隧道的影響；唐志成等對高水壓下隧洞進行數值模擬，得出了在0.6～0.7 Mpa下襯砌結構的受力特征；鄭永來等對軟土隧道滲漏問題進行了研究。上述研究多針對軟土地區水壓力對隧道盾構管片的影響，對于砂層較厚且長江水位變化較大對運營期盾構管片受力研究的較少。鑒于此，以南京某隧道管片受力情況，結合有限元模擬，分析水位變化對管片受力影響。

1 工程概況

地鐵區間頂板埋深13.5(從江底起算)～34.3 m，施工工法為盾構法。區間起訖里程右CK6+337.609～右CK9+403.350，區間全長約3 065.741 m。盾構隧道平面和地質剖面圖見圖1、圖2。

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

圖2 盾構隧道地質剖面圖Fig.2 Geological profile of the shield tunnel

2 模型與參數

2.1 計算模型

計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，兩側約束水平方向，上部和底部約束豎直方向，土、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，見圖3、圖4。

圖3 盾構隧道數值模擬Fig.3 Numerical simulation of the shield tunnel

圖4 隧道截面CK7+272.44計算模型Fig.4 Calculation model of the tunnel section CK7+272.44

2.2 計算參數

(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，內摩擦角27°。

各土層物理參數指標見表1。

表1 土體物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of the soil

2.3 數值模擬方案

選取隧道截面CK7+272.44進行計算，由于土層壓力保持不變，地鐵運營期間，隧道襯砌主要受水壓力影響，結合2020年最高水位與最低水位，見圖5。計算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 計算結果分析

地鐵運營時，隧道襯砌管片受不同水壓力作用下的軸力及彎矩分布規律大致一樣，計算結果如圖6、圖7。根據圖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，拱腰底部彎矩達到最大；隧道拱底彎矩自底部中間向兩端擴大，在兩端彎矩達到最大。根據圖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，在兩端位置達到最大。