熊啟東，胡俊強(qiáng)，何品祥

（1重慶市建筑科學(xué)研究院重慶4000202重慶市渝北區(qū)公路工程質(zhì)監(jiān)站重慶401120）

水位和覆土厚度變化對(duì)不同形式過(guò)江隧道的影響研究

熊啟東1，胡俊強(qiáng)1，何品祥2

（1重慶市建筑科學(xué)研究院重慶4000202重慶市渝北區(qū)公路工程質(zhì)監(jiān)站重慶401120）

本文結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，利用大型有限元軟件建立模擬過(guò)江隧道開挖的數(shù)值模型，分析不同形式過(guò)江隧道在不同覆蓋層厚度以及不同水位高度下的襯砌應(yīng)力與隧道拱頂位移的變化規(guī)律，為類似工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

過(guò)江隧道；水位變化；覆土厚度；數(shù)值模擬

1 國(guó)內(nèi)過(guò)江隧道建設(shè)概況

當(dāng)前，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展引起了日益緊張的交通壓力，在地上空間得到極大開發(fā)的情況下迫切地要求我們向地下空間努力拓展。誠(chéng)然，“21世紀(jì)是地下空間的時(shí)代”，為了緩解越來(lái)越突出的交通緊張狀況，現(xiàn)在越來(lái)越多的地下交通空間得到了廣泛的開發(fā)，例如地鐵、地下停車場(chǎng)、地下街道、地下交通隧道等。而對(duì)于沿江（河）城市，為了緩解過(guò)江（河）交通壓力，提高過(guò)江（河）通行速度，以加速周邊輻射城市發(fā)展，過(guò)江隧道作為連接江河兩岸城市的特殊橋梁而逐漸發(fā)展起來(lái)。

自上世紀(jì)70年代開始，我國(guó)有很多已建或在建的過(guò)江隧道[1]。在我國(guó)，采用盾構(gòu)法施工先后建成了上海黃浦江底幾條隧道[2-4]:上海打浦路越江隧道、上海延安東路隧道北線、上海延安東路隧道南線、上海大連路隧道、上海明珠線第二期越江隧道、上海復(fù)興東路越江隧道以及四川金堂清江北河隧道過(guò)江輸氣管道工程、三江口過(guò)江隧道、重慶長(zhǎng)江主航道第一條江底輸氣隧道、第二條江底輸氣隧道、重慶忠縣長(zhǎng)江隧道、重慶主城區(qū)排水過(guò)江隧道、上海崇明越江隧道、南京緯七路過(guò)江隧道、武漢長(zhǎng)江公路過(guò)江隧道、杭州市錢塘江過(guò)江隧道、即將完工的廣州侖頭至生物島過(guò)江隧道。此外，南京已經(jīng)開建了第二條過(guò)江隧道(緯三路過(guò)江隧道)，廣州還計(jì)劃修建洛溪島至大學(xué)城過(guò)江隧道和新造至大學(xué)城過(guò)江隧道，重慶計(jì)劃修建的朝天門兩江隧道等。過(guò)江隧道多采用圓形或三心圓斷面形式。

在地下硐室或隧道規(guī)模不斷擴(kuò)大、平面布置愈加復(fù)雜化、內(nèi)部配套設(shè)施越來(lái)越多的今天，圍巖穩(wěn)定性依然是目前一個(gè)綜合性的土木工程難題。迄今為止，這一問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決，其工程設(shè)計(jì)必要的計(jì)算分析尚不能準(zhǔn)確得出定量的結(jié)果。過(guò)江隧道穿越巖（土）層多，隧道沿線在穿越過(guò)程中，土壓力、水壓力均變化大，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，使工程建設(shè)難度增大，易產(chǎn)生事故。本文將對(duì)不同地質(zhì)條件下，不同形式的過(guò)江隧道，利用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值分析，研究不同水位變化和覆土層厚度變化對(duì)于過(guò)江隧道的影響。

2 水位和覆土厚度對(duì)三心圓斷面過(guò)江隧道影響研究

對(duì)于過(guò)江地下隧道，研究重點(diǎn)一般放在對(duì)圍巖承載能力的研究上。本節(jié)分析重慶朝天門兩江隧道（規(guī)劃中）在不同上覆巖層條件下和上覆水體水位變化過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。

2.1 工程概況及參數(shù)選擇

《重慶市城市總體規(guī)劃（2005-2020年）》中，朝天門兩江隧道是構(gòu)成CBD的解放碑、江北城、彈子石三個(gè)地區(qū)之間的內(nèi)部通道，同時(shí)將主城區(qū)的核心區(qū)域（解放碑、朝天門、江北城、南岸彈子石）有機(jī)連接起來(lái)。隧道路線總體平面布置三路立體交叉，分別由嘉陵江隧道、長(zhǎng)江隧道和望龍門隧道三座隧道組成,其中嘉陵江隧道連接江北城和渝中半島；長(zhǎng)江隧道連接渝中半島和南岸彈子石；望龍門隧道為江北城和南岸彈子石車輛進(jìn)入渝中半島的出入口隧道，三座隧道于朝天門地下交匯，于交匯處設(shè)地下互通式立交。

兩江隧址區(qū)出露地層為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4m1）、殘坡積層(Q4e1+d1)及侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)，其中以J2s的部分砂、泥巖地層為主。區(qū)內(nèi)砂巖體一般厚度為9.0～21.0m，個(gè)別層位可達(dá)30.0m左右，全區(qū)砂巖體與砂質(zhì)泥巖、泥巖的總厚度比例為1∶9左右。重慶朝天門兩江隧道圍巖級(jí)別主要以Ⅳ級(jí)圍巖為主，占95%左右，局部較堅(jiān)硬巖組地段屬Ⅲ級(jí)圍巖，占5%左右[5]。

圖1 水深15m、埋深35m時(shí)隧道計(jì)算模型

朝天門兩江隧道方案采用城市主干道Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)車速50km/h。兩江隧道均由雙洞雙向6車道組成，其單向3車道設(shè)計(jì)通行能力4860輛/h。隧道模型主通道采用三車道，最大毛洞跨度B=14.58m，高度為10.0m，初期支護(hù)混凝土厚20mm，錨桿長(zhǎng)4m，直徑24mm，縱向間距1m，環(huán)向間距1m，為采用等效加固圈模擬錨桿加固方式，各種材料具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.2 模型的建立及工況選擇

根據(jù)重慶朝天門兩江隧道規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)，隧道圍巖模擬采用平面plane42實(shí)體單元，襯砌管片采用平面beam3梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算時(shí)圍巖使用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準(zhǔn)則為DP(Drucke-Prager)準(zhǔn)則。邊界條件的確定嚴(yán)格按照隧道力學(xué)理論分析結(jié)果，考慮邊界效應(yīng)，隧道的左右邊界選取到4倍主洞洞寬，上部為自由界面，最淺處埋深為35m，下部取到3.5倍洞徑，左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界，不做約束處理。數(shù)值分析過(guò)程中通過(guò)一次性“殺死”（ekill）需要開挖的（巖）土體單元來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道的全斷面開挖。

根據(jù)重慶交通科研設(shè)計(jì)院《重慶兩江隧道工程預(yù)可行性研究報(bào)告》及相關(guān)的江底地形圖和工程地質(zhì)縱斷面圖得知，朝天門過(guò)江隧道越江段江底最低高程為142.0m，朝天門枯水季節(jié)長(zhǎng)江水位在164.0m左右，豐水期按照三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)最高水位取175.0m（目前長(zhǎng)江水位最高達(dá)到171.0m）。即兩江隧道水深為：22m～29m。為考慮不同水深和覆土厚度條件下的隧道穩(wěn)定性，此處分多組情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中，水位高度分15m，20m，25m，30m四種，覆土厚度取5m，15m，25m，35m，45m五種。依據(jù)不同的水深與覆土厚度分別建模，最后對(duì)結(jié)果對(duì)比分析。計(jì)算模型如圖1所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 圍巖內(nèi)力分析

過(guò)江隧道圍巖內(nèi)力隨著水位高度與覆土厚度的變化而變化，承受的內(nèi)力主要是壓應(yīng)力，個(gè)別部位會(huì)存在拉應(yīng)力，但數(shù)值相對(duì)較小。最大主應(yīng)力主要反映出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)域，最小主應(yīng)力主要反映壓應(yīng)力集中的區(qū)域。圖2、圖3分別為5m，15m，25m，35m，45m五種覆土厚度情況下，隧道最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨著水位高度的變化曲線。

圖2 隧道最大主應(yīng)力變化曲線

圖3 隧道最小主應(yīng)力變化曲線

圖4 埋深35m、水位高15m隧道最大主應(yīng)力云圖

圖5 埋深35m、水位高15m隧道最小主應(yīng)力云圖

經(jīng)分析對(duì)比得出：

（1)同一覆土厚度下，隧道最大主應(yīng)力和隧道最小主應(yīng)力均隨著水位高度的升高而增大；同一水位高度下，隧道最大主應(yīng)力和隧道最小主應(yīng)力均隨著覆土厚度的增大而增大。

（2）最大主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在埋深45m水位高度30m處，其值為0.70MPa。最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在埋深5m水位高度15m處，其絕對(duì)值最大值出現(xiàn)在埋深45m水位高度30m處，其值為7.10MPa。

（3）最大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在圓形隧道的拱腳，呈左右對(duì)稱分布，其余部位均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。最小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道兩側(cè)拱腰部位，最小值出現(xiàn)在拱頂和拱底兩側(cè)，呈左右對(duì)稱分布。

2.3.2 隧道圍巖位移與變形分析

圖6、圖7為5m，15m，25m，35m，45m五種覆土厚度情況下，隧道拱頂X、Y方向最大位移Ux、Uy隨著水位高度的變化曲線。

圖6 Ux變化曲線圖

圖7 Uy變化曲線圖

圖8 埋深35m、水位高度15m時(shí)，X方向位移云圖

圖9 埋深35m、水位高度15m時(shí)，Y方向位移云圖

經(jīng)分析對(duì)比得出：

（1)同一覆土厚度條件下，Ux、Uy隨著水位高度的升高而增大；同一水位高度條件下，Ux、Uy隨著覆土厚度的增大呈現(xiàn)先減小而后增大的現(xiàn)象。X、Y方向的位移Ux、Uy的最大值均埋深45m、水位高度30m處，其值分別為0.72mm、3.20mm。

（2)Ux呈左右對(duì)稱分布，最大值出現(xiàn)在隧道的拱腰部位，呈橢圓形向外依次減小。Uy亦呈現(xiàn)左右對(duì)稱分布。隧道影響范圍以外的區(qū)域（大約2～3倍直徑范圍）位移呈層狀分布，影響范圍以內(nèi)區(qū)域隧道開挖引起洞頂上部下沉，拱底下部反彈，從而產(chǎn)生較大的Y方向位移。

（3)當(dāng)水位高度30m埋深45m時(shí)，隧道變形最大。隧道開挖之后，隧洞頂對(duì)應(yīng)地表處向下沉降深度最大，向兩側(cè)依次減小。與之對(duì)應(yīng)的隧道洞頂處圍巖沉降變形最大，極端情況下會(huì)有拉裂紋產(chǎn)生，可能由此產(chǎn)生破壞。襯砌在較大水、土壓力作用下，在洞頂和洞底處會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，拱腰產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，引起隧道拱腰處較大變形。

3 水位和覆土厚度對(duì)圓形過(guò)江隧道影響研究

3.1 過(guò)江隧道工程概況及參數(shù)選擇

武漢長(zhǎng)江隧道工程是萬(wàn)里長(zhǎng)江首條跨江公路交通隧道。隧道設(shè)計(jì)為雙孔四車道，盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)度為2550m，管片外徑11.0m，內(nèi)徑10.0m，厚度0.5m。隧道所處地層礫砂和卵石層為主，盾構(gòu)到達(dá)段最小埋深6.9m；江中段隧道最大埋深21.3m，地層滲透性強(qiáng)，水壓高，斷面最大水壓達(dá)0.57MPa。隧址區(qū)長(zhǎng)江段水下地層上部由第四系全新統(tǒng)新近沉積松散粉細(xì)砂，中粗砂組成，隧道穿過(guò)地層位于中部粉細(xì)砂層[6]。各砂石層材料參數(shù)見表2。盾構(gòu)襯砌管片支護(hù)參數(shù)見表3。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

表3 襯砌管片材料參數(shù)

3.2 過(guò)江隧道模型建立

根據(jù)武漢長(zhǎng)江隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，圍巖與襯砌管片參數(shù)采用表2、表3中參數(shù)。隧道圍巖模擬采用平面plane42實(shí)體單元，襯砌管片采用平面beam3梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算時(shí)圍巖使用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準(zhǔn)則為DP(Drucke-Prager)準(zhǔn)則。隧道左右計(jì)算范圍取5倍的洞徑，底部取4倍的洞徑，隧道邊界采用法向約束，上邊界為自由邊界，不做約束處理。分析過(guò)程中通過(guò)一次性“殺死”需要開挖的巖（土）體單元來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)一次全斷面開挖。同時(shí)，激活周邊的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬隧道襯砌管片。

為了考慮不同水深和覆土厚度條件下的隧道穩(wěn)定性，本次數(shù)值模型分多組情況進(jìn)行。水深分20m、30m、40m、50m、60m五種，覆土厚度取5m、10m、15m、20m、25m五種。依據(jù)不同的水深與覆土厚度分別建模進(jìn)行計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 圍巖內(nèi)力變化規(guī)律研究

過(guò)江隧道圍巖內(nèi)力隨著水位高度與覆土厚度的變化而變化，承受的內(nèi)力主要是壓應(yīng)力，個(gè)別部位會(huì)存在拉應(yīng)力，但數(shù)值相對(duì)較小。圖11、圖12為5m、10m、15m、20m、25m五種覆土厚度情況下，隧道最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨著水位高度的變化曲線。

圖10 隧道埋深20m時(shí)隧道計(jì)算模型圖

圖11 隧道最大主應(yīng)力變化曲線

圖12 隧道最小主應(yīng)力變化曲線

經(jīng)分析對(duì)比得出：

（1)同一覆土厚度下，隧道最大主應(yīng)力隨著水位高度的升高有逐漸增大的趨勢(shì)，而隧道最小主應(yīng)力隨著水位高度的升高卻有逐漸減小的趨勢(shì)；同一水位高度下，隧道最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均隨著覆土厚度的增加而有逐漸減小趨勢(shì)，但減小幅度略有不同。

（2)最大主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在埋深5m水位高度60m處，其值為0.184Mpa；最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在埋深5m水位高度20m處，其絕對(duì)值最大值出現(xiàn)在埋深25m水位高度60m處，其值為3.210MPa。

（3)隧道最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在圓形隧道的拱頂，拱底處也存在拉應(yīng)力，但數(shù)值較拱頂處偏小，呈左右對(duì)稱分布，其余部位均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，其最大值出現(xiàn)在隧道兩側(cè)拱腰部位，最小值出現(xiàn)在拱頂和拱底兩側(cè)，呈左右對(duì)稱分布。

3.3.2 圍巖與襯砌位移與變形規(guī)律

圖13、圖14所示分別為5m、10m、15m、20m、25m四種覆土厚度情況下，隧道X、Y方向最大位移隨著水位高度的變化曲線。

圖13 Ux變化曲線圖

圖14 Uy變化曲線圖

經(jīng)分析對(duì)比得出：

（1）同一覆土厚度下，Ux、Uy均隨著水位高度的升高而增大；同一水位高度下，Ux、Uy均隨著覆土厚度的增大而增大，但是增幅卻隨覆土厚度增加而有所減緩。

（2）Ux、Uy均呈左右對(duì)稱分布，Ux最大值出現(xiàn)在圓形隧道的拱腰部位，呈橢圓形向外依次減小。Uy最大值出現(xiàn)在拱頂?shù)牡乇硖?。位移均勻?qū)訝罘植迹淼篱_挖引起洞頂上部下沉，拱底下部反彈，從而產(chǎn)生較大的Y方向位移。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同水位和不同覆土厚度條件下，對(duì)不同形式的過(guò)江隧道的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）由以上對(duì)比分析可知：圓形隧道與三心圓隧道兩者對(duì)應(yīng)的應(yīng)力位移及變形規(guī)律基本上是保持一致的。如：同一覆土厚度下，隧道最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均隨著水位高度的升高有逐漸增大的趨勢(shì)。

（2）隧道最大主應(yīng)力在圓形隧道的拱頂與拱底均有出現(xiàn)，而三心圓隧道中只出現(xiàn)在隧道的拱腳，三心圓隧道在拱頂與拱底出現(xiàn)了純拉應(yīng)力區(qū)，而圓形隧道未出現(xiàn)。

（3）在位移方面，由于朝天門兩江隧道巖性較好，導(dǎo)致豎向變形較小。隨著水位高度與覆土厚度的增大，位移均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但是圓形隧道x向位移增大趨勢(shì)隨覆土厚度和水位高度的增大而有所減緩；三心圓隧道x向位移增大趨勢(shì)隨覆土厚度和水位高度的增大無(wú)減緩趨勢(shì)。

本文僅考慮水位為某一特定值，未考慮水的滲流作用，對(duì)于其他情況，可以根據(jù)本文的計(jì)算方法作進(jìn)一步的探討。

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責(zé)任編輯：余詠梅

Influence of Different of Water Level and Soil Thickness on Different Types of Underwater Tunnel

In this paper,the design parameters of the actual engineering,geological survey data and finite element software,are used to establish a numerical model for the crossing river tunnel excavation in order to analyze the different forms of underwater tunnel at different thickness and different water levels of stress and in order to find out the disciplinarian variation for under-water tunnels in the arch lining top displacement.The writers hope this can be cited as a reference for the similar tunnel structure and for the similar designs and constructions.

underwater tunnel;water level change;soil thickness;numerical simulation

U456

A

1671-9107（2010）11-0001-05

重慶市建設(shè)科技項(xiàng)目（城科字2005第（29）號(hào)）

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.11.001

2010-7-2

熊啟東（1972-），男，博士，高級(jí)工程師。主要從事巖土工程研究。