胡俊強，熊啟東，何品祥

（1重慶市建筑科學研究院重慶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過江隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

胡俊強1，熊啟東1，何品祥2

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

對于過江地下隧道，研究重點一般放在對圍巖承載能力的研究上。本文對過江隧道圍巖穩(wěn)定性分析是結(jié)合現(xiàn)有的工程實例，根據(jù)實際勘察數(shù)據(jù)，通過建立模擬過江隧道開挖的有限元模型，分析過江隧道在不同覆蓋層厚度以及不同水位高度下的管片襯砌應力與隧道拱頂位移變化規(guī)律，可為過江隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

過江隧道；水位變化；覆土厚度；穩(wěn)定性

1 國內(nèi)過江隧道建設(shè)概況

當今，隨著經(jīng)濟及基本建設(shè)的加速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，導致人類有限的生存空間越來越小，尤其是因日益緊張的交通壓力引發(fā)的各種社會及經(jīng)濟問題越來越突出。目前，各類用途的地下空間正引起人們的極大關(guān)注，并已經(jīng)獲得廣泛的開發(fā)，如地鐵、地下停車場、地下街道、地下商場。大城市立體交通的發(fā)展，特別是沿江（河）城市更是要建立穿江（河）隧道以緩解橋梁的交通壓力。我國上海、廣州、南京、武漢等地的交通、建設(shè)部門相繼將注意力轉(zhuǎn)向了水下過江隧道。

自20世紀70年代開始，我國有很多已建或在建的過江隧道[1]。盾構(gòu)法施工具有安全高效等諸多優(yōu)勢［2-3］，尤其在高水壓大斷面軟土越江隧道和城市建筑密集的地鐵隧道施工中優(yōu)勢明顯。本文主要針對盾構(gòu)法過江隧道進行研究。在我國，采用盾構(gòu)法施工先后建成了上海黃浦江底幾條隧道[4]:上海打浦路越江隧道(2.761km)、上海延安東路隧道北線(2.261km)、上海延安東路隧道南線(2.437km)、上海大連路隧道(1.27km)、上海明珠線第二期越江隧道(1.16km)、上海復興東路越江隧道(1.21km)以及四川金堂清江北河隧道過江輸氣管道工程(0.4km)、三江口過江隧道(1.992km)、重慶長江主航道第一條江底輸氣隧道(1.062km)、第二條江底輸氣隧道(0.96km)、重慶忠縣長江隧道(1.66km)、重慶主城區(qū)排水過江隧道(0.925km)、上海崇明越江隧道(8.95km)、南京緯七路過江隧道(6.16 km)、武漢長江公路過江隧道、杭州市錢塘江過江隧道；此外，南京已經(jīng)開建了第二條過江隧道(緯三路過江隧道)，廣州還計劃修建洛溪島至大學城過江隧道和新造至大學城過江隧道，重慶計劃修建的朝天門兩江隧道等。為了更好地方便城市之間的交通，我國過江隧道工程會越來越多。

2 有限元模型的建立

對于過江地下隧道，研究重點一般放在對圍巖承載能力的研究上。本文對過江隧道圍巖穩(wěn)定性分析是根據(jù)實際勘察、施工數(shù)據(jù)，通過建立模擬隧道開挖的有限元模型，計算分析過江隧道在不同覆蓋層厚度以及不同水位高度條件下的襯砌應力與圍巖位移變化規(guī)律，將過江地下隧道圍巖承載能力以及圍巖和襯砌的實際應力水平作為隧道圍巖安全穩(wěn)定性的判據(jù)。

2.1 過江隧道工程概況及參數(shù)選擇

模型選取以已建的武漢長江隧道工程為工程背景，取對結(jié)構(gòu)最不利的斷面，利用大型有限元軟件ANSYS進行數(shù)值模擬分析，研究不同的水位和覆土層厚度對過江隧道的襯砌穩(wěn)定性的影響。

武漢長江隧道工程是萬里長江首條跨江公路交通隧道。隧道設(shè)計為雙孔四車道，盾構(gòu)隧道段長度為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)到達段最小埋深6.9m；江中段隧道最大埋深21.3 m。隧址區(qū)長江段水下地層上部由第四系全新統(tǒng)新近沉積松散粉細砂，中粗砂組成，隧道穿過地層位于中部粉細砂層。具體工程地質(zhì)情況參見文獻[5]。各砂石層材料參數(shù)見表1。盾構(gòu)襯砌管片支護參數(shù)見表2。

表1 圍巖力學參數(shù)

表2 襯砌管片材料參數(shù)

2.2 過江隧道模型建立

根據(jù)武漢長江隧道設(shè)計參數(shù)，圍巖與襯砌管片參數(shù)采用表1、表2中參數(shù)。隧道圍巖模擬采用平面plane42實體單元，襯砌管片采用平面beam3梁單元。計算時圍巖使用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準則為DP(Drucke-Prager)準則。隧道左右計算范圍取5倍的洞徑，下面取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。

隧道開挖采用盾構(gòu)機一次開挖，有限元分析過程中通過一次性“殺死”（ekill）需要開挖的巖（土）體單元來實現(xiàn)隧道的全斷面開挖。同時激活周邊的梁單元來模擬隧道襯砌管片。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行計算，最后對計算結(jié)果進行對比分析（圖1）。

圖1 隧道埋深15m時隧道計算模型圖

3 計算結(jié)果及分析

3.1 圍巖內(nèi)力變化規(guī)律研究

過江隧道圍應力隨著水位高度與覆土厚度的變化而變化，承受的內(nèi)力主要是壓應力，局部會產(chǎn)生拉應力，但數(shù)值相對較小。圖2、圖3所示為5m，10m，15m，20m，25m五種覆土厚度情況下，隧道最大主應力和最小主應力隨著水位變化的曲線。

圖2 隧道最大主應力變化曲線

圖3 隧道最小主應力變化曲線

由于分析工況較多，限于篇幅，本文僅列出埋深25m、水位高度60m時計算得到的最大、最小主應力云圖作為參考，如圖4、圖5所示。

圖4 隧道埋深25m、水位高度60m最大主應力云圖

圖5 隧道埋深25m、水位高度60m最小主應力云圖

經(jīng)分析對比可知：

(1)同一覆土厚度下，隧道最大主應力和隧道最小主應力（壓應力）均隨著水位高度的升高有逐漸增大的趨勢；同一水位高度下，隧道最大主應力和最小主應力均隨著覆土厚度的增加而逐漸增大。

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

(3)隧道最大主應力為拉應力，最大值出現(xiàn)在圓形隧道的拱頂，拱底處也存在拉應力，但數(shù)值較拱頂處偏小，呈左右對稱分布，其余部位均未出現(xiàn)拉應力，如圖4所示。隧道最小主應力為壓應力，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)，呈左右對稱分布，如圖5所示。

3.2 襯砌內(nèi)力變化規(guī)律研究

圖6～圖8所示為5m、10m、15m、20m、25m五種覆土厚度情況下，襯砌內(nèi)力隨著水位高度變化曲線。

圖6 襯砌彎矩變化

圖7 襯砌剪力變化曲線

圖8 軸力變化曲線

限于篇幅，此僅取埋深25m、水位高度60m時計算得出的襯砌內(nèi)力圖，如圖9、圖10所示。

圖9 埋深25m、水位高度60m襯砌剪力圖

圖10 埋深25m、水位高度60m襯砌軸力圖

（1）同一覆土厚度條件下，隨著水位高度不斷增大，襯砌受到的水壓力不斷加大，管片襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩值、剪力值和軸力均有所增長，彎矩、剪力和軸力值的增幅卻隨著覆土厚度的增加而變小。如：當水壓力從20m變化到60m，埋深5m時的襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩值從191kN·m增大到310kN·m，增幅為62.3%，埋深25m時的襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩值從286kN·m增大到324kN·m，增幅為13.3%，增幅隨覆土厚度增大而減小。

（2）同一水位下，襯砌彎矩、剪力和軸力均隨著覆土層厚度的增加而增大；彎矩和剪力分布均呈中心對稱分布，彎矩、剪力最大值均出現(xiàn)在拱頂與拱底；隨著覆土厚度的增加，襯砌軸力隨之增大，且增幅較大，軸力基本上呈軸對稱分布，最大軸力出現(xiàn)在上拱腰和下拱腰處。

3.3 圍巖與襯砌位移與變形規(guī)律

圖11、圖12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Ux、Uy隨著水位高度的變化曲線。

圖11 Ux變化曲線圖

圖12 Uy變化曲線圖

經(jīng)過分析對比研究，可以看出：

（1）同一覆土厚度下，隧道X、Y方向的最大位移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，但增幅隨覆土厚度增加而有所減緩；Ux、Uy的最大值均出現(xiàn)在埋深25m、水位高度60m處，其值分別為0．043m和0．159m。

（2）Ux、Uy均呈左右對稱分布，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，大約2～3倍直徑范圍以外的區(qū)域Ux=0。Uy最大值出現(xiàn)在拱頂?shù)牡乇硖?。隧道影響范圍以外的區(qū)域（大約2～3倍直徑范圍）位移均勻?qū)訝罘植?，影響范圍以?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）從隧道開挖變形方面來說，當水位高度60m、埋深25m時，隧道變形最大。隧道開挖之后，隧道洞頂對應地表處向下沉降深度最大，向兩側(cè)依次減小。與之對應的隧道洞頂處圍巖沉降變形最大，極端情況下會有拉裂紋產(chǎn)生，可能由此產(chǎn)生破壞。

4 水位和覆土厚度對過江隧道內(nèi)力影響理論分析

對于過江隧道，考慮到過江隧道江中部分水位通常很高，江岸部分地下水位通常也不會低于隧道拱頂，故分析時隧道最低水位取為隧道拱頂，即內(nèi)力計算時采用已有修正慣用法側(cè)向水平荷載為標準梯形形式。水位假定在隧道斷面上方，荷載分布于整個管片斷面高度范圍內(nèi)，可分解為矩形荷載和滿跨三角形荷載進行求解，如圖13所示。

圖13 修正常用設(shè)計法荷載圖

其中，P附為附加荷載，Pe、qe為土壓力，Pw、qw為水壓力，Hw為水位高度。具體公式圖形參見文獻[7]。

由前文可知：隧道最小埋深6．9m，江中段最大埋深21．3m。理論分析時覆土厚度取實際最小和最大覆土厚度之間的4種工況，分別為6．9m，12．0m，17．0m，21．3m，水位高度從管片拱頂至實際最高水位依次變化，管片彈性模量為36．0GPa，據(jù)文獻[7]：取剛度折減系數(shù)：η=0．8，接頭彎矩增大系數(shù)：ζ=0．3。據(jù)《日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)》中已有修正慣用法理論，分別求得內(nèi)力解析解[6]。

則6．9m，12．0m，17．0m，21．3m，4種覆土厚度下管片最大內(nèi)力隨水位升高的變化趨勢分別如圖14-圖16所示[6]。

圖14 隧道管片最大彎矩變化曲線

圖15 隧道管片最大軸力變化曲線

圖16 隧道管片最大剪力變化曲線

由圖中可以看出：

（1）管片最大軸力隨水位上升而增大，呈線性變化的趨勢。管片最大彎矩拱頂和拱底處均隨水位升高而趨于穩(wěn)定。通常情況下，拱頂彎矩大于拱底彎矩。管片最大剪力隨水位升高而減?。ń^對值減?。┖筅呌诜€(wěn)定而變化不大。

（2）當水位相對較低時，管片最大軸力出現(xiàn)在拱腰，隨水位上升，管片最大軸力位置由拱腰向拱底轉(zhuǎn)移，覆土越淺，最大軸力出現(xiàn)在拱底所需的水位越低。

5 結(jié)論

本文通過對不同水位和不同覆土厚度條件下盾構(gòu)隧道的數(shù)值模型進行計算分析，得出如下結(jié)論：

（1）由以上分析可知，隧道最大壓應力出現(xiàn)在兩側(cè)拱腰部位，在隧道運營過程中可能會因壓應力過大產(chǎn)生破壞，隧道失穩(wěn)。因此，拱腰部位的襯砌需做特別抗壓加強處理。這已在實際工程中得到了驗證。

（2）從不同工況計算結(jié)果可以看出，Ux、Uy的最大值均出現(xiàn)在埋深最深，水位最高處，其值分別為0.043m和0.159m。由于數(shù)值模型考慮上覆土層為粉細砂層，導致豎向變形過大，因此，遇到類似地質(zhì)條件時，需先要做好防水，止水帶，加強襯砌以防止圍巖變形過大而造成隧道失穩(wěn)；而水平位移主要發(fā)生在管片腰部，左右向內(nèi)收斂，變形較小。

（3）襯砌在較大水土壓力作用下，在洞頂和洞底處會產(chǎn)生較大拉應力，拱腰產(chǎn)生較大壓應力，引起隧道由圓形變?yōu)闄E圓形。因此，在進行過江隧道規(guī)劃設(shè)計時，僅從圍巖變形方面來講，橢圓形比圓形隧道受力形式更為科學。

（4）通過數(shù)值分析與理論分析的對比，可以看出：隧道管片襯砌的最大軸力隨水位上升而增大，基本上呈現(xiàn)線性變化的趨勢。

（5）由于本文模擬水位情況與文獻[6]考慮隧道受力模型情況有所不同，這導致有限元模擬計算得出的內(nèi)力值整體上略小于理論值；在約25m之前水位變化趨勢有所相悖，但剪力和彎矩值變化趨勢都是隨著水位的變化而最終趨于穩(wěn)定。

本文僅考慮水位為某一特定值，沒有考慮水位隨時間的變化的情況，對于其他情況，可以根據(jù)本文的計算方法作進一步的探討。

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責任編輯：余詠梅

Numerical Analysis of Influence of Water Level and Soil Thickness Changes on Stability of Underwater Tunnels

In the aspects of underwater tunnel studies,the research is generally focused on the carrying capacity of the surrounding rock.But in this paper,analysis of the rock stability is performed through a combination of the following elements:the current engineering practice,the establishment of modeling tunnel excavation in finite element model of river-crossing tunnel based on actual survey data;and analysis of arch stress and displacement variation of the segment lining at different heights and different water levels.The writers hope this can provide a reference for the designs of underwater tunnel structures.

underwater tunnel;water level changes;soil thickness;stability

U456

A

1671-9107（2010）11-0006-05

重慶市建設(shè)科技項目（城科字2005第（29）號）

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.11.006

2010-7-2

胡俊強（1984-），男，工程師，主要從事特種工程施工等方面的設(shè)計和施工。