曾俊 趙冊 ，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院；，西南交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

越江隧道縱向變形數(shù)值分析

曾俊1趙冊21，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院；2，西南交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

通過有限元分析研究了越江隧道不同地層中、不同加載和有無二襯情況下的縱向沉降。結(jié)果表明，隧道在加載情況下縱向成V形下沉，均質(zhì)軟土中在加載中心沉降量達(dá)到最大，軟硬交界土中在交界處沉降量達(dá)到最大，軟硬交界土中的最大沉降量相對均質(zhì)軟土的明顯減少；施加二襯能減少變形。

cross-river tunnel; vertical deformation; numerical analysis

1、前言

隨著交通需求量的日益增大和隧道修建技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了如武漢長江隧道，上海長江隧道，廣深高速鐵路獅子洋隧道等大量越江隧道，還有目前在修建廈門翔安和青島膠州灣隧道這2座海底隧道。這些隧道通常需穿越粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土層、粉土層、粉細(xì)砂層等軟弱地層，在軟土地層中，河床出現(xiàn)淤積或者被沖刷都將對隧道縱向沉降產(chǎn)生影響。

對于隧道縱向問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。以志波由紀(jì)夫及川島一彥[1]為代表的等效軸向剛度模型，認(rèn)為隧道在橫向?yàn)橐痪|(zhì)圓環(huán)、在縱向以剛度等效的方法將有環(huán)向接縫非連續(xù)的結(jié)構(gòu)等效為連續(xù)均質(zhì)圓筒，由這種方法得到的隧道縱向剛度有效率約為1/15。在軸向壓力作用下，只有襯砌環(huán)產(chǎn)生壓縮變形，可得到隧道的壓縮變形，容易反算出相應(yīng)等效連續(xù)梁的抗壓剛度；在軸向拉力作用下，襯砌環(huán)和接頭共同承受拉力，分別根據(jù)管片和接頭的力學(xué)性質(zhì)可計(jì)算出其拉伸變形，即可通過隧道總變形反算出相應(yīng)等效連續(xù)梁的抗拉剛度；同理，計(jì)算出襯砌環(huán)和螺栓在彎矩作用下的曲率后即可得到等效連續(xù)梁的抗彎剛度。得到以上剛度后，即可把盾構(gòu)法隧道簡化成具有等效剛度的均勻連續(xù)梁，和普通的連續(xù)地下管線類似，再進(jìn)一步模擬成彈性地基上的連續(xù)梁。陳基煒、詹龍喜(2000)[2]介紹了上海地鐵1號線全線的總體沉降情況，分析了不均勻沉降發(fā)生的原因。林永國等(2000)[3]以及黃宏偉、臧小龍(2002)[4]結(jié)合工程實(shí)際，分析隧道縱向沉降產(chǎn)生的原因和機(jī)理，指出隧道下臥土層分布的不均勻性、隧道周圍荷載變化是隧道產(chǎn)生縱向不均勻沉降的最重要因素。Wooi Leong Tan等(2003)[5]總結(jié)軟土地層橫向、縱向、側(cè)向位移變化的研究進(jìn)展，在提到縱向沉降時(shí)，文中說，隧道工作面上方地表沉降數(shù)值為其橫向最大沉降的一半，此外，文中還給出了計(jì)算沿隧道軸線方向縱向地表沉降數(shù)值的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。

本文采用大型商用有限元軟件ANSYS對盾構(gòu)隧道，在不同地層中，不同的加載和有無二次襯砌情況下的縱向變形進(jìn)行數(shù)值模擬。

2、計(jì)算模型

2.1 建模

取盾構(gòu)隧道直徑10.8 m，管片厚50cm，經(jīng)驗(yàn)公式表明，影響圍巖的變形范圍為洞室寬度的3～5倍，這里取水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?qū)挾葹?5.6m，向下取48.35m，向上取18.15m，軸線方向長100m。圍巖、襯砌均采用8節(jié)點(diǎn)的solid45單元來模擬，在軟硬交界面處采有面對面的conta173單元，模型底部施加垂直方向的約束，保證垂直位移為0，兩側(cè)施加水平方向的約束使得水平方向的位移為0，在頂部不施加約束，前后面施加軸向約束使得軸線方向位移為0。按彈性力學(xué)分析，整個(gè)隧道為橫觀各向異性彈性體，隧道襯砌的具體參數(shù)見表1。周圍巖體按均質(zhì)、各向同性的線彈性理想塑性體進(jìn)行有限元分析與計(jì)算，并且服從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，同時(shí)在屈服期間允許材料發(fā)生體積膨脹，具體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。均質(zhì)軟土中的計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示，軟硬交界中的計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

表1 隧道襯砌的力學(xué)參數(shù)

表3 計(jì)算工況

表2 土體圍巖力學(xué)參數(shù)

圖1 模型和有限元網(wǎng)格劃分

圖2 模型和有限元網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算工況

本次計(jì)算共分7種工況進(jìn)行，具體見表3所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 隧道在不同土質(zhì)、不同加載情況下的縱向變形分析

隧道在局部附加荷載下，隧道縱向沉降總體呈“V”形分布，加載中心附近（約計(jì)算軸線長的1/2）為其主要影響區(qū)域。在此區(qū)域之外，隧道微向上隆起，并逐步收斂趨于穩(wěn)定。且隨著附加荷載與隧道軸線的靠近，沉降值逐步增大，其最大沉降值與荷載至隧道軸線的距離基本呈線性減小，見圖3、圖4。

從圖3、4可以看出，均質(zhì)軟土中，隧道最大沉降出現(xiàn)在加載中心，且兩邊對稱收斂；軟硬交界土中，隧道最大沉降出現(xiàn)在軟硬交界面上并偏于軟土側(cè)，且軟土側(cè)收斂緩慢，硬土側(cè)收斂較快。

圖3 均質(zhì)軟土中隧道局部附加載下縱向變形曲線

圖4 軟硬土中隧道局部附加載下縱向變形曲線

不同地層中縱向變形最大值的比較見表4。

表4 變形最大值對比

從表4可以發(fā)現(xiàn)，不同地層對隧道縱向變形有很大影響，從本次選取的2種地層來看，隧道在軟硬土中的變形量相對均質(zhì)軟土平均減少70%。

2.3.2 隧道在施加二襯情況下的縱向變形分析

在隧道內(nèi)部施加30mm厚的二次襯砌C30，計(jì)算得到的最大變量位置與沒有二襯的情況相同，但變形量有所減少，具體見表5。

表5 變形最大值對比

從表5可以發(fā)現(xiàn)，施加二次襯砌能減少隧道的縱向變形，控制沉降，變形減少量至少有10%，其主要原因是施加了二次襯砌能提高隧道縱身的整體剛度。

3、結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算可以得到以下結(jié)論：

1)隧道上部在局部受荷的情況下，沿軸線方向隧道呈“V”狀下沉，均質(zhì)軟土中加載中心沉降最大，軟硬交界土中交界處沉降最大，其最大沉降值與荷載至隧道軸線的距離基本呈線性減小。

2)不同地層對隧道縱向變形影響很大，同一加載情況下軟硬土中的變形量比均質(zhì)軟土中減少70%

3)施加二次襯砌能提高隧道的整體剛度，減少變形量。

[1]志波由紀(jì)夫,川島一彥,大日方尚己等.答變位法にょるツ-ルドトンネルの耐震設(shè)計(jì)法[J].土木技術(shù)資料, 1986,28(5):45.

[2]陳基煒，詹龍喜.上海市地鐵一號線變形測量及規(guī)律分析.上海地質(zhì).2000, (2):51-5 6

[3]林永國，廖少明，劉國彬.地鐵隧道縱向變形影響因素的探討.地下空間.2000,Vo1.20(4):264-267

[4]黃宏偉，臧小龍.盾構(gòu)隧道縱向變形性態(tài)研究分析.地下空間.2002,Vol(220):244-251

[5]Wooi Leong Tan , Pathegama Gamage Ranjith,Parameters and Considerations in Soft Ground Tunneling , 2003

Numerical analysis of vertical deformation of cross-river tunnel

Zeng Jun Zhao Ce
Department of Underground Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China

Vertical deformation of cross-river tunnel was studied by numerical analysis during loading in different ground with second lining or not.The results show that: Shape of vertical deformation appear to be“V” during loading; in even soft soil, deformation is at maximum in the loading center, but in hard-soft soil, deformation is at maximum in the interface.The deformation of hard-soft soil is smaller than it of even soft soil.With second lining, vertical deformation can be reduce.

越江隧道；縱向變形；數(shù)值分析

U 4 5

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