易志偉， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

與修建一般的地鐵盾構(gòu)隧道有所不同，越江盾構(gòu)法隧道的一個(gè)顯著特點(diǎn)是穿越較寬廣的河床或基床，上覆地層和下臥地層復(fù)雜多變，地層性質(zhì)呈現(xiàn)很大的不均勻性，加之附加荷載和約束條件的變化，盾構(gòu)隧道的縱向邊界條件差異很大，由此導(dǎo)致了大型跨江海盾構(gòu)法隧道的三維縱向變形特性和不均勻沉降。同時(shí)，在江水位變化時(shí)，必然導(dǎo)致隧道所受荷載變化，而隧道所處土層透水性不對(duì)水位變化反應(yīng)不一，在土層中形成不同的空隙水壓力。當(dāng)水位變化時(shí)，必將對(duì)地層和隧道產(chǎn)生不均勻沉降和變形。這將對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，最終影響隧道的長(zhǎng)期使用和營(yíng)運(yùn)[1-3]。

針對(duì)盾構(gòu)法越江隧道，有必要研究各種因素單獨(dú)及綜合作用下對(duì)其縱向不均勻沉降和變形的影響，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)類似工程提供有價(jià)值的建議[4-6]。

1 隧道工程概況

本文以南京越江隧道為依托工程，選取江中段(K5+400～K5+520)地層進(jìn)行研究分析。

隧道斷面型式為圓形，采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，全長(zhǎng)為預(yù)制混凝土管片襯砌，管片襯砌外徑為14.5m，厚度為60cm，為C60鋼筋混凝土。其橫斷面如圖1所示。注漿層厚度主要受到盾尾間隙的影響，為21.5cm。

圖1 盾構(gòu)隧道橫斷面(單位：m)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型邊界情況

本文采用大型有限差分法軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬。在進(jìn)行流固耦合分析時(shí)，考慮到盾構(gòu)隧道的實(shí)際情況，管片背后為封堵邊界[7]。

整體尺寸分別確定為：沿盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向尺寸為120m(管片每環(huán)2m，共計(jì)60環(huán)長(zhǎng)度)，沿橫向確定為135m，在垂直方向選取覆土厚度為17m的典型地段，隧道底部向下選取了45.5m，最終垂直方向總尺寸為77m，隧道整體模型如圖2所示。模型上表面為自由面，側(cè)面限制水平位移，底面限制豎向位移。

圖2 隧道整體模型

2.2 地層條件及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算模型是以南京越江盾構(gòu)隧道工程為背景，模型中地層各參數(shù)取值依據(jù)如表1所示。注漿材料按典型的雙液注漿考慮，并取其最終的彈性模量。慮到接頭對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響，采用剛度折減方法來模擬，剛度折減系數(shù)為0.7，折減后的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文以超大斷面越江盾構(gòu)隧道—南京長(zhǎng)江隧道工程為工程背景，重點(diǎn)分析了地層巖性的變化和水位變化對(duì)盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降的影響。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3.1 地層條件變化對(duì)隧道縱向影響分析

當(dāng)沿隧道縱向地層的彈性模量發(fā)生變化時(shí)，隧道地層縱向產(chǎn)生了不均勻變形。針對(duì)三種工況分析縱向地層彈性模量的變化對(duì)隧道縱向變形的影響，具體的分析工況見表2。

表2 分析工況

為了便于比較，以隧道左洞為研究對(duì)象，分析結(jié)果為左洞開挖完成后的地層沉降結(jié)果。拱頂、拱腰和拱底地層沉降縱向變化曲線如圖3～圖5所示。

圖3 拱頂?shù)貙映两悼v向變化曲線

圖4 拱腰地層沉降縱向變化曲線

圖5 拱底地層沉降縱向變化曲線

通過比較分析可知：

(1)隧道頂部和腰部地層為下沉，而隧道底部地層表現(xiàn)為隆起，并且隧道頂部地層的沉降值絕對(duì)值大于隧道腰部地層的沉降值和隧道拱底地層的隆起值的絕對(duì)值。

(2)當(dāng)沿隧道縱向地層發(fā)生變化時(shí)，三種工況下地層沉降規(guī)律相似。隧道拱頂、拱腰和拱底地層沿縱向均表現(xiàn)出顯著的不均勻沉降。在地層發(fā)生變化斷面前10m和后20m范圍內(nèi)縱向不均勻沉降變化顯著。在此區(qū)域以外地段縱向沉降變化緩和，離地層變化斷面越遠(yuǎn)縱向不均勻沉降越小。

(3)從地層沉降的值可知，當(dāng)前后兩種地層彈性模量相差越大地層縱向不均勻沉降值越大。地層前后彈性模量比值為0.75、0.5和0.25時(shí)，拱頂?shù)貙拥某两捣謩e增加了36 %、106.4 %和300 %，拱腰地層的沉降分別增加了43 %、126 %和330 %，拱底地層隆起值分別增加了21 %、69 %和246 %。

3.2 江水水位變化對(duì)隧道縱向影響分析

不同水位時(shí)，隧道所處地層滲透系數(shù)和孔隙率不同，會(huì)導(dǎo)致地層不均勻沉降和隧道結(jié)構(gòu)的不均勻變形。地勘顯示南京越江盾構(gòu)隧道歷史最低和最高水位為20m和30m。據(jù)此，具體分析工況采用20m、25m和30m三種水位。

隧道拱頂、拱腰和拱底處地層沉降曲線如圖6～圖8所示。

圖6 拱頂?shù)貙映两悼v向變化曲線

圖7 拱腰地層沉降縱向變化曲線

圖8 拱底地層沉降縱向變化曲線

通過比較分析可知：

(1)隧道頂部和腰部地層為下沉，而隧道底部地層表現(xiàn)為隆起，并且隧道頂部地層的沉降值絕對(duì)值大于隧道腰部地層的沉降值和隧道拱底地層的隆起值的絕對(duì)值。

(2)沿隧道縱向地層滲透系數(shù)和孔隙率的變化，地層縱向沉降也發(fā)生了變化。在三種不同水位工況下，地層沉降規(guī)律相似。在地層性質(zhì)變化斷面附近均發(fā)生了顯著的不均勻沉降。

(3)從地層沉降的值可知，水位越高地層的沉降值越大，地層沉降對(duì)水位的變化更加靈敏。當(dāng)水位為20m、25m和30m時(shí)，隧道拱頂?shù)貙拥淖畲蟪两抵当戎禐椋?∶1.25∶1.59，隧道拱腰地層的最大沉降值比值為1∶1.42∶1.92，拱底地層最大隆起值比值為：1∶1.08∶1.20。

(4)在隧道縱向上，水位越高地層縱向不均勻沉降越明顯。當(dāng)水位為20m、25m和30m時(shí)，隧道拱頂?shù)貙拥某两捣謩e增加了2.43cm、3.25cm和4.11cm，拱腰地層的沉降分別增加了0.62cm、0.93cm和1.28cm，拱底地層隆起值分別增加了0.3cm、0.43cm和0.5cm。

4 結(jié)論

本章依托南京越江盾構(gòu)隧道工程，采用大型有限差分程序FLAC3D，分析研究了地層條件和水位變化對(duì)越江盾構(gòu)隧道縱向變形影響，研究成果總結(jié)分述如下：

(1)沿隧道縱向地層的變化對(duì)地層縱向沉降有顯著影響，當(dāng)相鄰地層彈性模量差異越大時(shí)，地層的縱向不均勻沉降值變化越大。在地層變化斷面前10m和后20m范圍內(nèi)地層不均勻沉降最為明顯。

(2)沿隧道縱向水位變化對(duì)地層縱向沉降有顯著影響，水位越高時(shí)，地層的最大沉降值越大且縱向不均勻沉降值變化越大。