水位和覆土厚度變化對不同形式過江隧道的影響研究

熊啟東，胡俊強，何品祥

（1重慶市建筑科學研究院重慶4000202重慶市渝北區公路工程質監站重慶401120）

水位和覆土厚度變化對不同形式過江隧道的影響研究

熊啟東1，胡俊強1，何品祥2

（1重慶市建筑科學研究院重慶4000202重慶市渝北區公路工程質監站重慶401120）

本文結合實際工程的設計參數及地質勘察數據，利用大型有限元軟件建立模擬過江隧道開挖的數值模型，分析不同形式過江隧道在不同覆蓋層厚度以及不同水位高度下的襯砌應力與隧道拱頂位移的變化規律，為類似工程設計、施工提供參考。

過江隧道；水位變化；覆土厚度；數值模擬

1 國內過江隧道建設概況

當前，社會與經濟的大發展引起了日益緊張的交通壓力，在地上空間得到極大開發的情況下迫切地要求我們向地下空間努力拓展。誠然，“21世紀是地下空間的時代”，為了緩解越來越突出的交通緊張狀況，現在越來越多的地下交通空間得到了廣泛的開發，例如地鐵、地下停車場、地下街道、地下交通隧道等。而對于沿江（河）城市，為了緩解過江（河）交通壓力，提高過江（河）通行速度，以加速周邊輻射城市發展，過江隧道作為連接江河兩岸城市的特殊橋梁而逐漸發展起來。

自上世紀70年代開始，我國有很多已建或在建的過江隧道[1]。在我國，采用盾構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、上海復興東路越江隧道以及四川金堂清江北河隧道過江輸氣管道工程、三江口過江隧道、重慶長江主航道第一條江底輸氣隧道、第二條江底輸氣隧道、重慶忠縣長江隧道、重慶主城區排水過江隧道、上海崇明越江隧道、南京緯七路過江隧道、武漢長江公路過江隧道、杭州市錢塘江過江隧道、即將完工的廣州侖頭至生物島過江隧道。此外，南京已經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。過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模不斷擴大、平面布置愈加復雜化、內部配套設施越來越多的今天，圍巖穩定性依然是目前一個綜合性的土木工程難題。迄今為止，這一問題一直沒有得到很好解決，其工程設計必要的計算分析尚不能準確得出定量的結果。過江隧道穿越巖（土）層多，隧道沿線在穿越過程中，土壓力、水壓力均變化大，對隧道圍巖穩定性產生影響，使工程建設難度增大，易產生事故。本文將對不同地質條件下，不同形式的過江隧道，利用大型有限元軟件ANSYS進行數值分析，研究不同水位變化和覆土層厚度變化對于過江隧道的影響。

2 水位和覆土厚度對三心圓斷面過江隧道影響研究

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。本節分析重慶朝天門兩江隧道（規劃中）在不同上覆巖層條件下和上覆水體水位變化過程中的應力應變規律。

2.1 工程概況及參數選擇

《重慶市城市總體規劃（2005-2020年）》中，朝天門兩江隧道是構成CBD的解放碑、江北城、彈子石三個地區之間的內部通道，同時將主城區的核心區域（解放碑、朝天門、江北城、南岸彈子石）有機連接起來。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，于交匯處設地下互通式立交。

兩江隧址區出露地層為第四系全新統人工填土(Q4m1）、殘坡積層(Q4e1+d1)及侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)，其中以J2s的部分砂、泥巖地層為主。區內砂巖體一般厚度為9.0～21.0m，個別層位可達30.0m左右，全區砂巖體與砂質泥巖、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別主要以Ⅳ級圍巖為主，占95%左右，局部較堅硬巖組地段屬Ⅲ級圍巖，占5%左右[5]。

圖1 水深15m、埋深35m時隧道計算模型

朝天門兩江隧道方案采用城市主干道Ⅰ級標準，設計車速50km/h。兩江隧道均由雙洞雙向6車道組成，其單向3車道設計通行能力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，初期支護混凝土厚20mm，錨桿長4m，直徑24mm，縱向間距1m，環向間距1m，為采用等效加固圈模擬錨桿加固方式，各種材料具體計算參數如表1所示。

2.2 模型的建立及工況選擇

根據重慶朝天門兩江隧道規劃設計參數，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關系，屈服準則為DP(Drucke-Prager)準則。邊界條件的確定嚴格按照隧道力學理論分析結果，考慮邊界效應，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。數值分析過程中通過一次性“殺死”（ekill）需要開挖的（巖）土體單元來實現隧道的全斷面開挖。

根據重慶交通科研設計院《重慶兩江隧道工程預可行性研究報告》及相關的江底地形圖和工程地質縱斷面圖得知，朝天門過江隧道越江段江底最低高程為142.0m，朝天門枯水季節長江水位在164.0m左右，豐水期按照三峽水庫設計最高水位取175.0m（目前長江水位最高達到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定性，此處分多組情況進行了數值模擬。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。依據不同的水深與覆土厚度分別建模，最后對結果對比分析。計算模型如圖1所示。

表1 圍巖力學參數

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1 圍巖內力分析

過江隧道圍巖內力隨著水位高度與覆土厚度的變化而變化，承受的內力主要是壓應力，個別部位會存在拉應力，但數值相對較小。最大主應力主要反映出現的拉應力區域，最小主應力主要反映壓應力集中的區域。圖2、圖3分別為5m，15m，25m，35m，45m五種覆土厚度情況下，隧道最大主應力和最小主應力隨著水位高度的變化曲線。

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

圖4 埋深35m、水位高15m隧道最大主應力云圖

圖5 埋深35m、水位高15m隧道最小主應力云圖

經分析對比得出：

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

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

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

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，X方向位移云圖

圖9 埋深35m、水位高度15m時，Y方向位移云圖

經分析對比得出：

（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先減小而后增大的現象。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呈左右對稱分布，最大值出現在隧道的拱腰部位，呈橢圓形向外依次減小。Uy亦呈現左右對稱分布。隧道影響范圍以外的區域（大約2～3倍直徑范圍）位移呈層狀分布，影響范圍以內區域隧道開挖引起洞頂上部下沉，拱底下部反彈，從而產生較大的Y方向位移。

（3)當水位高度30m埋深45m時，隧道變形最大。隧道開挖之后，隧洞頂對應地表處向下沉降深度最大，向兩側依次減小。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生，可能由此產生破壞。襯砌在較大水、土壓力作用下，在洞頂和洞底處會產生較大拉應力，拱腰產生較大壓應力，引起隧道拱腰處較大變形。

3 水位和覆土厚度對圓形過江隧道影響研究

3.1 過江隧道工程概況及參數選擇

武漢長江隧道工程是萬里長江首條跨江公路交通隧道。隧道設計為雙孔四車道，盾構隧道段長度為2550m，管片外徑11.0m，內徑10.0m，厚度0.5m。隧道所處地層礫砂和卵石層為主，盾構到達段最小埋深6.9m；江中段隧道最大埋深21.3m，地層滲透性強，水壓高，斷面最大水壓達0.57MPa。隧址區長江段水下地層上部由第四系全新統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[6]。各砂石層材料參數見表2。盾構襯砌管片支護參數見表3。

表2 圍巖力學參數

表3 襯砌管片材料參數

3.2 過江隧道模型建立

根據武漢長江隧道設計參數，圍巖與襯砌管片參數采用表2、表3中參數。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關系，屈服準則為DP(Drucke-Prager)準則。隧道左右計算范圍取5倍的洞徑，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。分析過程中通過一次性“殺死”需要開挖的巖（土）體單元來實現盾構機一次全斷面開挖。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定性，本次數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。依據不同的水深與覆土厚度分別建模進行計算，最后對計算結果進行對比分析。

3.3 計算結果及分析

3.3.1 圍巖內力變化規律研究

過江隧道圍巖內力隨著水位高度與覆土厚度的變化而變化，承受的內力主要是壓應力，個別部位會存在拉應力，但數值相對較小。圖11、圖12為5m、10m、15m、20m、25m五種覆土厚度情況下，隧道最大主應力和最小主應力隨著水位高度的變化曲線。

圖10 隧道埋深20m時隧道計算模型圖

圖11 隧道最大主應力變化曲線

圖12 隧道最小主應力變化曲線

經分析對比得出：

（1)同一覆土厚度下，隧道最大主應力隨著水位高度的升高有逐漸增大的趨勢，而隧道最小主應力隨著水位高度的升高卻有逐漸減小的趨勢；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有逐漸減小趨勢，但減小幅度略有不同。

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

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

3.3.2 圍巖與襯砌位移與變形規律

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

經分析對比得出：

（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均呈左右對稱分布，Ux最大值出現在圓形隧道的拱腰部位，呈橢圓形向外依次減小。Uy最大值出現在拱頂的地表處。位移均勻層狀分布，隧道開挖引起洞頂上部下沉，拱底下部反彈，從而產生較大的Y方向位移。

4 結論

本文通過對不同水位和不同覆土厚度條件下，對不同形式的過江隧道的數值模型進行計算分析，得出如下結論：

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

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

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

本文僅考慮水位為某一特定值，未考慮水的滲流作用，對于其他情況，可以根據本文的計算方法作進一步的探討。

[1]楊紅禹，周建民.論我國過江隧道的發展[J].地下空間，2000，20.

[2]劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.

[3]土木學會.隧道標準規范（盾構篇）及解說［M］.朱偉，譯.北京：中國建筑工業出版社，2001.

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[6]何川，張建剛，楊征.層狀復合地層條件下管片襯砌結構力學特征模型試驗研究[J].巖土工程學報，2008，10.

[7]黃清飛，袁大軍，王夢恕.水位對盾構隧道管片結構內力影響研究[J].巖土工程學報，2008，08.

[8]鐘祖良，劉新榮，王婷.重慶朝天門兩江隧道工程可行性探討[J].現代隧道技術，2007，06.

責任編輯：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

重慶市建設科技項目（城科字2005第（29）號）

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.11.001

2010-7-2

熊啟東（1972-），男，博士，高級工程師。主要從事巖土工程研究。