越江隧道縱向變形數值分析

曾俊 趙冊 ，西南交通大學土木工程學院；，西南交通大學環境科學與工程學院

越江隧道縱向變形數值分析

曾俊1趙冊21，西南交通大學土木工程學院；2，西南交通大學環境科學與工程學院

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。結果表明，隧道在加載情況下縱向成V形下沉，均質軟土中在加載中心沉降量達到最大，軟硬交界土中在交界處沉降量達到最大，軟硬交界土中的最大沉降量相對均質軟土的明顯減少；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的發展，出現了如武漢長江隧道，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粘土層、淤泥質土層、粉土層、粉細砂層等軟弱地層，在軟土地層中，河床出現淤積或者被沖刷都將對隧道縱向沉降產生影響。

對于隧道縱向問題，國內外學者進行了大量研究。以志波由紀夫及川島一彥[1]為代表的等效軸向剛度模型，認為隧道在橫向為一均質圓環、在縱向以剛度等效的方法將有環向接縫非連續的結構等效為連續均質圓筒，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，只有襯砌環產生壓縮變形，可得到隧道的壓縮變形，容易反算出相應等效連續梁的抗壓剛度；在軸向拉力作用下，襯砌環和接頭共同承受拉力，分別根據管片和接頭的力學性質可計算出其拉伸變形，即可通過隧道總變形反算出相應等效連續梁的抗拉剛度；同理，計算出襯砌環和螺栓在彎矩作用下的曲率后即可得到等效連續梁的抗彎剛度。得到以上剛度后，即可把盾構法隧道簡化成具有等效剛度的均勻連續梁，和普通的連續地下管線類似，再進一步模擬成彈性地基上的連續梁。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生的原因。林永國等(2000)[3]以及黃宏偉、臧小龍(2002)[4]結合工程實際，分析隧道縱向沉降產生的原因和機理，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生縱向不均勻沉降的最重要因素。Wooi Leong Tan等(2003)[5]總結軟土地層橫向、縱向、側向位移變化的研究進展，在提到縱向沉降時，文中說，隧道工作面上方地表沉降數值為其橫向最大沉降的一半，此外，文中還給出了計算沿隧道軸線方向縱向地表沉降數值的一個經驗公式。

本文采用大型商用有限元軟件ANSYS對盾構隧道，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行數值模擬。

2、計算模型

2.1 建模

取盾構隧道直徑10.8 m，管片厚50cm，經驗公式表明，影響圍巖的變形范圍為洞室寬度的3～5倍，這里取水平面內垂直隧道軸線方向寬度為75.6m，向下取48.35m，向上取18.15m，軸線方向長100m。圍巖、襯砌均采用8節點的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。按彈性力學分析，整個隧道為橫觀各向異性彈性體，隧道襯砌的具體參數見表1。周圍巖體按均質、各向同性的線彈性理想塑性體進行有限元分析與計算，并且服從Drucker-Prager屈服準則，同時在屈服期間允許材料發生體積膨脹，具體的物理力學參數如表2所示。均質軟土中的計算網格如圖1所示，軟硬交界中的計算網格如圖2所示。

表1 隧道襯砌的力學參數

表3 計算工況

表2 土體圍巖力學參數

圖1 模型和有限元網格劃分

圖2 模型和有限元網格劃分

2.2 計算工況

本次計算共分7種工況進行，具體見表3所示。

2.3 計算結果

2.3.1 隧道在不同土質、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（約計算軸線長的1/2）為其主要影響區域。在此區域之外，隧道微向上隆起，并逐步收斂趨于穩定。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，均質軟土中，隧道最大沉降出現在加載中心，且兩邊對稱收斂；軟硬交界土中，隧道最大沉降出現在軟硬交界面上并偏于軟土側，且軟土側收斂緩慢，硬土側收斂較快。

圖3 均質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可以發現，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

在隧道內部施加30mm厚的二次襯砌C30，計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可以發現，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、結論

通過數值計算可以得到以下結論：

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計法[J].土木技術資料, 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律分析.上海地質.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.盾構隧道縱向變形性態研究分析.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；數值分析

U 4 5

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