越江隧道水位變化結構受力模擬分析

胡金鑫 馬姜悅 王玉馨 李大志

摘 要：越江隧道開通運營后常年受河床上部的水壓力影響，而隧道運營期健康狀況尤為重要，文中以南京地鐵四號線盾構隧道為研究背景，采用數值模擬的方法，選取2020年最高水位與最低水位，得出了運營期隧道受力情況。數值模擬研究表明，隧道拱底兩端軸力與彎矩最大，應加強對底部兩端的觀察監測。

關鍵詞：越江隧道;水位;數值模擬

0 引言

隨著經濟的發展，交通系統不再局限于地面，地下隧道的比重也越來越大。現如今地下隧道施工方式主要以盾構施工法為主，盾構施工法具有良好的防滲漏水性、施工安全、對周圍環境影響小等施工特點，廣泛應用于城市跨江隧道建設中。城市越江隧道建成后，常年受水壓力影響，水位變化導致隧道受力忽大忽小，對隧道變形、地表沉降、后期隧道加固等方面有重要影響。因此，隧道運營階段的健康狀況需要密切關注。

對于水位影響隧道運營階段出現的問題，相關的研究較少，但對于運營期的隧道內力分析的研究，仍有一些成果。唐晶[1]采用ABAQRS三維實體模擬分析明挖法隧道的內力效應情況，得出了在隧道承載能力極限狀態下的內力效應，為明挖法隧道運營期安全評估提供了依據。王湛[2]等采用國外先進儀器對隧道沉降、變形進行了監測，得出了潮位變化對隧道的影響。唐志成[3]等對高水壓下隧洞采用有限元軟件ANSYS對隧道內力進行模擬，得出了在0.7 MPa下結構的受力特征。

基于以上成果，我們將采用數值模擬的研究方法，運用有限元軟件ANSYA對南京地鐵四號線2期過江段截面進行數值模擬，分析該過江地鐵隧道運營期受水位變化的變形情況。

1 工程概況

南京地鐵四號線2期濱江站-江心洲中間風井區間出濱江站后沿定山大街東南方向布設，穿越長江主航道、潛洲、梅子洲錨地進入江心洲。區間頂板埋深13.5 m（從江底起算）～34.3 m，施工工法為盾構法，圓形盾構外徑11.3 m，內徑10.2 m。區間起訖里程右CK6+337.609～右CK9+403.350，區間全長約3 065.741 m。圖1為平面布置圖。

2 物理模型建立與參數選取

2.1 物理模型建立

由于模擬隧道截面圖，選取土層最薄的越江隧道截面，結構簡單，采用有限元軟件ANSYS分析在不同水位的情況下隧道截面的受力情況。數值模擬隧道截面計算范圍為：垂直方向上部為隧道上覆巖圖層，即隧道頂部至河床底部的長度;下部沿隧道底部取向下3～5倍洞涇。模型共劃分為24個節點，7個襯砌支護關鍵點，15個彈簧單元，采用軟件內部線彈性模型，具有各向同性彈性，襯砌管片采用梁單元，如圖2所示。

2.2 參數賦值

根據地質勘查報告，對物理模型中各計算參數進行賦值如下。

襯砌管片：彈性模量3*107 Pa，泊松比0.2 ，密度

25 kN/m3，重力9.8 m/s2。

2.3 參數選取

施加荷載采用水土分算。獲取得到2020年每月某天11時最高水位與最低水位，如圖3。選取兩種工況，進行分析模擬，分別為：工況1為2020年1月最低水位1.09 m，工況2為2020年7月最高水位8.26 m。土體統一選取隧道截面CK7+272.44處土層，如圖4。土體計算參數如表1。

3 計算結果分析

同一土層地質條件，在工況1和工況2條件下，軸力圖與彎矩圖大體一樣，計算結果如圖5、圖6。根據圖5（a）與圖6（a）可以得出，在兩種工況下隧道拱底和拱腰處彎矩大，拱頂彎矩小，隧道拱腰彎矩越靠近底部彎矩越大，拱腰底部彎矩達到最大;隧道拱底彎矩自底部中間向兩端擴大，在兩端彎矩達到最大。根據圖5（b）與圖6（b）可以得出，隧道拱頂軸力在隧道頂部中間達到最大;隧道拱腰彎矩越靠經底部軸力越大，拱腰軸力在拱腰底部達到最大;隧道拱底中間位置軸力小，兩邊軸力大，在兩端位置達到最大。

4 結論

（1）隧道截面在不同水位的影響下，截面變形情況大體相同，最大變形位置位于隧道截面底部兩端，后期如需對隧道進行加固，可以著重對隧道截面兩端進行加固。

（2）工況1與工況2兩者水位差有7.17 m，最大軸力相差0.2 MPa，最大彎矩相差0.3 MPa。兩種工況軸力與彎矩的差值，不容忽略，隧道開通運營過程中，仍需加強對隧道關鍵節點的監測。

參考文獻：

[1]唐晶.明挖隧道結構運營期的內力效應分析[D].浙江大學，2016.

[2]吳世明，王湛，王立忠.大斷面過江隧道運營期受力變形健康監測分析[J].浙江大學學報（工學版），2013，47（4）：595-601+608.

[3]何川，唐志成，林剛，等.高水壓越江隧洞施工及運營期間結構受力分析[J].現代隧道技術，2005（5）：40-44.