越江隧道水位变化运营期结构受力分析
时间：2022-12-07 13:30:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李大志
(南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 211156)
进入21世纪，随着我国经济的高速发展和城市化水平的提高，城市轨道交通逐渐从地上走向地下。现如今地下隧道施工方式主要以盾构施工法为主，盾构施工法具有良好的防渗漏水性等施工特点，广泛应用于城市过江隧道建设中。城市越江隧道建成后，水位变化对隧道变形、地表沉降、后期隧道加固等方面有重要影响。因此，隧道运营阶段的健康状况需要密切关注。
对于运营期的隧道内力分析的研究，仍有一些成果。张洪斌数值模拟分析岩溶高水压地区隧道的内力效应情况，得出了圆形衬砌抵抗水压能力最好；
吴世明等利用国外精密监测设备，得出了潮位变化对隧道的影响；
唐志成等对高水压下隧洞进行数值模拟，得出了在0.6～0.7 Mpa下衬砌结构的受力特征；
郑永来等对软土隧道渗漏问题进行了研究。上述研究多针对软土地区水压力对隧道盾构管片的影响，对于砂层较厚且长江水位变化较大对运营期盾构管片受力研究的较少。鉴于此，以南京某隧道管片受力情况，结合有限元模拟，分析水位变化对管片受力影响。
地铁区间顶板埋深13.5(从江底起算)～34.3 m，施工工法为盾构法。区间起讫里程右CK6+337.609～右CK9+403.350，区间全长约3 065.741 m。盾构隧道平面和地质剖面图见图1、图2。
图1 盾构隧道平面示意图Fig.1 Plan map of the shield tunnel
图2 盾构隧道地质剖面图Fig.2 Geological profile of the shield tunnel
2.1 计算模型
计算模型采用有限元软件Ansys模拟在不同水位的情况下隧道截面的受力情况。模型采用位移约束条件，两侧约束水平方向，上部和底部约束竖直方向，土、水体为无限体，取3～5倍洞径，采用摩尔库伦弹塑性模型和荷载-结构理论构建各土层及注浆层单元，衬砌管片则采用梁单元，见图3、图4。
图3 盾构隧道数值模拟Fig.3 Numerical simulation of the shield tunnel
图4 隧道截面CK7+272.44计算模型Fig.4 Calculation model of the tunnel section CK7+272.44
2.2 计算参数
(1)衬砌管片：弹性模量3×104 MPa，泊松比0.2，密度25 kN/m3。
(2)注浆体：弹性模量3.8 MPa，泊松比0.3，密度23 kN/m3，粘聚力16 KPa，内摩擦角27°。
各土层物理参数指标见表1。
表1 土体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of the soil
2.3 数值模拟方案
选取隧道截面CK7+272.44进行计算，由于土层压力保持不变，地铁运营期间，隧道衬砌主要受水压力影响，结合2020年最高水位与最低水位，见图5。计算2种工况，工况1为2020年最低水位1.05 m，工况2为2020年最高水位8.32 m。
图5 2020年水位变化图Fig.5 Changing water levels in 2020
地铁运营时，隧道衬砌管片受不同水压力作用下的轴力及弯矩分布规律大致一样，计算结果如图6、图7。根据图6(a)与图7(a)可以得出，在2种工况下隧道拱底和拱腰处弯矩大，拱顶弯矩小，隧道拱腰弯矩越靠近底部弯矩越大，拱腰底部弯矩达到最大；
隧道拱底弯矩自底部中间向两端扩大，在两端弯矩达到最大。根据图6(b)与图7(b)可以得出，隧道拱顶轴力在隧道顶部中间达到最大；
隧道拱腰弯矩越靠近底部轴力越大，拱腰轴力在拱腰底部达到最大；
隧道拱底中间位置轴力小，两边轴力大，在两端位置达到最大。
(a)弯矩图
(b)轴力图
(a)弯矩图
(b)轴力图
(1)地铁运营期间，水位越高，衬砌管片遭受内力越大。
(2)不同工况下，衬砌管片弯矩和轴力分布规律大致相同，左右拱腰和拱顶处弯矩量值相对较小，拱底处最大，轴力拱腰底部最大，应加强地铁运营期间拱底处的内力监测。
(3)地铁运营期间，隧道衬砌管片位于粉细砂地层中的断面宜加强观测，防止隧道的不均匀沉降。
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