地铁盾构隧道越江段洪汛期仿真模拟

李大志 马姜悦 胡金鑫

（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 210000）

0 引言

随着经济高速的发展，地面交通运输系统已经远远满足不了需求，人们逐渐向“上天入地”发展，过江水下隧道就是“地”的一种。近年来，过江隧道的迅速发展，而水压力和土压力是影响过江隧道的重要因素，水文气候对水下隧道应力变化是一个值得探讨的问题。目前许多学者对水压力影响水下隧道进行了许多研究，陈路海[1]、张雨[3]、李策[2]、路开道[4]、李雪[5]都对盾构隧道水土压力及管片内力进行了研究。但对总应力（土压力、水压力及孔隙水压力之和）对隧道盾构管片的影响，目前研究的较少。因此，本文将以南京某过江盾构隧道为例，采用有限元分析软件ANSYS，对长江洪汛期总应力变化对隧道内部受力变形的影响进行分析。

1 工程概况

南京地铁某区间下穿长江，属于典型的富水区段，该区间采用土压平衡盾构法施工，设计隧道盾构外径11.3m，内径10.2m，隧道采用预制 C60 混凝土管片，管片宽度2m，厚度0.5m，区间起讫里程右CK7+030.000～右CK7+730.000，区间全长约700m，盾构隧道剖面见图1。

图1 盾构隧道剖面图（单位：m）

2 模型及参数

2.1 计算模型

由于盾构隧道越江段长度较长，沿隧道纵向地层变形变化复杂，故使用ANSYS 软件建模进行数值模拟时将工区分为两段。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，土体和水体为无限体，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，如图2。

图2 三维数值模拟

2.2 参数赋值

1） 衬砌管片：弹性模量3x104MPa，泊松比0.2，密度25Kn/m3。

2） 注浆体：弹性模量3.8MPa，泊松比0.3，密度23Kn/m3，粘聚力16KPa，内摩擦角27°[1]。

各地层物理参数值见表1。

表1 土体物理力学参数

2.3 数值模拟方案

隧道衬砌受总应力影响，计算2 个工况：工况1 的主要荷载为总应力，水位为历史最高水位10.3m，工况2 的主要荷载为总应力，水位为历史最低水位0.64m。在工况一和工况二的情况下，总应力随隧道掘进长度的变化如图3 和图4 所示。

图3 工况一 总应力分析结果

图4 工况二 总应力分析结果

从图3 和图4 可以得到，两种工况下每个区段内，总应力沿隧道断面环向分布中，左右拱腰总应力差别不大，量值最小；拱底处最大，拱顶处量值居中。两种工况下，同一掘进深度下，西岸段拱底的总应力比拱顶的总应力平均增大0.31MPa，是两腰的总应力的2 倍；东岸段拱底的总应力比拱顶的总应力平均增大0.26MPa，是两腰的总应力的2.1 倍。

根据上述分析，西岸段拱顶和两腰位于粉细砂层内，拱底位于圆砾层内，粉细砂地层的渗透系数小于圆砾层的渗透系数，隧道掘进引起的孔隙水压力变化复杂，波动较大，导致总应力变化随之变化；东岸段，隧道整体处于卵砾石层，地层的渗透系数变化小，因此孔隙水压力数值稳定，总应力的变化波动较小。

同一掘进深度，沿隧道环向总应力工况一比工况二大，但同一工况下，隧道拱底、拱顶和两腰的差值变化不大。

3 计算结果分析

盾构隧道施工完毕，选取隧道左线里程右CK7+180.00 处断面为研究对象，分析对比两种工况下管片的内力分布云图，如图5。

图5 隧道开挖后左线管片轴力图（KPa）

由图5 分析可知，隧道衬砌管片的轴力受不同总应力作用下分布规律大致一样，且均为压应力，轴力最大值分布在隧道衬砌管片的拱顶、拱顶两侧上方，轴力最小值分布在隧道衬砌管片的拱底及拱底两侧下方，同时，总应力越大，隧道衬砌管片的轴力相对较大。

4 结论

为使得南京长江盾构隧道越江段在长江洪汛期下的高效率施工、安全掘进，本次对其开挖掘进过程中受到的总应力进行数值模拟分析，从而得到下面结论：

（1）同一掘进深度，不同工况下，总应力沿隧道断面环向分布规律大致相同，左右拱腰总应力差别不大，量值最小；拱顶处量值居中，拱底处最大。

（2）盾构隧道的埋深和地层的渗透系数影响着总应力的分布，渗透系数相差越大，引起总应力的波动越大，反之，总应力的波动较小。在实际的开挖掘进过程中，应重点监测隧道拱底和拱顶总应力变化，防治冒顶和突涌冒水冒砂事故的发生。

（3）长江洪汛期间，水位越高，越江段隧道衬砌管片受到的内力就越大，两者是正相关，因此，要根据隧道开挖掘进的实际情况对管片进行配筋计算和设计。