水位和覆土厚度变化对不同形式过江隧道的影响研究

熊启东，胡俊强，何品祥

（1重庆市建筑科学研究院重庆4000202重庆市渝北区公路工程质监站重庆401120）

水位和覆土厚度变化对不同形式过江隧道的影响研究

熊启东1，胡俊强1，何品祥2

（1重庆市建筑科学研究院重庆4000202重庆市渝北区公路工程质监站重庆401120）

本文结合实际工程的设计参数及地质勘察数据，利用大型有限元软件建立模拟过江隧道开挖的数值模型，分析不同形式过江隧道在不同覆盖层厚度以及不同水位高度下的衬砌应力与隧道拱顶位移的变化规律，为类似工程设计、施工提供参考。

过江隧道；水位变化；覆土厚度；数值模拟

1 国内过江隧道建设概况

当前，社会与经济的大发展引起了日益紧张的交通压力，在地上空间得到极大开发的情况下迫切地要求我们向地下空间努力拓展。诚然，“21世纪是地下空间的时代”，为了缓解越来越突出的交通紧张状况，现在越来越多的地下交通空间得到了广泛的开发，例如地铁、地下停车场、地下街道、地下交通隧道等。而对于沿江（河）城市，为了缓解过江（河）交通压力，提高过江（河）通行速度，以加速周边辐射城市发展，过江隧道作为连接江河两岸城市的特殊桥梁而逐渐发展起来。

自上世纪70年代开始，我国有很多已建或在建的过江隧道[1]。在我国，采用盾构法施工先后建成了上海黄浦江底几条隧道[2-4]:上海打浦路越江隧道、上海延安东路隧道北线、上海延安东路隧道南线、上海大连路隧道、上海明珠线第二期越江隧道、上海复兴东路越江隧道以及四川金堂清江北河隧道过江输气管道工程、三江口过江隧道、重庆长江主航道第一条江底输气隧道、第二条江底输气隧道、重庆忠县长江隧道、重庆主城区排水过江隧道、上海崇明越江隧道、南京纬七路过江隧道、武汉长江公路过江隧道、杭州市钱塘江过江隧道、即将完工的广州仑头至生物岛过江隧道。此外，南京已经开建了第二条过江隧道(纬三路过江隧道)，广州还计划修建洛溪岛至大学城过江隧道和新造至大学城过江隧道，重庆计划修建的朝天门两江隧道等。过江隧道多采用圆形或三心圆断面形式。

在地下硐室或隧道规模不断扩大、平面布置愈加复杂化、内部配套设施越来越多的今天，围岩稳定性依然是目前一个综合性的土木工程难题。迄今为止，这一问题一直没有得到很好解决，其工程设计必要的计算分析尚不能准确得出定量的结果。过江隧道穿越岩（土）层多，隧道沿线在穿越过程中，土压力、水压力均变化大，对隧道围岩稳定性产生影响，使工程建设难度增大，易产生事故。本文将对不同地质条件下，不同形式的过江隧道，利用大型有限元软件ANSYS进行数值分析，研究不同水位变化和覆土层厚度变化对于过江隧道的影响。

2 水位和覆土厚度对三心圆断面过江隧道影响研究

对于过江地下隧道，研究重点一般放在对围岩承载能力的研究上。本节分析重庆朝天门两江隧道（规划中）在不同上覆岩层条件下和上覆水体水位变化过程中的应力应变规律。

2.1 工程概况及参数选择

《重庆市城市总体规划（2005-2020年）》中，朝天门两江隧道是构成CBD的解放碑、江北城、弹子石三个地区之间的内部通道，同时将主城区的核心区域（解放碑、朝天门、江北城、南岸弹子石）有机连接起来。隧道路线总体平面布置三路立体交叉，分别由嘉陵江隧道、长江隧道和望龙门隧道三座隧道组成,其中嘉陵江隧道连接江北城和渝中半岛；长江隧道连接渝中半岛和南岸弹子石；望龙门隧道为江北城和南岸弹子石车辆进入渝中半岛的出入口隧道，三座隧道于朝天门地下交汇，于交汇处设地下互通式立交。

两江隧址区出露地层为第四系全新统人工填土(Q4m1）、残坡积层(Q4e1+d1)及侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)，其中以J2s的部分砂、泥岩地层为主。区内砂岩体一般厚度为9.0～21.0m，个别层位可达30.0m左右，全区砂岩体与砂质泥岩、泥岩的总厚度比例为1∶9左右。重庆朝天门两江隧道围岩级别主要以Ⅳ级围岩为主，占95%左右，局部较坚硬岩组地段属Ⅲ级围岩，占5%左右[5]。

图1 水深15m、埋深35m时隧道计算模型

朝天门两江隧道方案采用城市主干道Ⅰ级标准，设计车速50km/h。两江隧道均由双洞双向6车道组成，其单向3车道设计通行能力4860辆/h。隧道模型主通道采用三车道，最大毛洞跨度B=14.58m，高度为10.0m，初期支护混凝土厚20mm，锚杆长4m，直径24mm，纵向间距1m，环向间距1m，为采用等效加固圈模拟锚杆加固方式，各种材料具体计算参数如表1所示。

2.2 模型的建立及工况选择

根据重庆朝天门两江隧道规划设计参数，隧道围岩模拟采用平面plane42实体单元，衬砌管片采用平面beam3梁单元。计算时围岩使用弹塑性本构关系，屈服准则为DP(Drucke-Prager)准则。边界条件的确定严格按照隧道力学理论分析结果，考虑边界效应，隧道的左右边界选取到4倍主洞洞宽，上部为自由界面，最浅处埋深为35m，下部取到3.5倍洞径，左右边界约束水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为自由边界，不做约束处理。数值分析过程中通过一次性“杀死”（ekill）需要开挖的（岩）土体单元来实现隧道的全断面开挖。

根据重庆交通科研设计院《重庆两江隧道工程预可行性研究报告》及相关的江底地形图和工程地质纵断面图得知，朝天门过江隧道越江段江底最低高程为142.0m，朝天门枯水季节长江水位在164.0m左右，丰水期按照三峡水库设计最高水位取175.0m（目前长江水位最高达到171.0m）。即两江隧道水深为：22m～29m。为考虑不同水深和覆土厚度条件下的隧道稳定性，此处分多组情况进行了数值模拟。其中，水位高度分15m，20m，25m，30m四种，覆土厚度取5m，15m，25m，35m，45m五种。依据不同的水深与覆土厚度分别建模，最后对结果对比分析。计算模型如图1所示。

表1 围岩力学参数

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 围岩内力分析

过江隧道围岩内力随着水位高度与覆土厚度的变化而变化，承受的内力主要是压应力，个别部位会存在拉应力，但数值相对较小。最大主应力主要反映出现的拉应力区域，最小主应力主要反映压应力集中的区域。图2、图3分别为5m，15m，25m，35m，45m五种覆土厚度情况下，隧道最大主应力和最小主应力随着水位高度的变化曲线。

图2 隧道最大主应力变化曲线

图3 隧道最小主应力变化曲线

图4 埋深35m、水位高15m隧道最大主应力云图

图5 埋深35m、水位高15m隧道最小主应力云图

经分析对比得出：

（1)同一覆土厚度下，隧道最大主应力和隧道最小主应力均随着水位高度的升高而增大；同一水位高度下，隧道最大主应力和隧道最小主应力均随着覆土厚度的增大而增大。

（2）最大主应力的最大值出现在埋深45m水位高度30m处，其值为0.70MPa。最小主应力的最大值出现在埋深5m水位高度15m处，其绝对值最大值出现在埋深45m水位高度30m处，其值为7.10MPa。

（3）最大主应力最大值出现在圆形隧道的拱脚，呈左右对称分布，其余部位均未出现拉应力。最小主应力最大值出现在隧道两侧拱腰部位，最小值出现在拱顶和拱底两侧，呈左右对称分布。

2.3.2 隧道围岩位移与变形分析

图6、图7为5m，15m，25m，35m，45m五种覆土厚度情况下，隧道拱顶X、Y方向最大位移Ux、Uy随着水位高度的变化曲线。

图6 Ux变化曲线图

图7 Uy变化曲线图

图8 埋深35m、水位高度15m时，X方向位移云图

图9 埋深35m、水位高度15m时，Y方向位移云图

经分析对比得出：

（1)同一覆土厚度条件下，Ux、Uy随着水位高度的升高而增大；同一水位高度条件下，Ux、Uy随着覆土厚度的增大呈现先减小而后增大的现象。X、Y方向的位移Ux、Uy的最大值均埋深45m、水位高度30m处，其值分别为0.72mm、3.20mm。

（2)Ux呈左右对称分布，最大值出现在隧道的拱腰部位，呈椭圆形向外依次减小。Uy亦呈现左右对称分布。隧道影响范围以外的区域（大约2～3倍直径范围）位移呈层状分布，影响范围以内区域隧道开挖引起洞顶上部下沉，拱底下部反弹，从而产生较大的Y方向位移。

（3)当水位高度30m埋深45m时，隧道变形最大。隧道开挖之后，隧洞顶对应地表处向下沉降深度最大，向两侧依次减小。与之对应的隧道洞顶处围岩沉降变形最大，极端情况下会有拉裂纹产生，可能由此产生破坏。衬砌在较大水、土压力作用下，在洞顶和洞底处会产生较大拉应力，拱腰产生较大压应力，引起隧道拱腰处较大变形。

3 水位和覆土厚度对圆形过江隧道影响研究

3.1 过江隧道工程概况及参数选择

武汉长江隧道工程是万里长江首条跨江公路交通隧道。隧道设计为双孔四车道，盾构隧道段长度为2550m，管片外径11.0m，内径10.0m，厚度0.5m。隧道所处地层砾砂和卵石层为主，盾构到达段最小埋深6.9m；江中段隧道最大埋深21.3m，地层渗透性强，水压高，断面最大水压达0.57MPa。隧址区长江段水下地层上部由第四系全新统新近沉积松散粉细砂，中粗砂组成，隧道穿过地层位于中部粉细砂层[6]。各砂石层材料参数见表2。盾构衬砌管片支护参数见表3。

表2 围岩力学参数

表3 衬砌管片材料参数

3.2 过江隧道模型建立

根据武汉长江隧道设计参数，围岩与衬砌管片参数采用表2、表3中参数。隧道围岩模拟采用平面plane42实体单元，衬砌管片采用平面beam3梁单元。计算时围岩使用弹塑性本构关系，屈服准则为DP(Drucke-Prager)准则。隧道左右计算范围取5倍的洞径，底部取4倍的洞径，隧道边界采用法向约束，上边界为自由边界，不做约束处理。分析过程中通过一次性“杀死”需要开挖的岩（土）体单元来实现盾构机一次全断面开挖。同时，激活周边的梁单元来模拟隧道衬砌管片。

为了考虑不同水深和覆土厚度条件下的隧道稳定性，本次数值模型分多组情况进行。水深分20m、30m、40m、50m、60m五种，覆土厚度取5m、10m、15m、20m、25m五种。依据不同的水深与覆土厚度分别建模进行计算，最后对计算结果进行对比分析。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 围岩内力变化规律研究

过江隧道围岩内力随着水位高度与覆土厚度的变化而变化，承受的内力主要是压应力，个别部位会存在拉应力，但数值相对较小。图11、图12为5m、10m、15m、20m、25m五种覆土厚度情况下，隧道最大主应力和最小主应力随着水位高度的变化曲线。

图10 隧道埋深20m时隧道计算模型图

图11 隧道最大主应力变化曲线

图12 隧道最小主应力变化曲线

经分析对比得出：

（1)同一覆土厚度下，隧道最大主应力随着水位高度的升高有逐渐增大的趋势，而隧道最小主应力随着水位高度的升高却有逐渐减小的趋势；同一水位高度下，隧道最大主应力和最小主应力均随着覆土厚度的增加而有逐渐减小趋势，但减小幅度略有不同。

（2)最大主应力的最大值出现在埋深5m水位高度60m处，其值为0.184Mpa；最小主应力的最大值出现在埋深5m水位高度20m处，其绝对值最大值出现在埋深25m水位高度60m处，其值为3.210MPa。

（3)隧道最大主应力为拉应力，最大值出现在圆形隧道的拱顶，拱底处也存在拉应力，但数值较拱顶处偏小，呈左右对称分布，其余部位均未出现拉应力。最小主应力为压应力，其最大值出现在隧道两侧拱腰部位，最小值出现在拱顶和拱底两侧，呈左右对称分布。

3.3.2 围岩与衬砌位移与变形规律

图13、图14所示分别为5m、10m、15m、20m、25m四种覆土厚度情况下，隧道X、Y方向最大位移随着水位高度的变化曲线。

图13 Ux变化曲线图

图14 Uy变化曲线图

经分析对比得出：

（1）同一覆土厚度下，Ux、Uy均随着水位高度的升高而增大；同一水位高度下，Ux、Uy均随着覆土厚度的增大而增大，但是增幅却随覆土厚度增加而有所减缓。

（2）Ux、Uy均呈左右对称分布，Ux最大值出现在圆形隧道的拱腰部位，呈椭圆形向外依次减小。Uy最大值出现在拱顶的地表处。位移均匀层状分布，隧道开挖引起洞顶上部下沉，拱底下部反弹，从而产生较大的Y方向位移。

4 结论

本文通过对不同水位和不同覆土厚度条件下，对不同形式的过江隧道的数值模型进行计算分析，得出如下结论：

（1）由以上对比分析可知：圆形隧道与三心圆隧道两者对应的应力位移及变形规律基本上是保持一致的。如：同一覆土厚度下，隧道最大主应力和最小主应力均随着水位高度的升高有逐渐增大的趋势。

（2）隧道最大主应力在圆形隧道的拱顶与拱底均有出现，而三心圆隧道中只出现在隧道的拱脚，三心圆隧道在拱顶与拱底出现了纯拉应力区，而圆形隧道未出现。

（3）在位移方面，由于朝天门两江隧道岩性较好，导致竖向变形较小。随着水位高度与覆土厚度的增大，位移均呈现增大趋势，但是圆形隧道x向位移增大趋势随覆土厚度和水位高度的增大而有所减缓；三心圆隧道x向位移增大趋势随覆土厚度和水位高度的增大无减缓趋势。

本文仅考虑水位为某一特定值，未考虑水的渗流作用，对于其他情况，可以根据本文的计算方法作进一步的探讨。

[1]杨红禹，周建民.论我国过江隧道的发展[J].地下空间，2000，20.

[2]刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1991.

[3]土木学会.隧道标准规范（盾构篇）及解说［M］.朱伟，译.北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4]姜天华，刘玲丽.武汉过江新通道探讨[J].武汉交通管理干部学院学报，2002，4.

[5]王秉才.重庆朝天门两江隧道地下立交方案及其优化研究[D].重庆:重庆大学，2008，06.

[6]何川，张建刚，杨征.层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究[J].岩土工程学报，2008，10.

[7]黄清飞，袁大军，王梦恕.水位对盾构隧道管片结构内力影响研究[J].岩土工程学报，2008，08.

[8]钟祖良，刘新荣，王婷.重庆朝天门两江隧道工程可行性探讨[J].现代隧道技术，2007，06.

责任编辑：余咏梅

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

重庆市建设科技项目（城科字2005第（29）号）

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.11.001

2010-7-2

熊启东（1972-），男，博士，高级工程师。主要从事岩土工程研究。