越江隧道纵向变形数值分析

曾俊 赵册 ，西南交通大学土木工程学院；，西南交通大学环境科学与工程学院

越江隧道纵向变形数值分析

曾俊1赵册21，西南交通大学土木工程学院；2，西南交通大学环境科学与工程学院

通过有限元分析研究了越江隧道不同地层中、不同加载和有无二衬情况下的纵向沉降。结果表明，隧道在加载情况下纵向成V形下沉，均质软土中在加载中心沉降量达到最大，软硬交界土中在交界处沉降量达到最大，软硬交界土中的最大沉降量相对均质软土的明显减少；施加二衬能减少变形。

cross-river tunnel; vertical deformation; numerical analysis

1、前言

随着交通需求量的日益增大和隧道修建技术的发展，出现了如武汉长江隧道，上海长江隧道，广深高速铁路狮子洋隧道等大量越江隧道，还有目前在修建厦门翔安和青岛胶州湾隧道这2座海底隧道。这些隧道通常需穿越粉质粘土层、淤泥质土层、粉土层、粉细砂层等软弱地层，在软土地层中，河床出现淤积或者被冲刷都将对隧道纵向沉降产生影响。

对于隧道纵向问题，国内外学者进行了大量研究。以志波由纪夫及川岛一彦[1]为代表的等效轴向刚度模型，认为隧道在横向为一均质圆环、在纵向以刚度等效的方法将有环向接缝非连续的结构等效为连续均质圆筒，由这种方法得到的隧道纵向刚度有效率约为1/15。在轴向压力作用下，只有衬砌环产生压缩变形，可得到隧道的压缩变形，容易反算出相应等效连续梁的抗压刚度；在轴向拉力作用下，衬砌环和接头共同承受拉力，分别根据管片和接头的力学性质可计算出其拉伸变形，即可通过隧道总变形反算出相应等效连续梁的抗拉刚度；同理，计算出衬砌环和螺栓在弯矩作用下的曲率后即可得到等效连续梁的抗弯刚度。得到以上刚度后，即可把盾构法隧道简化成具有等效刚度的均匀连续梁，和普通的连续地下管线类似，再进一步模拟成弹性地基上的连续梁。陈基炜、詹龙喜(2000)[2]介绍了上海地铁1号线全线的总体沉降情况，分析了不均匀沉降发生的原因。林永国等(2000)[3]以及黄宏伟、臧小龙(2002)[4]结合工程实际，分析隧道纵向沉降产生的原因和机理，指出隧道下卧土层分布的不均匀性、隧道周围荷载变化是隧道产生纵向不均匀沉降的最重要因素。Wooi Leong Tan等(2003)[5]总结软土地层横向、纵向、侧向位移变化的研究进展，在提到纵向沉降时，文中说，隧道工作面上方地表沉降数值为其横向最大沉降的一半，此外，文中还给出了计算沿隧道轴线方向纵向地表沉降数值的一个经验公式。

本文采用大型商用有限元软件ANSYS对盾构隧道，在不同地层中，不同的加载和有无二次衬砌情况下的纵向变形进行数值模拟。

2、计算模型

2.1 建模

取盾构隧道直径10.8 m，管片厚50cm，经验公式表明，影响围岩的变形范围为洞室宽度的3～5倍，这里取水平面内垂直隧道轴线方向宽度为75.6m，向下取48.35m，向上取18.15m，轴线方向长100m。围岩、衬砌均采用8节点的solid45单元来模拟，在软硬交界面处采有面对面的conta173单元，模型底部施加垂直方向的约束，保证垂直位移为0，两侧施加水平方向的约束使得水平方向的位移为0，在顶部不施加约束，前后面施加轴向约束使得轴线方向位移为0。按弹性力学分析，整个隧道为横观各向异性弹性体，隧道衬砌的具体参数见表1。周围岩体按均质、各向同性的线弹性理想塑性体进行有限元分析与计算，并且服从Drucker-Prager屈服准则，同时在屈服期间允许材料发生体积膨胀，具体的物理力学参数如表2所示。均质软土中的计算网格如图1所示，软硬交界中的计算网格如图2所示。

表1 隧道衬砌的力学参数

表3 计算工况

表2 土体围岩力学参数

图1 模型和有限元网格划分

图2 模型和有限元网格划分

2.2 计算工况

本次计算共分7种工况进行，具体见表3所示。

2.3 计算结果

2.3.1 隧道在不同土质、不同加载情况下的纵向变形分析

隧道在局部附加荷载下，隧道纵向沉降总体呈“V”形分布，加载中心附近（约计算轴线长的1/2）为其主要影响区域。在此区域之外，隧道微向上隆起，并逐步收敛趋于稳定。且随着附加荷载与隧道轴线的靠近，沉降值逐步增大，其最大沉降值与荷载至隧道轴线的距离基本呈线性减小，见图3、图4。

从图3、4可以看出，均质软土中，隧道最大沉降出现在加载中心，且两边对称收敛；软硬交界土中，隧道最大沉降出现在软硬交界面上并偏于软土侧，且软土侧收敛缓慢，硬土侧收敛较快。

图3 均质软土中隧道局部附加载下纵向变形曲线

图4 软硬土中隧道局部附加载下纵向变形曲线

不同地层中纵向变形最大值的比较见表4。

表4 变形最大值对比

从表4可以发现，不同地层对隧道纵向变形有很大影响，从本次选取的2种地层来看，隧道在软硬土中的变形量相对均质软土平均减少70%。

2.3.2 隧道在施加二衬情况下的纵向变形分析

在隧道内部施加30mm厚的二次衬砌C30，计算得到的最大变量位置与没有二衬的情况相同，但变形量有所减少，具体见表5。

表5 变形最大值对比

从表5可以发现，施加二次衬砌能减少隧道的纵向变形，控制沉降，变形减少量至少有10%，其主要原因是施加了二次衬砌能提高隧道纵身的整体刚度。

3、结论

通过数值计算可以得到以下结论：

1)隧道上部在局部受荷的情况下，沿轴线方向隧道呈“V”状下沉，均质软土中加载中心沉降最大，软硬交界土中交界处沉降最大，其最大沉降值与荷载至隧道轴线的距离基本呈线性减小。

2)不同地层对隧道纵向变形影响很大，同一加载情况下软硬土中的变形量比均质软土中减少70%

3)施加二次衬砌能提高隧道的整体刚度，减少变形量。

[1]志波由纪夫,川岛一彦,大日方尚己等.答变位法にょるツ-ルドトンネルの耐震设计法[J].土木技术资料, 1986,28(5):45.

[2]陈基炜，詹龙喜.上海市地铁一号线变形测量及规律分析.上海地质.2000, (2):51-5 6

[3]林永国，廖少明，刘国彬.地铁隧道纵向变形影响因素的探讨.地下空间.2000,Vo1.20(4):264-267

[4]黄宏伟，臧小龙.盾构隧道纵向变形性态研究分析.地下空间.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；纵向变形；数值分析

U 4 5

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