地层条件和水位变化对越江盾构隧道纵向变形影响研究

2019-07-19易志伟张志强

四川建筑 2019年3期

易志伟，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

与修建一般的地铁盾构隧道有所不同，越江盾构法隧道的一个显著特点是穿越较宽广的河床或基床，上覆地层和下卧地层复杂多变，地层性质呈现很大的不均匀性，加之附加荷载和约束条件的变化，盾构隧道的纵向边界条件差异很大，由此导致了大型跨江海盾构法隧道的三维纵向变形特性和不均匀沉降。同时，在江水位变化时，必然导致隧道所受荷载变化，而隧道所处土层透水性不对水位变化反应不一，在土层中形成不同的空隙水压力。当水位变化时，必将对地层和隧道产生不均匀沉降和变形。这将对隧道结构产生不利的影响，最终影响隧道的长期使用和营运[1-3]。

针对盾构法越江隧道，有必要研究各种因素单独及综合作用下对其纵向不均匀沉降和变形的影响，并依据分析结果对类似工程提供有价值的建议[4-6]。

1 隧道工程概况

本文以南京越江隧道为依托工程，选取江中段(K5+400～K5+520)地层进行研究分析。

隧道断面型式为圆形，采用盾构机掘进，全长为预制混凝土管片衬砌，管片衬砌外径为14.5m，厚度为60cm，为C60钢筋混凝土。其横断面如图1所示。注浆层厚度主要受到盾尾间隙的影响，为21.5cm。

图1 盾构隧道横断面(单位：m)

2 数值模拟分析

2.1 数值模型边界情况

本文采用大型有限差分法软件FLAC3D进行数值模拟。在进行流固耦合分析时，考虑到盾构隧道的实际情况，管片背后为封堵边界[7]。

整体尺寸分别确定为：沿盾构隧道掘进方向尺寸为120m(管片每环2m，共计60环长度)，沿横向确定为135m，在垂直方向选取覆土厚度为17m的典型地段，隧道底部向下选取了45.5m，最终垂直方向总尺寸为77m，隧道整体模型如图2所示。模型上表面为自由面，侧面限制水平位移，底面限制竖向位移。

图2 隧道整体模型

2.2 地层条件及支护结构参数

计算模型是以南京越江盾构隧道工程为背景，模型中地层各参数取值依据如表1所示。注浆材料按典型的双液注浆考虑，并取其最终的弹性模量。虑到接头对管片衬砌结构的影响，采用刚度折减方法来模拟，刚度折减系数为0.7，折减后的支护结构参数见表1。

3 计算结果分析

本文以超大断面越江盾构隧道—南京长江隧道工程为工程背景，重点分析了地层岩性的变化和水位变化对盾构隧道纵向不均匀沉降的影响。

表1 围岩及支护结构物理力学参数表

3.1 地层条件变化对隧道纵向影响分析

当沿隧道纵向地层的弹性模量发生变化时，隧道地层纵向产生了不均匀变形。针对三种工况分析纵向地层弹性模量的变化对隧道纵向变形的影响，具体的分析工况见表2。

表2 分析工况

为了便于比较，以隧道左洞为研究对象，分析结果为左洞开挖完成后的地层沉降结果。拱顶、拱腰和拱底地层沉降纵向变化曲线如图3～图5所示。

图3 拱顶地层沉降纵向变化曲线

图4 拱腰地层沉降纵向变化曲线

图5 拱底地层沉降纵向变化曲线

通过比较分析可知：

(1)隧道顶部和腰部地层为下沉，而隧道底部地层表现为隆起，并且隧道顶部地层的沉降值绝对值大于隧道腰部地层的沉降值和隧道拱底地层的隆起值的绝对值。

(2)当沿隧道纵向地层发生变化时，三种工况下地层沉降规律相似。隧道拱顶、拱腰和拱底地层沿纵向均表现出显著的不均匀沉降。在地层发生变化断面前10m和后20m范围内纵向不均匀沉降变化显著。在此区域以外地段纵向沉降变化缓和，离地层变化断面越远纵向不均匀沉降越小。

(3)从地层沉降的值可知，当前后两种地层弹性模量相差越大地层纵向不均匀沉降值越大。地层前后弹性模量比值为0.75、0.5和0.25时，拱顶地层的沉降分别增加了36 %、106.4 %和300 %，拱腰地层的沉降分别增加了43 %、126 %和330 %，拱底地层隆起值分别增加了21 %、69 %和246 %。