越江隧道水位变化结构受力模拟分析

胡金鑫 马姜悦 王玉馨 李大志

摘 要：越江隧道开通运营后常年受河床上部的水压力影响，而隧道运营期健康状况尤为重要，文中以南京地铁四号线盾构隧道为研究背景，采用数值模拟的方法，选取2020年最高水位与最低水位，得出了运营期隧道受力情况。数值模拟研究表明，隧道拱底两端轴力与弯矩最大，应加强对底部两端的观察监测。

关键词：越江隧道;水位;数值模拟

0 引言

随着经济的发展，交通系统不再局限于地面，地下隧道的比重也越来越大。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、施工安全、对周围环境影响小等施工特点，广泛应用于城市跨江隧道建设中。城市越江隧道建成后，常年受水壓力影响，水位变化导致隧道受力忽大忽小，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。

对于水位影响隧道运营阶段出现的问题，相关的研究较少，但对于运营期的隧道内力分析的研究，仍有一些成果。唐晶[1]采用ABAQRS三维实体模拟分析明挖法隧道的内力效应情况，得出了在隧道承载能力极限状态下的内力效应，为明挖法隧道运营期安全评估提供了依据。王湛[2]等采用国外先进仪器对隧道沉降、变形进行了监测，得出了潮位变化对隧道的影响。唐志成[3]等对高水压下隧洞采用有限元软件ANSYS对隧道内力进行模拟，得出了在0.7 MPa下结构的受力特征。

基于以上成果，我们将采用数值模拟的研究方法，运用有限元软件ANSYA对南京地铁四号线2期过江段截面进行数值模拟，分析该过江地铁隧道运营期受水位变化的变形情况。

1 工程概况

南京地铁四号线2期滨江站-江心洲中间风井区间出滨江站后沿定山大街东南方向布设，穿越长江主航道、潜洲、梅子洲锚地进入江心洲。区间顶板埋深13.5 m（从江底起算）～34.3 m，施工工法为盾构法，圆形盾构外径11.3 m，内径10.2 m。区间起讫里程右CK6+337.609～右CK9+403.350，区间全长约3 065.741 m。图1为平面布置图。

2 物理模型建立与参数选取

2.1 物理模型建立

由于模拟隧道截面图，选取土层最薄的越江隧道截面，结构简单，采用有限元软件ANSYS分析在不同水位的情况下隧道截面的受力情况。数值模拟隧道截面计算范围为：垂直方向上部为隧道上覆岩图层，即隧道顶部至河床底部的长度;下部沿隧道底部取向下3～5倍洞泾。模型共划分为24个节点，7个衬砌支护关键点，15个弹簧单元，采用软件内部线弹性模型，具有各向同性弹性，衬砌管片采用梁单元，如图2所示。

2.2 参数赋值

根据地质勘查报告，对物理模型中各计算参数进行赋值如下。

衬砌管片：弹性模量3*107 Pa，泊松比0.2 ，密度

25 kN/m3，重力9.8 m/s2。

2.3 参数选取

施加荷载采用水土分算。获取得到2020年每月某天11时最高水位与最低水位，如图3。选取两种工况，进行分析模拟，分别为：工况1为2020年1月最低水位1.09 m，工况2为2020年7月最高水位8.26 m。土体统一选取隧道截面CK7+272.44处土层，如图4。土体计算参数如表1。

3 计算结果分析

同一土层地质条件，在工况1和工况2条件下，轴力图与弯矩图大体一样，计算结果如图5、图6。根据图5（a）与图6（a）可以得出，在两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5（b）与图6（b）可以得出，隧道拱顶轴力在隧道顶部中间达到最大;隧道拱腰弯矩越靠经底部轴力越大，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。

4 结论

（1）隧道截面在不同水位的影响下，截面变形情况大体相同，最大变形位置位于隧道截面底部两端，后期如需对隧道进行加固，可以着重对隧道截面两端进行加固。

（2）工况1与工况2两者水位差有7.17 m，最大轴力相差0.2 MPa，最大弯矩相差0.3 MPa。两种工况轴力与弯矩的差值，不容忽略，隧道开通运营过程中，仍需加强对隧道关键节点的监测。

参考文献：

[1]唐晶.明挖隧道结构运营期的内力效应分析[D].浙江大学，2016.

[2]吴世明，王湛，王立忠.大断面过江隧道运营期受力变形健康监测分析[J].浙江大学学报（工学版），2013，47（4）：595-601+608.

[3]何川，唐志成，林刚，等.高水压越江隧洞施工及运营期间结构受力分析[J].现代隧道技术，2005（5）：40-44.