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.