地层条件和水位变化对越江盾构隧道纵向变形影响研究

摘要：越江盾构法隧道由于穿越地层的复杂性易发生纵向变形和不均匀沉降，对隧道结构产生不利的影响。为确保隧道使用和营运的安全性，文章以南京越江隧道为依托工程，采用大型有限差分法软件FLAC3D建立数值计算模型，对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进行分j析研究。研究表明：沿隧道纵向地层变化和水位变化对地层纵向沉降有显著影响。 关键词：盾构隧道；纵向变形；地层条件；水位变化

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，在江海水位变化时，必然导致隧道所受荷载发生变化，而隧道所处土层透水性的水位变化反应不一，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。

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。 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，采用大直径泥水盾构机掘进，整体隧道为预制混凝土管片衬砌（C60P12），管片衬砌外径为14.5m，内径为13.3m，厚度为60cm，为双面楔形管片，楔形量48mm，采取1/3的错缝拼装方式。注浆层厚度主要受到盾构机刀盘切削外径与管片外径之差的影响，为21.5cm。 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。

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。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。 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 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%。 3.2江水水位变化对隧道纵向影响分析

不同水位时，隧道所处地层渗透系数和孔隙率不同，会导致地层不均匀沉降和隧道结构的不均匀变形。地勘显示南京越江盾构隧道历史最低和最高水位为20m和30m。据此，具体分析工况采用20m、25m和30m三种水位。 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）沿隧道纵向地层渗透系数和孔隙率的变化，地层纵向沉降也发生了变化。在三种不同水位工况下，地层沉降规律相似。在地层性质变化断面附近均发生了显著的不均匀沉降。

（3）从地层沉降的值可知，水位越高地层的沉降值越大，地层沉降对水位的变化更加灵敏。当水位为20m、25m和30m时，隧道拱顶地层的最大沉降值比值为1∶1.25∶1.59，隧道拱腰地层的最大沉降值比值为1∶1.42∶1.92，拱底地层最大隆起值比值为1∶1.08∶1.20。

（4）在隧道纵向上，水位越高地层纵向不均匀沉降越明显。当水位为20m、25m和30m时，隧道拱顶地层的沉降分别增加了2.43cm、3.25cm和4.11cm，拱腰地层的沉降分别增加了0.62cm、0.93cm和1.28cm，拱底地层隆起值分别增加了0.3cm、0.43cm和0.5cm。 4结论

本章依托南京越江盾构隧道工程，采用大型有限差分程序FLAC3D，分析研究了地层条件和水位变化对越江盾构隧道纵向变形影响，研究成果总结分述如下： （1）沿隧道纵向地层的变化对地层纵向沉降有显著影响，当相邻地层弹性模量差异越大时，地层的纵向不均匀沉降值变化越大。在地层变化断面前10m和后20m范围内地层不均匀沉降最为明显。

（2）沿隧道纵向水位变化对地层纵向沉降有显著影响，水位越高时，地层的最大沉降值越大且纵向不均匀沉降值变化越大。 参考文献：

[1] 张常委，梁诏斌，张志强，等.地层渗透系数对隧道纵向结构的影响研究[J].现代隧道技术，2008，45（S1）：259-261.

[2] 张志强，张常委，何川.水底隧道衬砌背后水荷载作用形式及大小研究[J].现代隧道技术，2008，45（S1）：139-143.

[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[J].地下空间，2000（4）：264-267+289-314.

[4] 余占奎，黄宏伟，徐凌，等.软土盾构隧道纵向设计综述[J].地下空间与工程学报，2005（2）：315-318.