上海長江隧道聯絡通道凍結優化設計研究

楊 超，岳豐田

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056;2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221008)

0 引言

上海長江隧道位于長江入海口，地質條件復雜，聯絡通道施工風險大，在凍結設計和施工中，凍土帷幕的溫度、厚度和強度是工程安全的保障。這些反應凍土帷幕安全狀態的參數需要通過實測獲得，因此，通過嚴密監測凍結過程中凍土帷幕的重要狀態參數，既可以為工程安全提供保障，同時又可以為優化施工方案、完善凍結設計提供依據，為理論深入研究提供數據。

1 工程概況

上海長江隧道位于長江入海口，為雙孔六車道公路隧道，隧道外徑15 m，內徑13.7 m，隧道凈距15 m，采用2臺φ15.34 m泥水平衡盾構施工。東線隧道和西線隧道之間每隔830 m左右設置1個聯絡通道，共設8個聯絡通道。聯絡通道采用圓形斷面，其中標準段內徑2.74 m，外徑3.34 m;喇叭口段內徑2.74 m，外徑3.94 m。各聯絡通道所處地層概況如表1所示。

表1 聯絡通道所處地層概況Table 1 General situation of the formation that the connecting passages are located in

表1中⑤1和⑤3層為軟黏性土，具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強度等特性，在外力作用下易發生觸變和流變;⑤2和⑤3t層為粉性土層，其透水性強，易發生突發性的涌水、涌砂事故。根據聯絡通道所處地層特性及上海地區地鐵聯絡通道施工經驗，經技術、經濟比較，8個聯絡通道均采用水平凍結法加固土體，礦山法施工。

2 凍結設計及施工效果

2.1 凍土帷幕設計

1)凍土帷幕厚度。聯絡通道凍土帷幕正常段設計厚度2.7 m，喇叭口2.4 m。

2)凍土帷幕平均溫度。開挖區外圍凍結孔布置圈上凍土帷幕與隧道管片交界面處平均溫度≤-8℃，其他部位凍土帷幕平均溫度≤-13℃;積極凍結時間45 d。

2.2 凍結孔設計

凍結孔布置分內、外2排孔，采取隧道兩側打孔的方式，孔長度以碰到對側管片為準，內排孔22個，外排孔18個。凍結孔及測溫孔位置如圖1和圖2所示。

加強與山農大、林科院等大專院校和科研院所的技術合作，聯合開展良種選育、豐產栽培、病蟲害防治等科技攻關，承接多項核桃研究課題，“國內外優良核桃品種資源引進、示范及開發技術研究”項目獲全市科技進步獎。編制了《汶上縣核桃生產管理技術規范》，制定了行業標準和技術規程，加強產品質量安全監管，普及推廣科學施肥、土壤改良、整形修剪、病蟲害防治、間作套種等實用技術。健全縣、鄉、村三級服務體系，通過舉辦培訓班、專家現場指導等方式，加強對核桃種植大戶的技術培訓，探索實行核桃統一修剪、統一嫁接、統一打藥、統一施肥、統一澆水等全托管、保姆式服務，降低生產成本，提高科技含量。

2.3 凍結施工效果分析

1#聯絡通道于2007年11月6日開始凍結施工。本文根據凍結過程中測溫孔的溫度信息選取垂直于聯絡通道中心線的A，B，C，D，E 5個斷面進行凍土帷幕厚度和平均溫度的分析［6］。計算斷面位置及沿通道縱向測溫孔測點溫度如圖3和圖4所示。

圖3 凍土帷幕計算截面示意圖Fig.3 Calculation cross-section of frozen soil curtain

圖4 積極凍結階段C2孔各測點溫度變化曲線Fig.4 Temperatures at monitoring points of C2 hole in active freezing stage VS depth

2.3.1 凍土帷幕厚度分析

在凍結壁厚度計算中，把筒體凍土帷幕看作直墻凍土帷幕，采用雙排管公式計算。

圖5為沿聯絡通道縱向凍土帷幕厚度變化，圖6為D截面凍土帷幕厚度。由圖5和圖6可以看出:隨著積極凍結的進行，凍土帷幕向內發展速度快，向外偏慢，總厚度增加較快，有效厚度增加較慢。積極凍結55 d(截至2007年12月30日)，喇叭口附近A，B，D，E截面凍土帷幕有效厚度為2 286～2 437 mm(總厚度為2 286～3 483 mm)，喇叭口往通道中部C截面凍土帷幕有效厚度為2 791 mm(總厚度為4 196 mm)。

圖5 沿聯絡通道縱向凍土帷幕厚度變化Fig.5 Thickness of frozen soil curtain in the longitudinal direction of connecting gallery

圖6 D截面凍土帷幕厚度Fig.6 Thickness of frozen soil curtain of cross-section D

2.3.2 凍土帷幕平均溫度分析

凍土帷幕平均溫度此處采用作圖法計算，即計算截面凍結壁平均溫度為溫度曲線包絡圖面積除以計算截面凍結壁厚度。通過計算得到積極凍結55 d凍土帷幕的平均溫度如表2所示。

表2 積極凍結55 d凍土帷幕平均溫度Table 2 Average temperature of frozen soil curtain after 55-day active freezing

2.3.3 開挖面溫度分析

積極凍結55 d已基本具備開挖條件，通過打探孔及試挖確定凍土帷幕形成良好，于2008年1月2日對聯絡通道進行正式開挖。為進一步判斷凍土帷幕的均勻性及凍結效果，開挖過程中對開挖面上、下、左、右及中心位置土體的溫度進行了量測，其溫度如圖7(a)所示。同時，開挖過程中對凍土進荒徑的厚度進行了量測，如圖7(b)所示。

由圖7(b)凍土進荒徑厚度(1.2～1.6 m)及圖7(a)開挖面中心溫度(0～2℃)可以看出荒徑范圍內凍土占了很大一部分，同時從現場施工情況來看，凍土強度比較高，開挖困難，造成施工進度慢。

3 凍結優化設計及施工效果

3.1 原設計的不足

根據1#聯絡通道凍結施工中反饋的信息，產生這種不利影響的主要原因是內排凍結孔偏多，外排凍結孔偏少，使得凍結后期凍土帷幕向外發展速度較慢，積極凍結時間延長;同時，向內發展速度較快，凍土進荒徑的范圍較大，造成開挖困難、施工進度慢等不利影響。

因此，為避免1#聯絡通道施工中因布孔方式帶來的不利影響，本次對凍結孔的布置方式進行優化研究，以便于2#～8#聯絡通道的凍結施工。

圖7 開挖面溫度及凍土進荒徑厚度曲線Fig.7 Curves showing relationship between temperature of excavation face and thickness of frozen soil in the largest excavation diameter range

3.2 不同孔間距凍結溫度場分析

為增加凍土帷幕向外的發展厚度，同時減小無效的凍土厚度，在原設計的基礎上減小外排孔間距，加大內排孔間距，實際操作中采用加大或減少內外圈凍結孔數量來改變孔間距。溫度場模擬計算時將聯絡通道中截面簡化為平面模型進行計算。

3.2.1 有限元模型與邊界條件

1)有限元模型。地層凍結時凍結管對周圍的影響范圍為凍結管一側凍結壁厚度的3～5倍，一般不超過外圈凍結管外側凍結壁厚度的5～8倍［7］。計算時，考慮到凍結壁厚2.7 m，外圈凍結管向外側發展1.2 m左右，取聯絡通道中心向外20 m進行建模，建模時按各排孔等間距布置。內排孔14～22個，步長2;外排孔18～28個，步長2。孔位布置及模型有限元計算網格如圖8所示(以內排孔數量14、外排孔數量18為例)。

2)邊界條件與熱物理參數。邊界條件按照1#聯絡通道的設定，即土體的初始溫度21℃，模型邊界處具有恒定的溫度21℃。土體參數如表3所示。

表3 土體熱物理參數Table 3 Thermal-physical parameters of the soil

3.2.2 溫度場計算結果分析

為分析不同孔間距下凍土帷幕的有效厚度、平均溫度及凍土進荒徑厚度，在計算的各種孔間距組合下，以X軸正方向為標準方向每次逆時針旋轉10°，設置9條路徑;同時以X軸負方向為標準方向每次逆時針旋轉10°，設置9條路徑;共設置18條路徑。通過處理得出各路徑凍土帷幕有效厚度、平均溫度及凍土進荒徑厚度，從而得出最薄弱處凍土帷幕的性狀。

1)凍土帷幕有效厚度分析。不同孔數下凍土帷幕有效厚度如圖9所示。積極凍結45 d，從有效厚度來看，外排孔一定，內排孔由14增至22，有效厚度增加0.005～0.051 m;內排孔一定，外排孔由18增至28，有效厚度增加0.155～0.201 m;外排孔數量為22～26時，凍土帷幕有效厚度已達3 m左右。

圖9 不同孔數下凍土帷幕有效厚度(積極凍結45 d)Fig.9 Effective thickness of frozen soil curtain under different amount of freezing holes(after 45-day active freezing)

2)凍土帷幕平均溫度分析。凍土帷幕平均溫度變化情況如圖10所示。內排孔數量一定時，外排孔數量由18增至28凍土帷幕平均溫度下降1℃左右;外排孔數量一定時，內排孔數量由14增至22凍土帷幕平均溫度下降0.8℃左右。從平均溫度來看，內、外孔間距的改變對平均溫度的影響程度基本相同，積極凍結45 d，各種布孔方式下凍土帷幕平均溫度均在-15℃以下。

圖10 不同孔數下凍結壁平均溫度Fig.10 Average temperature of frozen wall under different amount of freezing holes

3)凍土進荒徑厚度分析。不同孔間距下凍土進荒徑厚度變化情況如圖11所示。從凍結效率(有效厚度/凍結總厚度)來看，積極凍結45 d，內排孔14個，凍土帷幕進荒徑0.35～0.495 m，凍結效率約89.5%;內排孔16個以上，凍土帷幕進荒徑0.528～0.646 m，凍結效率約82%。

圖11 不同孔數下凍土進荒徑厚度Fig.11 Thickness of frozen soil in the largest excavation diameter range under different amount of freezing holes

3.3 優化方案及凍結效果

根據1#聯絡通道凍結實測及數值分析結果，對現有凍結孔布孔方式進行優化，即內排孔14個，外排孔24個，積極凍結時間45 d。積極凍結45 d凍土帷幕有效厚度、平均溫度見表4。

表4 積極凍結45 d凍土帷幕有效厚度、平均溫度Table 4 Effective thickness and average temperature of frozen soil curtain after 45-day active freezing

在新的布孔方式下，5#聯絡通道積極凍結45 d即具備開挖條件，其實測凍土帷幕有效厚度及平均溫度如表10所示(截面位置同1#聯絡通道)。對比1#和5#聯絡通道2種布孔方式下溫度場分布圖(見圖12)可以看出，調整后的布孔形成的凍土帷幕更加均勻，凍土進荒徑的厚度小，凍結效率高;因此，新的布孔方式更加合理。

圖12 積極凍結45 d聯絡通道中截面溫度場云圖Fig.12 Cloud of temperature field of connection gallery after 45-day active freezing

4 結論與體會

1)通過對1#聯絡通道凍土帷幕厚度、平均溫度、開挖面溫度及凍土進荒徑厚度的分析，在現有的布孔方式下積極凍結時間長(延長10 d)，凍土進荒徑范圍較大(1.2～1.6 m)，造成開挖困難、施工進度慢。

2)通過對不同孔間距下溫度場的數值分析，得出在確保凍土帷幕安全的前提下，提高凍結效率。合理的布孔方式為:內排孔數量14或15個，外排孔數量22～26個。

3)根據1#聯絡通道凍結施工情況及數值分析結果對原凍結孔設計方案進行了調整，即內排孔14個，外排孔24個，積極凍結時間45 d。

4)通過對比分析凍結孔調整前后2種布孔方式下的凍結效果，積極凍結45 d，新的布孔方式下形成的凍土帷幕有效厚度大、平均溫度低、無效凍土少、凍結效率高，這為2#～8#聯絡通道安全、經濟地凍結施工提供了重要保障。

［1］ 郭劍虹，朱江波，袁忠銀，等.上海長江隧道江中段連接通道凍結法施工［J］.上海師范大學學報:自然科學版，2010，39(4):390-394.(GUO Jianhong，ZHU Jiangbo，YUAN Zhongyin，et al.The construction technology of the connecting passage in the middle of the Shanghai Yangtze River Tunnel［J］.Journal of Shanghai Normal University:Natural Sciences，2010，39(4):390-394.(in Chinese))

［2］ 岳豐田，張水賓，仇培云，等.地鐵聯絡通道凍結加固技術研究［J］.地下空間與工程學報，2006，2(8):1341-1345.(YUE Fengtian，ZHANG Shuibin，QIU Peiyun，et al.Study on artificial ground freezing method applied to connected aisle construction in Metro tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(8):1341-1345.(in Chinese))

［3］ 仇培云，岳豐田，楊國祥，等.復雜地質條件下隧道聯絡通道凍結工程實錄［J］.地下空間與工程學報，2005(6):979-982.(QIU Peiyun，YUE Fengtian，YANG Guoxiang，et al.Engineering record on the freezing method applied to connected aisle in tunnel under complex geological conditions［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005(6):979-982.(in Chinese))

［4］ 秦一雄，胡向東，尚新民，等.人工凍結技術在上海地下工程中的應用［J］.隧道建設，2007，27(S2):349-353.(QIN Yixiong，HU Xiangdong，SHANG Xinmin，et al.Application of artificial ground freezing method in underground construction in Shanghai［J］.Tunnel Construction，2007，27(S2):349-353.(in Chinese))

［5］ 肖朝昀，胡向東，張慶賀.多排管局部凍結凍土壁溫度場特性［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(1):2694-2700.(XIAO Zhaoyun，HU Xiangdong，ZHANG Qinghe.Characters of temperature field in frozen soil wall with multirow freeze-tubes and limited depth freezing［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(1):2694-2700.(in Chinese))

［6］ 楊超.上海長江隧道聯絡通道凍結法信息化施工技術研究［D］.徐州:中國礦業大學建筑工程學院，2009.(YANG Chao.Research on freezing-method information construction technology of connected aisle in Shanghai Yangtze river tunnel［D］.Xuzhou:Architecture Engineering School of China University of Mining and Technology，2009.(in Chinese))

［7］ 孫猛.深厚表土群孔凍結溫度場的發展規律研究［D］.徐州:中國礦業大學建筑工程學院，2006.(SUN Meng.Research on the developing law of multi-hole frozen temperature field in deep alluvium［D］.Xuzhou:Architecture Engineering School of China University of Mining and Technology，2006.(in Chinese))