嶺下隧道聯絡通道凍結法施工力學模擬分析

李海生

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300000)

1 凍結法施工簡介

人工凍結技術源于天然凍結現象，德國工程師F·H·POETCH首先提出了凍結法的施工原理[1][3]，并于1883年在德國阿爾巴里煤礦成功地采用凍結法建造井筒。從此，這項地層加固的特殊技術被廣泛地應用到世界許多國家的隧道、地鐵、基坑、礦井，成為巖土工程，尤其是地下工程施工的重要方法之一。凍結法加固地層的原理[4][5]，是利用人工制冷方法，將低溫冷媒送入地層，把要開挖體周圍的地層凍結成封閉的連續凍結帷幕以抵抗地壓，并隔絕地下水與開挖體之間的聯系，然后在這封閉的連續凍結帷幕的保護下，進行開挖和做永久支護的一種特殊地層加固方法[6]。

在盾構隧道聯絡通道設計及計算方面，張志強等人[7]通過采用三維有限元方法，模擬研究了凍結法施工條件下修建盾構隧道與聯絡通道組成復雜空間結構的施工力學行為。喬衛國等人[8]對凍結鹽水溫度、凍土溫度、地表變形等方面進行了跟蹤監測；通過對監測結果進行分析研究，獲得了凍結鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力的變化規律。在計算聯絡通道凍結壁穩定性過程中，仍以現場監測及解析計算為主要方法，這對計算凍結壁的安全穩定性存在一定的局限性。

本文綜合考慮嶺下隧道復雜泥質地層特征，采用人工凍結技術對越江隧道聯絡通道周圍土體進行凍結，在進行一個多月的凍結后，在聯絡通道四周形成高強度的凍土帷幕結構，并在該凍土帷幕的保護下進行暗挖法施工，以確保施工安全和減輕對周圍水文地質的影響。通過采用FLAC3D軟件對越江隧道聯絡通道凍結壁安全性進行了數值模擬分析，著重研究聯絡通道開挖后凍結帷幕的變形和應力特性的影響。

2 工程概況

擬建淮南高速嶺下隧道長約4.07 km，自浦西規劃龍耀路龍吳路交叉口起，向東穿越豐谷路、云錦路、豐溪路、黃浦江、浦東濱江路、濟陽路、西營路至成山路長青路交叉口。擬建隧道以盾構掘進方式分別穿越黃浦江和濟陽路，為雙管單層盾構隧道，隧道外徑為11.36 m，鋼筋混凝土襯砌厚度0.5 m；在浦西設置X匝道，在浦東設置D1匝道和D2匝道。明挖段根據基坑開挖深度分別采用地下連續墻、鉆孔灌注樁加隔水帷幕、型鋼水泥攪拌墻作圍護結構，矩形暗埋段主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構，引道敞開段采用U型結構。部分開挖段擬設置抗拔樁。

3 凍結壁安全性力學計算

3.1 旁通道結構特征

旁通道由與南、北線隧道相交的水平通道組成。按旁通道線路設計，旁通道位置南、北線隧道中心間距為24.46 m，旁通道與南、北線隧道開口處隧道中心標高分別均為-26.612 m、-26.470 m。旁通道為圓形結構，采用兩次襯砌，初襯(鋼支架、木背板及噴射混凝土)厚度為300 mm。

3.2 凍結壁結構力學計算

3.2.1 旁通道喇叭口上部圓拱凍結壁計算

旁通道喇叭口頂部埋深為30.47 m(其中江水深13.85 m，土層厚度16.62 m)，旁通道喇叭口中心埋深為32.37 m(其中江水深13.85m，土層厚度18.52 m)，水的平均重度取10.0 kN/m3，土的平均重度取18.5 kN/m3。旁通道承受水土壓力的側壓系數按0.7計算。計算結果如圖1所示。

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(c)剪力圖

(d)位移分布圖圖1 凍結壁計算模型及內力、位移分布

通過對上部凍結壁的靜力計算可知，在均布荷載作用下，凍結壁的穩定性較好，并沒有出現較大的彎矩作用和應力集中情況，說明該凍結壁在水土壓力作用下能夠滿足工程需求。

3.2.2 旁通道喇叭口下部仰拱凍結壁計算

通過對下部凍結壁計算可知，計算可知最大彈性位移為0.01 mm，位于通道仰拱底部中心處，如圖2所示。通過以上結構力學計算表明旁通道的凍結壁強度和位移均滿足《旁通道凍結法技術規程》要求。

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(c)剪力圖

(d)位移分布圖圖2 凍結壁計算模型及內力、位移分布

4 凍結壁穩定性數值模擬分析

4.1 地層條件

旁通道位于黃浦江下，江面標高+5.47 m(根據詳勘報告按黃浦江高潮位)，江底標高為-8.38 m(BLZ1孔)，隧道中心標高約為-26.47 m。考慮微承壓含水層的影響，設計按最不利條件考慮(承壓水頭3.0 m)。旁通道位置各土層物理參數見表1。

表1 地質物理力學參數

數值模擬分析計算采用地層—結構模型，假定凍土為彈性材料，未凍土為彈塑性材料，旁通道鋼筋混凝土結構假定為線彈性材料，設計選取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.3。并設定旁通道在開挖前地層處于初始平衡狀態，最終得到的分析結果就是開挖后凍土受力和變形狀態。模型建立時對實際情況進行部分簡化[9]。

4.2 數值模型及邊界條件

數值計算中假定凍土與未凍土均為彈塑性材料，本構關系為Mohr-Coulomb，隧道與旁通道鋼筋混凝土結構假定為線彈性材料，根據凍土強度試驗結果，設計凍土帷幕為-10℃等溫體，彈性模量和泊松比分別為為150 MPa和0.3，凍土帷幕抗壓強度為3.5 MPa，抗折強度為1.8 MPa；抗剪強度指標為粘聚力1.5 MPa，摩擦角28°。凍結壁承載力驗算采用許用應力法，強度檢驗安全系數按Ⅲ類凍結壁選取[10]：抗壓強度為2.0 MPa，抗剪強度3.0 MPa，抗拉強度為1.5 MPa。數值計算模型如圖3所示。

圖3 旁通道幾何模型立面

4.3 計算結果分析

用有限元法進行凍土帷幕的受力與變形的云圖見圖4～7。

圖4 旁通道中心線豎直方向位移云圖

圖5 隧道中心線至旁通道頂板豎直方向位移云圖

通過對凍結壁的變形量算可知，各方向位移極值分別為：z方向頂部下沉為-3.2 mm，底部變形量為9.6 mm；y方向聯絡通道兩幫收斂量為-4.18 mm。

圖6 隧道中心線至旁通道底板豎直方向應力云圖

圖7 旁通道中部至隧道豎直方向應力云圖

圖6～圖7為凍土結構σzz、σxx、σyy、τxy應力分布。從圖中σzz應力分布可以看出，整個凍土帷幕都是受壓力的，最大正剪應力τxy主要分布在帷幕喇叭口下部，τxy方向出現95.0 kPa的拉應力；τxz方向出現最大214 kPa的拉應力；τ方向出現最大337 kPa的拉應力。σzz、σxx、σyy、τxy應力的安全系數分別為5.7，6.3，9.4，15.6，考慮到所分析工況的極端性，該凍土結構完全可以滿足安全要求。

由以上位移及應力分布可知，凍土帷幕受力最薄弱的位置通常處于帷幕與隧道接觸的部位。在凍結施工過程中，由于隧道管片的散熱速度快，在帷幕與隧道接觸處的溫度最高，導致凍結效果最差，強度最低，這就特別需要引起工程中的注意，在設計計算中應充分考慮到凍土帷幕與隧道接觸的部位散熱快這一因素對凍土強度的影響。

5 結論

在對淮南高速嶺下隧道聯絡通道進行施工力學模擬分析的基礎上對凍土帷幕的變形及應力分布情況進行了詳細的分析。確定了凍土帷幕的厚度設計值，并指出了容易產生應力集中的位置為凍土帷幕與隧道接觸部位，為今后的聯絡通道數值模擬與人工凍結法施工提供了參考。得出結論為：

(1)通過詳細的地質勘查可知，越江隧道聯絡通道地質條件較差，土質含水量高，不適于土質暴露的開挖方式，宜采用封閉式的凍結法施工，才能能保證隧道的安全穩定。

(2)通過對凍結壁厚度進行設計，并進行內力計算可知，所設計的凍結壁厚度能夠滿足施工要求。

(3)在凍結過程中，由于凍土帷幕與隧道接觸部位凍結效果最差，所以容易產生應力集中，對凍土帷幕的應力分布影響比較大，因此施工中應特別引起注意。

(4)通過數值計算及施工過程來看，凍土帷幕設計為2.5 m左右完全可以滿足強度、變形等要求，是滿足工程施工的安全要求的，對于同類工程，其分析結果具有一定的參考價值。

[1] 劉瑞鋒，張慶賀，胡向東，等. 水平地層凍結法在上海地鐵修復工程中的應用[J].安徽建筑工業學院學報，2008,16(3):21-25

[2] 武亞軍,李大勇,楊敏.凍結法隧道施工數值仿真模擬[J].巖石力學與工程學報,2005,24(2):5851-5856

[3] 劉珣,梁鵬.城市地下工程中人工凍結法的防凍脹優化設計研究[J].武漢科技大學學報,2004,27(4):387-390

[4] 武亞軍,楊敏,李大勇.大連路隧道聯絡通道凍土帷幕數值分析[J].巖土力學,2006,27(3):487-490

[5] 李雙洋,張明義,高志華，等.廣州某地鐵人工凍結法施工熱力分析[J].冰川凍土,2006,8(6):823-832

[6] 胡向東,陳蕊.雙層越江隧道聯絡通道凍結法施工技術[J].低溫建筑技術,2006,12(5):64-66

[7] 張志強,何川.用凍結法修建地鐵聯絡通道施工力學研究[J].巖土力學與工程學報,2005,24(18):3211-3218

[8] 喬衛國，李大勇. 地鐵聯絡通道凍結監測分析[J].巖土力學,2003,24(4):666-670

[9] 李大勇,王暉,張慶賀.地鐵聯絡通道凍結法施工的安全保證措施[J].建筑技術,2004，(11):821-822

[10] 肖朝昀,胡向東,張慶賀.地鐵修復工程中凍結法設計[J].巖土工程學報,2006,28(11):1716-1719