凍結法施工中凍土帷幕數值模擬分析

官強

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

凍結法施工中凍土帷幕數值模擬分析

官強

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

以某市軌道交通工程越江區間隧道1#聯絡通道凍結工程為背景，運用數值模擬手段，深入研究越江隧道聯絡通道凍結法施工過程中各個工況下凍土帷幕的受力變形規律，得出在拉開鋼管片以及開挖土體過程對凍土帷幕受力變形影響最為明顯。此研究對越江隧道聯絡通道凍結的凍土帷幕的設計具有重要的指導意義，對保證此類越江隧道聯絡通道凍結工程的安全具有重要的參考價值。

凍結施工;凍土帷幕;受力變形

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1 工程概況

某市軌道交通工程越江區間隧道采用盾構法施工，其中1#聯絡通道設于長江下，聯絡通道線間距13.0m，聯絡通道位置隧道中心標高左線為－15.037m，右線為－15.018，江底標高為1.53m。聯絡通道的結構圖見(圖1)，聯絡通道采用洞內凍結法加固地層，采用礦山法施工。

聯絡通道所在位置的隧道管片為鋼管片，隧道內徑為φ5.5m，管片厚度350mm。襯砌采用二次襯砌方式:初次支護工字鋼支架和C25網噴混凝土結構，厚度250mm;二次襯砌為厚度拱頂500mm漸變至側墻600mm，底板位置為800mm(C40，P12)現澆鋼筋混凝土結構。

圖1 1#聯絡通道結構示意圖

根據現場詳細勘察資料顯示，聯絡通道主要處于4－1粉細砂和8－1粉細砂中，其土層性質如(表1)所示。

表1 1#聯絡通道所處地層概況

本文采用ANSYS大型有限元分析軟件模擬人工凍結法施工過程。由于實際工況十分復雜，用數值分析的方法分析所有的確定或不確定的因素是不可能的，也是不必要的，因此，在有限元分析中做了如下的簡化假設:

(1)假定原型工程穿越通道所處土層自上而下依次為:4－1粉細砂、8－1粉細砂，且各土層呈水平分布，將原型視為在橫向為各向同性層狀分布的土層進行分析研究。

(2)不考慮鋼管片每環之間的螺栓連接，將鋼管片視為一整體的環狀結構。

(3)數值模擬中的材料為型鋼、鋼筋混凝土、土和凍土四種，假設模型材料均為線彈性介質。

(4)數值計算中，把土體的凍脹轉變成材料隨溫度的膨脹，使溫度場和應力、應變場耦合進行分析。

2 實際工況凍結溫度場數值計算結果分析

根據地鐵旁通道凍結施工的經驗，凍結施工的影響范圍通常僅限于距離凍結區域中心線5～8倍的凍結半徑范圍，超過此范圍將基本上不受凍結施工的影響［1］［2］［3］。根據某市軌道交通工程越江區間隧道的具體情況，按三維問題建立求解的數值計算模型［4］，沿隧道掘進方向(縱向)，確定尺寸為40m(相當于25環管片，每環1.6m);沿隧道斷面橫向，確定寬度尺寸為30m;而沿豎直方向，根據聯絡通道實際埋深，確定上覆土層厚度，向下則從計算影響范圍角度考慮，選取厚度為35m的地層。

由于隧道是一三維對稱問題，為了節省計算時間，采用1/2模型計算，三維立體模型溫度場計算中土體、混凝土以及型鋼統一采用三維瞬態靜態或熱分析的SOLID90單元，結構分析時土體、混凝土以及型鋼統一采用等價的SOLID95單元，劃分單元總數為125294個。鑒于數值計算的目的與計算的精度和時間，在凍結管區域網格密度最大，在遠離凍結影響范圍外區域，適當降低網格密度。

有限元模型的凍結管分布圖以及模型網格圖見(圖2、圖3)。

模型中主要包括未凍土、凍土、鋼筋混凝土和型鋼材料。主隧道管片為C60混凝土管片和鋼管片(Q345鋼，位于聯絡通道處)，聯絡通道初次支護為C25混凝土和二次襯砌為C40混凝土。

溫度場邊界條件:模型的前方界面(Z=0處截面)為對稱邊界;隧道管片凍結部分界面為絕熱邊界，其余隧道管片界面為對流換熱界面;模型其余面為恒溫邊界，取地溫初始值。

為了將凍結溫度場數值模擬結果與現場實測結果進行對比研究，根據某市軌道交通工程越江區間隧道1#聯絡通道凍結加固實際工程，研究1#聯絡通道凍結溫度場變化規律。1#聯絡通道凍結管具體分布見(圖2)，布置參數見(表2)。

圖2 凍結管分布圖

圖3 模型網格圖

表2 凍結管布置參數

考慮到凍結管外壁溫度與鹽水溫度、流速、周圍土層的性質等因素有關，參考1#聯絡通道凍結加固工程干路鹽水溫度的實測數據，凍結管外壁溫度的選取如(表3)所示。

表3 凍結時凍結管外壁溫度取值

凍結區域內土層為粉細砂，凍結溫度取為－0.6℃。模型計算中熱物理參數取值如(表4)所示。

表4 土體熱物理參數

不同凍結時間下，凍結溫度場云圖和凍結鋒面位置如(圖4)所示。

圖4 凍結溫度場云圖和凍結鋒面位置圖

從(圖4)可以看出，在凍結初期，各凍結管之間的土體與低溫鹽水開始劇烈熱交換，凍結管周圍土體溫度下降明顯，在凍結管附近形成凍土柱;隨著凍結時間的增加凍土柱不斷向周圍擴大發展，凍結10天時，部分相鄰凍土已經開始交圈，凍結到30天時，凍結孔周圍的土體均已全部交圈，凍結50天時，凍結壁特征參數已經基本穩定，形成內外兩個橢圓狀凍結鋒面，分別向內外圈發展并趨于穩定。

3 凍脹及施工過程數值計算

3.1 施工工況模擬

采用Ansys大型數值分析軟件通過建立溫度場、力場兩種不同的物理場分析環境，再進行順序耦合計算，最后提取并分析所得出的結果。

(1)首先進行凍結溫度場模擬計算。

(2)其次施加重力場和力場邊界條件，進行實體模型的自重應力場計算，并進行消除由于自重應力所引起的位移計算。

(3)再進行進行熱－應力耦合場計算，計算由于土體凍脹引起的凍土帷幕受力狀態及位移的變化。

(4)最后進行拉開鋼管片以及聯絡通道開挖、支護施工過程的模擬計算，計算整個施工過程引起的隧凍土帷幕受力變形狀態。

應力場邊界條件:模型中，左右兩個邊界面(X=－8.5、X=21.5 m處截面)施加垂直于該面方向的約束位移，前后兩個邊界面(Z=0、Z=－20 m處截面)施加法向位移約束，模型底面施加固端約束。

根據聯絡通道的凍結施工過程，選取主要的施工步驟進行研究，為了簡化工況的名稱，將各個主要的施工步驟定義為五個工況，見(表5)。

表5 施工工況定義表

3.2 數值計算結果分析

3.2.1 工況一(聯絡通道開挖前，凍結45天)

在聯絡通道開挖前，由于土體凍脹的作用，引起凍土帷幕的受力變形，凍土帷幕表面的應力分布情況如(圖5)。

圖5 凍土帷幕應力分布云圖

從(圖5)中可以看出，在凍脹作用下，凍土帷幕第一主應力介于－0.32MPa～0.02MPa之間，最大拉應力為 0.02MPa，凍土帷幕第三主應力介于 －1.08MPa～－0.04MPa之間，最大壓應力為1.08MPa，凍土帷幕等效應力介于0.21MPa～0.77MPa，由于土體凍脹受兩邊隧道管片約束作用，凍土帷幕與管片相交處的土體應力大于土體中間部分的應力，最大應力出現在凍土帷幕與管片交接處。

3.2.2 工況二(打開左線隧道鋼管片)

聯絡通道開始開挖時，首先要打開隧道鋼管片，此時凍土帷幕表面的受力變形情況如(圖6)。

圖6 打開鋼管片后凍土帷幕應力分布云圖

從(圖6)可知，在維護凍結狀態，打開左線鋼管片后，凍土帷幕第一主應力介于 －0.42MPa～0.45MPa之間，最大拉應力為0.45MPa，第三主應力介于 －1.69MPa～0.06MPa之間，最大壓應力為1.69MPa，等效應力介于0.07MPa～1.31MPa之間，凍土帷幕等效應力最大值出現在管片開口與凍土帷幕交接處，此處由于鋼管片的打開，邊緣處容易產生應力集中現象。

從(圖7)可知，打開左線鋼管片之后，在開口處土體約束消失，此處應力得到釋放，從而在此處凍土帷幕出現－X方向最大位移值，達到－4.8mm，土體有向外偏移的現象;凍土帷幕Y方向最大位移值出現在管片開口處。如果在土體加固效果較差情況下打開鋼管片，隧道會存在較大的破壞危險情況。

3.2.3 工況三(開挖至聯絡通道中部，構筑前半部分的初次襯砌)

開挖深度至聯絡通道一半后，進行前半段混凝土的初次襯砌支護，研究完成初次襯砌支護后凍土帷幕表面的受力變形情況。

圖7 打開鋼管片后凍土帷幕位移分布云圖

圖8 初次襯砌完成后凍土帷幕應力分布云圖

從(圖8)可知，在完成混凝土初次襯砌之后，凍土帷幕第一主應力介于－0.79MPa～0.24MPa之間，凍土帷幕第三主應力介于－3.16MPa～0.003MPa之間，凍土帷幕等效應力介于0.03MPa～2.33MPa之間，拉應力最大值由0.45MPa減小為0.24MPa，變化幅度較大，減小幅度將近50%;壓應力最大值達到3.16MPa，較上一工況明顯增大，最大增大幅度超過一倍，這是由于聯絡通道土體開挖后土體應力得到釋放，凍土帷幕土體承受很大的土體自重，表現為受壓狀態;凍土帷幕等效應力最大值達到2.33MPa，較上一工況也有明顯增大，凍土帷幕等效應力最大值出現在通道土體邊緣處，這是由于土體邊緣與管片相交處容易產生應力集中現象。

圖9 初次襯砌完成后凍土帷幕位移分布云圖

從(圖9)可知，開挖深度至聯絡通道一半時，通道未開挖段土體出現 －X方向最大位移值，達到－6.7mm;通道開挖段頂部土體出現－Y方向的位移最大值，達到9.3mm，土體有下沉的趨勢，開挖段底部出現土體+Y方向的位移最大值，達到8.3mm，土體有向上隆起的趨勢，這是由于盾構管片的部分打開及聯絡通道的開挖使得土體應力得到釋放，使周圍土體產生了較大的變形，在開挖面上土體有較明顯往外偏移的趨勢。由于土體凍結效果較好，已達到一定的強度要求，使得土體具有較好的自立能力，維持了開挖面的穩定狀態。如果土體加固強度不夠存在缺陷，則此時可能出現泥沙涌入的危險情況。

3.2.4 工況四(開挖結束，打開對面鋼管片，完成聯絡通道的初次襯砌)

本工況研究聯絡通道開挖完成，并打開對面鋼管片以及完成聯絡通道混凝土初次襯砌支護后，凍土帷幕表面的受力變形情況。

圖10 構筑初次襯砌后凍土帷幕應力分布云圖

從(圖10)可以看出，整個聯絡通道初次襯砌結構完成后，凍土帷幕第一主應力介于－0.91MPa～0.49MPa之間，較上一工況，最大拉應力由0.24MPa增大為 0.49MPa，凍土帷幕第三主應力介于－3.73MPa～0.03MPa之間，較上一工況，最大壓應力由3.16MPa增大為3.73MPa，凍土帷幕等效應力介于0.04MPa～2.86MPa之間，較上一工況，凍土帷幕應力有所增大，這是因為隨著另一半土體的開挖，土體應力得到釋放，凍土帷幕土體承受很大的土體自重。

圖11 構筑初次襯砌后凍土帷幕位移分布云圖

從(圖11)可以看出，整個聯絡通道構筑完初次襯砌后，土體帷幕頂部和底部位置在+X方向出現最大位移值達到3.3mm;由于凍土帷幕右半部分初次襯砌結構還未施工，在凍土帷幕頂部和底部表現出的Y方向最大位移值的范圍明顯大于左半部分凍土帷幕，在頂部出現 －Y方向下沉位移值，最大達到－11.8mm，在底部出現+Y方向向上隆起位移值，最大達到11.9mm。開挖完成后為避免凍土帷幕長時間暴露在空氣中，應隨后立即進行土體支護結構的施工作業，確保施工過程的安全。

3.2.5 工況五(聯絡通道構筑永久襯砌)

本工況研究構筑永久襯砌后，凍土帷幕表面的受力變形情況。

圖12 構筑永久襯砌后凍土帷幕應力分布云圖

從(圖12)可知，在聯絡通道完成永久襯砌后，凍土帷幕第一主應力介于－0.91MPa～0.49MPa之間，凍土帷幕第三主應力介于－3.73MPa～0.02MPa之間，凍土帷幕等效應力介于0.04MPa～2.86MPa之間，較之上一工況凍土帷幕應力分布狀態基本不變，可知，此時凍土帷幕受力狀態已基本穩定。

圖13 構筑永久襯砌后凍土帷幕位移分布云圖

從(圖13)可以看出，構筑永久襯砌后，凍土帷幕在X方向的位移值也基本沒變，凍土帷幕在－Y方向的下沉位移量由11.8mm下降為12.3mm，變化較小，凍土帷幕在+Y方向的隆起位移量基本沒有變化，可知，此時凍土帷幕已處于較好的穩定狀態。

4 總結

本文采用數值模擬方法結合某市軌道交通工程越江區間隧道1#聯絡通道凍結加固工程實踐，對實際工況的凍結溫度場進行了模擬分析，并主要全面分析了越江隧道1#聯絡通道凍結法施工引起的凍土帷幕受力變形的影響，得到以下結論:

(1)時間溫度場變化規律:凍結前期，由于土體溫度與鹽水溫度相差很大，土體溫度呈直線下降，凍結后期，形成凍結帷幕后，土體溫度平穩下降。

(2)凍結管外圈土體降溫速度較內圈土體來得慢，最終的土體溫度也較內圈土體高。由于管片導熱系數大，導致靠近管片處土體的溫度較中間段土體溫度高。

(3)通道標準段開挖至一半以及構筑初次襯砌，開挖部分聯絡通道內部凍土帷幕最大變形點出現在凍土帷幕頂部和底部中間位置。

(4)土體開挖結束并打開對面鋼管片以及構筑初次襯砌，凍土帷幕的最大變形量有所增大。

(5)構筑永久襯砌后，凍土帷幕的最大變形量有所增大，但變化較小，可知，此時凍土帷幕已經基本穩定。

通過數值模擬研究凍土帷幕受力變形規律可以指導優化設計凍結管的布置參數，以及施工過程中合理布置臨時支撐。

［1］翁家杰，陳明雄.凍結技術在城市地下工程中的應用［J］.煤炭科學技術，1997，25(7):51－53.

［2］李洪升等.一維凍結土體凍脹量的水熱力耦合計算［J］.大連理工大學學報，1999，39:5－8.

［3］仇培云，岳豐田.上海市大連路越江隧道聯絡通道凍結施工模擬試驗研究［J］.巖土工程界，2004，8(3):32－33.

［4］王暉，李大勇，李健.地鐵聯絡通道凍結法施工三維數值模擬分析［J］.地下空間與工程學報，2011，7(12):1589－1593.

［5］喬京生.地鐵隧道水平凍結施工地表變形特性的模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，9(1):11－13.

Numerical Simulation Analysis of Frozen Soil Curtain in Freezing Construction

GUANQiang
(Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025)

The background is the freezingmethod construction of cross－river tunnel’s 1#connecting passage in the city rail transit engineering.The paper in－depth studies the laws of the frozen soil curtain force and deformation in each condition of freezing construction process of cross－river tunnel connecting passage bymeans of numerical simulation，draws conclusions that the impact of steel sheet was opened and the excavation process of soil is themostobvious.The contentswill have important guiding significance for the design of frozen soil curtain of the cross－river tunnel contacting passage freeze，and willhave important reference value for ensuring the safety of such cross－river tunnel contacting passage＇s freezing engineering.

Frozen construction;Frozen soil curtain;Force and deformation

U455

A

1004－6135(2015)11－0092－05

官強(1988.11－ )，男，助理工程師。

2015－10－07

官 強(1988.11－ )，男，助理工程師，主要從事巖土工程勘察方面的工作。