人工地層凍結法地鐵聯絡通道安全性研究

裴浩翔

摘 要：人工地層凍結法廣泛應用于地鐵聯絡通道開挖中，該工法能提高凍結管附近圍巖的強度，形成一個密封的凍結帷幕，起到開挖支護和隔斷地下水的作用。本文以杭州地鐵育三區間為工程背景，采用數值模擬方法對聯絡通道的凍結帷幕進行強度校核，根據數值計算結果，得到凍結帷幕強度整體上滿足工程開挖支護要求。值得注意的是，拱頂處凍結帷幕強度安全系數較低，在施工過程中應重點關注。本文提出的方法對今后凍結法在地鐵聯絡通道或相關類似工程中應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：聯絡通道;人工地層凍結法;凍結帷幕;強度校核

中圖分類號：TU231文獻標識碼：A

人工地層凍結法具有強度高，隔水性好，無污染，施工方便，地層可還原等優點，被廣泛應用于煤礦，隧道建設中。在城市地鐵工程中，人工地層凍結法廣泛用于聯絡通道的開挖。國內學者對聯絡通道的凍結施工技術進行了大量研究，[1-5]提出了很多具有實踐指導意義的方法。凍結管的布置形式，鹽水循環溫度對凍結法的溫度場有很大的影響，[6-7]針對凍結法的研究主要是地層溫度場及位移場的分布，[8-10]通過現場監測獲得的數據，結合理論分析、數值模擬等手段評估凍結效果，[11-12]凍結效果的評價主要依據實測的凍結帷幕的平均溫度。

聯絡通道是軟土地層中地鐵盾構區間施工控制的重點，聯絡通道的開挖會引起地表沉降及地下水的流動。利用人工地層凍結法可以有效控制地表沉降及地下水流動，減少安全事故的發生。前人做了不少有關凍結溫度場及凍脹融沉變形的研究，無論是現場實測、模型試驗，還是數值計算均取得了不少成果。本文結合杭州地鐵育三區間聯絡通道復雜粉質粘土地層特征，采用人工凍結法對聯絡通道進行地層加固，在積極凍結45天后，對凍結帷幕的強度進行校核，確保聯絡通道開挖施工安全。

1 工程概況

育三區間位于杭州市西湖區古墩路上。除地面橋梁接坡處地形略有起伏外，現場地勢較平坦，地面標高3.35～4.97m。上、下行線出育英路站后采用V字坡進入三墩站，最大縱坡為24‰，最小縱坡為5‰。區間隧道埋深為6.3m-17.6m。沿線兩側分布有各種民用商業建筑，以多層建筑物、高層建筑為主，且距離區間軸線凈距較小。育三區間設置一個聯絡通道兼泵站合建，其上行線里程：SDK34+707.500，下行線里程：XDK35+148.411。通道處左右區間中心間距為13米。本區段聯絡通道處的土層主要為：①人工填土。②淤泥質土。③粉質粘土。④砂質粘土等。聯絡通道采用人工凍結法加固地層、礦山暗挖法施工以確保施工安全，聯絡通道凍結設計圖見圖1。

Fig1 The design of the connected tunnel using artificial ground freezing method

聯絡通道位于古墩路下方，周邊地下埋設有各類管線，因此聯絡通道開挖引起的地層沉降必須控制在許可的范圍內，聯絡通道及泵站處管線詳情見表1：

2 凍結帷幕的強度校核

基于設計要求的凍結帷幕平均厚度，采用二維荷載-結構模型對凍結帷幕實施安全校核，分析采用Ansys有限元軟件。采用梁單元模擬凍結帷幕，其中梁單元的高度參數設置為凍結帷幕厚度，彈性模量和泊松比分別為粉質粘土形成凍土的彈性模量和泊松比，彈性模量為236.0 MPa，泊松比為0.21，梁單元構成的輪廓為凍結帷幕輪廓線加上凍結帷幕厚度的一半;采用地層彈簧模擬凍結帷幕周邊的彈性抗力，通過設置地層彈性抗力系數進行模擬，本地層彈性抗力系數為28.0 MN/m3。粉質粘土凍結帷幕的抗拉、抗壓和剪切強度指標分別為1.57MPa，8.46MPa，[13]1.71MPa。[14]數值分析模型見圖2。

考慮最不利的工況組合進行校核，這種工況組合的凍結帷幕厚度假設為設計凍結帷幕厚度2m，且埋深為10.9m，計算截面為左右線區間隧道的中心截面。該工況主要包含頂部的砂土和粉質粘土，凍土主要位于粉質粘土當中。凍結帷幕承受的地層荷載主要有頂部豎向土壓力、側向土壓力及底部地層反力。頂部凍結帷幕豎向土壓力為：

p1=∑ni=1γihi+20（1）

式中，γi為頂部各層土的容重，hi為不同土質的地層厚度，20kPa為地面超載;人工填土的重度為17.5kN/m3，厚度為35m;淤泥質土重度為17.4kN/m3，厚度為1.6m;粉質粘土重度為18kN/m3，厚度為1.7m;砂土的重度γ1為18.7kN/m3，厚度為0.8m，砂質粘性土重度為18.6kN/m3，厚度為3.3m。側向土壓力q= K0 p1，粉質粘土側壓力系數K0為0.40;凍土帷幕底部土壓力可近似為p2= p1+πγ2H2，其中，粉質粘土凍結帷幕的重度γ2為20.0kN/m3，厚度H2為凍結帷幕厚度2m。通過計算，獲得凍土帷幕的荷載如圖2所示。

Fig2 The loading figure

將圖2所示的荷載，施加在二維荷載-結構模型中，通過有限元分析，可得到凍結帷幕的彎矩、軸力和剪力分布如圖3所示：

Fig3 The internal force of the frozen area

依據所獲得的凍結帷幕彎矩、軸力和剪力，可計算出凍結帷幕的正應力和剪應力。其中正應力為：

其中，W=b×h2/6，A=b×h，b為凍結帷幕寬度，平面問題取為1.0m;h為設計凍結帷幕厚度2m。凍結帷幕應力計算結果見表2。

由表2可見，凍結帷幕的最大拉應力，最大壓應力，最大剪應力分別小于凍土的容許拉應力1.57MPa，容許壓應力846MPa，容許剪應力1.71MPa，這說明，凍結帷幕厚度滿足強度設計要求。數值計算得到的壓應力和剪應力遠小于容許壓應力和容許剪應力。最大拉應力發生在凍結帷幕的拱頂位置，略小于容許拉應力，存在一定的安全隱患，強度安全系數較低。因此在凍結施工過程中，應對凍結帷幕拱頂位置進行局部加強。在凍結設計時，可以在拱頂處增加布置兩根凍結管，從而增加拱頂凍結帷幕厚度，增加截面模量，減小截面應力。同時在施工過程中，應做好現場監控量測工作，對聯絡通道地表沉降，徑向收斂位移，拱頂位移實施監測。

3 結論

根據凍結帷幕的二維荷載-結構模型，在最不利荷載組合條件下，通過數值計算，獲得了凍結帷幕的內力，將凍結帷幕視為矩形截面梁，通過不同軸力與彎矩的組合形式，計算得到其最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力。通過與砂質粘土凍結帷幕抗拉、抗壓和抗剪強度指標進行對比，表明凍結帷幕整體上滿足強度安全要求。值得注意的是，拱頂處凍結帷幕強度安全系數較低，在凍結施工過程中，應對拱頂處最大拉應力發生的位置進行局部加強。

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