下穿運(yùn)營(yíng)地鐵車站的區(qū)間隧道凍結(jié)暗挖施工數(shù)值模擬

林 濟(jì)

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200070

在有限的地下空間中，新建建筑如何在不破壞既有建筑結(jié)構(gòu)的前提下完成施工成為了一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的大開挖法雖然施工簡(jiǎn)便，但在建筑結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境條件日益復(fù)雜的今天，已經(jīng)不能滿足所有工況的施工要求。凍結(jié)加固礦山暗挖技術(shù)能在不破壞既有建筑上部結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)既有建筑地下結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行處理，既能保護(hù)既有建筑的安全，又能為新建建筑的施工提供條件，是一種在軟土地區(qū)解決地下施工障礙的新技術(shù)。

目前，國內(nèi)外對(duì)凍結(jié)加固礦山暗挖技術(shù)的研究主要集中在凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)分析、支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算、溫度場(chǎng)作用下凍脹融沉的驗(yàn)算等方向[1-3]，對(duì)開挖施工過程的模擬較少。本文采用MIDAS/GTS軟件對(duì)上海軌道交通18號(hào)線區(qū)間下穿運(yùn)營(yíng)中軌道交通10號(hào)線國權(quán)路站的凍結(jié)暗挖施工進(jìn)行全過程數(shù)值模擬，研究施工全過程中暗挖土體的位移變化規(guī)律。

1 工程概況

上海軌道交通18號(hào)線國權(quán)路站—復(fù)旦大學(xué)站區(qū)間隧道下穿運(yùn)營(yíng)中的軌道交通10號(hào)線國權(quán)路站，區(qū)間與車站底板最小豎向凈距2 m。軌道交通10號(hào)線國權(quán)路站圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，盾構(gòu)難以穿越，設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法對(duì)國權(quán)路車站底板下土體進(jìn)行加固，然后采用礦山法暗挖，鑿除原有10號(hào)線地下連續(xù)墻，并形成一次支護(hù)，盾構(gòu)從支護(hù)體內(nèi)穿越，如圖1所示。

圖1 上海軌道交通18號(hào)線區(qū)間與國權(quán)路車站位置示意

本工程凍結(jié)暗挖段基本概況如下：

1）暗挖隧道直徑為7.3 m，上、下行線隧道凈間距為6.84 m，暗挖隧道覆土厚度為18.4 m。

2）凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為2 m，凍結(jié)溫度為-10 ℃，凍結(jié)壁長(zhǎng)度38 m。

3）開挖長(zhǎng)度為36 m，單次開挖進(jìn)尺1 m，分左上、左下、右上、右下4塊依次開挖，單次開挖半圓形土體，每開挖1 m即施工一榀環(huán)形鋼拱架及臨時(shí)支撐。

4）環(huán)形支護(hù)鋼拱架為HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼，臨時(shí)支撐的主要支撐為20a#（200 mm×100 mm×7 mm）工字鋼，次要支撐為10#（100 mm×63 mm×4.5 mm）工字鋼（圖2）。

圖2 凍結(jié)暗挖斷面

2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)上海軌道交通18號(hào)線一期工程詳勘階段國權(quán)路站的巖土工程勘察報(bào)告，工程地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 數(shù)值模擬假設(shè)及參數(shù)設(shè)定

本文采用MIDAS/GTS軟件對(duì)凍結(jié)暗挖施工進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)土體和凍結(jié)體做以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1）根據(jù)地勘報(bào)告，凍結(jié)暗挖隧道所處地層變化平緩，土層厚度較為均勻，故假定土層厚度均勻。

2）礦山暗挖法開挖的影響范圍為單側(cè)15 m。

3）凍結(jié)施工完成后凍結(jié)壁為-10 ℃的等溫體，且各處厚度皆等于2 m。

4）假設(shè)凍結(jié)壁所包圍的被開挖土體同樣為-10 ℃的等溫體，強(qiáng)度等于凍土。

5）假設(shè)凍土與未凍土均為彈塑性體，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型及實(shí)體單元模擬。

環(huán)形支護(hù)鋼拱架以及臨時(shí)鋼支撐均為彈性體，通過彈性本構(gòu)及梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其各自物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

表2 力學(xué)參數(shù)取值

3.2 開挖影響范圍研究

取水平方向影響范圍為3倍開挖寬度，豎直方向影響范圍為5倍開挖深度，建立的模型長(zhǎng)（x方向）85.44 m、寬（y方向）38.00 m，深度方向（z方向）為60.00 m，長(zhǎng)度與深度均較大。

數(shù)值計(jì)算中，地表為自由邊界條件；模型前后邊界的y方向位移限制為零，x及z方向自由；模型左右兩側(cè)邊界的x方向位移限制為零，y及z方向自由；模型底部邊界的x、y、z方向位移限制為零，其他方向自由。

先模擬左上土體開挖，開挖進(jìn)尺取0.5 m，共模擬6次開挖進(jìn)尺，開挖長(zhǎng)度為3 m，研究開挖引起的周邊土體位移影響范圍，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 土體位移等值線圖

由圖3可看出，最外側(cè)等值線以外的土體位移很小，可忽略不計(jì)，所以取左上土體開挖的x方向影響范圍為開挖直徑的1.5～2.0倍，z方向影響范圍為開挖高度的3～4倍。左上開挖直徑7.3 m，開挖高度3.65 m，則取影響范圍為15 m。

據(jù)此，重新建立模型，模型長(zhǎng)（x方向）51.44 m、寬（y方向）38 m，深（z方向）為50 m。模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為21 100個(gè)，單元總數(shù)為41 198個(gè)，模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型

初次建立的模型完成單次開挖模擬耗時(shí)0.5～1.0 h，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)約5 h，時(shí)間非常長(zhǎng)；新建模型單次開挖模擬時(shí)間大大縮短，為5～10 min。由此看出，開挖影響范圍的選擇非常重要，合適的尺寸可以在保證計(jì)算精度及可靠性的基礎(chǔ)上加快計(jì)算速度。

3.3 開挖進(jìn)尺研究

設(shè)計(jì)給定的開挖進(jìn)尺為1 m，本文以左側(cè)隧道開挖為例，對(duì)1、2、3 m的開挖進(jìn)尺分別進(jìn)行模擬，研究不同開挖進(jìn)尺對(duì)凍結(jié)壁收斂的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 開挖進(jìn)尺為1 m時(shí)z方向位移云圖

圖6 開挖進(jìn)尺為2 m時(shí)z方向位移云圖

從圖5～圖7可知，開挖進(jìn)尺分別為1、2、3 m時(shí)，凍土壁頂部最大下沉量分別為-7.5、-18.7、-32.4 mm，底部最大抬起量分別為3.7、7.9、11.9 mm。隨著開挖進(jìn)尺的增大，凍土壁的收斂變形也隨之增大。在設(shè)計(jì)文件中，設(shè)計(jì)要求凍土壁的收斂報(bào)警值為±20 mm。根據(jù)本文的數(shù)值模擬，開挖進(jìn)尺為2 m時(shí)，凍土壁收斂變形已逼近報(bào)警值。所以，為了保證施工安全，防止偶然因素發(fā)生，設(shè)計(jì)要求開挖進(jìn)尺不超過1 m。

圖7 開挖進(jìn)尺為3 m時(shí)z方向位移云圖

4 開挖過程模擬

4.1 開挖工況

根據(jù)實(shí)際開挖順序，對(duì)上、下行線開挖區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，均各自分為6個(gè)區(qū)域，如圖8所示，開挖順序如圖9所示。

圖8 開挖區(qū)域編號(hào)示意

圖9 開挖順序

開挖長(zhǎng)度36 m，單次開挖進(jìn)尺1 m，則根據(jù)開挖順序?qū)λ械谋婚_挖土體分別進(jìn)行了編號(hào)，按照y方向排序，分別為左上1～36、左下1～36、右上1～36、右下1～36。

4.2 多工況連續(xù)計(jì)算分析

采用多工況連續(xù)計(jì)算的方法對(duì)開挖過程進(jìn)行模擬。先模擬左上1～7土體開挖過程，圖10、圖11為左上1和左上7的計(jì)算結(jié)果。

圖10 左上1開挖z方向位移云圖

圖11 左上7開挖z方向位移云圖

將左上1～7土體開挖結(jié)果進(jìn)行整理，并對(duì)后續(xù)工況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 左上開挖1～7最大隆起量及預(yù)測(cè)曲線

圖13 左上開挖1～7最大沉降量及預(yù)測(cè)曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，沉降隆起量會(huì)隨著開挖的逐步進(jìn)行而逐漸增大，且呈現(xiàn)不可控趨勢(shì)，而在實(shí)際施工中，左、右隧道累積豎向位移均小于±10 mm，累積收斂變形均小于±5 mm，因此多工況連續(xù)計(jì)算的方法與實(shí)際不符。這是由于在多工況連續(xù)計(jì)算中，位移和應(yīng)力是逐次累加的，上一工況的位移和應(yīng)力將作為下一工況的初始應(yīng)力和位移狀態(tài)。凍土作為一種較硬的介質(zhì)，性狀類似硬巖，局部?jī)鐾馏w的開挖所導(dǎo)致的應(yīng)力重分布是一個(gè)緩慢而持續(xù)的過程，應(yīng)力釋放并不會(huì)在瞬間傳遞到未開挖的土體上，而有限元計(jì)算軟件中的施工階段是通過瞬時(shí)“殺死”被開挖土體單元來實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖土體的模擬，這種矛盾導(dǎo)致了如下的結(jié)果——隨著開挖步序的進(jìn)行，位移及收斂逐漸增大，又進(jìn)一步疊加至下一步的工況中。所以除第一步開挖工況外，后續(xù)工況的計(jì)算結(jié)果不能反映實(shí)際工況及位移變形。這種多工況連續(xù)計(jì)算的模擬方式較為適合基坑開挖的模擬，不適用于凍結(jié)加固后的礦山法暗挖施工模擬。

4.3 修正計(jì)算分析

針對(duì)上面的問題，在開挖進(jìn)尺較小的情況下，在每個(gè)開挖工況模擬前均對(duì)初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行修正，將初始位移歸零，抵消前序工況位移及應(yīng)力對(duì)本次工況的疊加影響。表3和圖14為采用修正計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。從表3和圖14可知，模擬計(jì)算的位移變化趨勢(shì)與實(shí)際基本吻合，能夠反映施工過程中暗挖土體的位移變化規(guī)律。

同時(shí)，對(duì)于左上及右上土體的開挖，土體隆起的主要位置為開挖土體正下方未開挖土體頂部的兩側(cè)，隆起的極值為8.5～31.8 mm；土體沉降的主要位置為前方開挖面的上部，沉降的極值為-6.2～-2.1 mm，如圖15所示。

對(duì)于左下及右下土體的開挖，土體隆起的主要位置為前方開挖面未開挖土體頂部的兩側(cè)，隆起極值為9.0～10.3 mm；土體沉降的主要位置為前方稍遠(yuǎn)處未開挖土體的左右兩側(cè)，沉降極值為-1.2～-0.2 mm，如圖16所示。

表3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖14 最大沉降量對(duì)比

圖15 上部土體開挖z方向 位移云圖

圖16 下部土體開挖z方向位移云圖

從計(jì)算結(jié)果來看，在進(jìn)行上半部分開挖時(shí)，底部未開挖土體的隆起量較大，在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語

1）凍結(jié)暗挖計(jì)算的水平方向影響范圍可取開挖直徑的1.5～2.0倍，豎直方向影響范圍可取開挖高度的3～4倍。

2）多工況連續(xù)計(jì)算的模擬方式不適用于凍結(jié)加固礦山法暗挖施工模擬，應(yīng)在每一步開挖工況模擬前對(duì)初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行修正。

3）本工程單次開挖的最大進(jìn)尺不得超過1 m。

4）進(jìn)行上半部分開挖時(shí)，底部未開挖土體的隆起量較大，為防止對(duì)豎向支撐產(chǎn)生影響，應(yīng)在施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

[1] 武亞軍,楊建波,李大勇.隧道聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)法施工數(shù)值分析 [J].土木工程學(xué)報(bào),2011(增刊2):144-147.

[2] 武亞軍,李大勇,楊敏.凍結(jié)法隧道施工數(shù)值仿真模擬[J].巖石力學(xué) 與工程學(xué)報(bào),2005,24(增刊2):5851-5856.

[3] 李海峰.軟土地層淺埋暗挖通道凍結(jié)法施工數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代城市 軌道交通,2015(2):38-41.