上海長江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)優(yōu)化設(shè)計研究

楊 超，岳豐田

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

0 引言

上海長江隧道位于長江入?？?，地質(zhì)條件復(fù)雜，聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險大，在凍結(jié)設(shè)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(yīng)凍土帷幕安全狀態(tài)的參數(shù)需要通過實測獲得，因此，通過嚴密監(jiān)測凍結(jié)過程中凍土帷幕的重要狀態(tài)參數(shù)，既可以為工程安全提供保障，同時又可以為優(yōu)化施工方案、完善凍結(jié)設(shè)計提供依據(jù)，為理論深入研究提供數(shù)據(jù)。

1 工程概況

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

表1 聯(lián)絡(luò)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(fā)生觸變和流變;⑤2和⑤3t層為粉性土層，其透水性強，易發(fā)生突發(fā)性的涌水、涌砂事故。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道所處地層特性及上海地區(qū)地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工經(jīng)驗，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟比較，8個聯(lián)絡(luò)通道均采用水平凍結(jié)法加固土體，礦山法施工。

2 凍結(jié)設(shè)計及施工效果

2.1 凍土帷幕設(shè)計

1)凍土帷幕厚度。聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕正常段設(shè)計厚度2.7 m，喇叭口2.4 m。

2)凍土帷幕平均溫度。開挖區(qū)外圍凍結(jié)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(jié)時間45 d。

2.2 凍結(jié)孔設(shè)計

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

加強與山農(nóng)大、林科院等大專院校和科研院所的技術(shù)合作，聯(lián)合開展良種選育、豐產(chǎn)栽培、病蟲害防治等科技攻關(guān)，承接多項核桃研究課題，“國內(nèi)外優(yōu)良核桃品種資源引進、示范及開發(fā)技術(shù)研究”項目獲全市科技進步獎。編制了《汶上縣核桃生產(chǎn)管理技術(shù)規(guī)范》，制定了行業(yè)標準和技術(shù)規(guī)程，加強產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管，普及推廣科學(xué)施肥、土壤改良、整形修剪、病蟲害防治、間作套種等實用技術(shù)。健全縣、鄉(xiāng)、村三級服務(wù)體系，通過舉辦培訓(xùn)班、專家現(xiàn)場指導(dǎo)等方式，加強對核桃種植大戶的技術(shù)培訓(xùn)，探索實行核桃統(tǒng)一修剪、統(tǒng)一嫁接、統(tǒng)一打藥、統(tǒng)一施肥、統(tǒng)一澆水等全托管、保姆式服務(wù)，降低生產(chǎn)成本，提高科技含量。

2.3 凍結(jié)施工效果分析

1#聯(lián)絡(luò)通道于2007年11月6日開始凍結(jié)施工。本文根據(jù)凍結(jié)過程中測溫孔的溫度信息選取垂直于聯(lián)絡(luò)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(jié)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(jié)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(lián)絡(luò)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(jié)的進行，凍土帷幕向內(nèi)發(fā)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(jié)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(lián)絡(luò)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(jié)壁平均溫度為溫度曲線包絡(luò)圖面積除以計算截面凍結(jié)壁厚度。通過計算得到積極凍結(jié)55 d凍土帷幕的平均溫度如表2所示。

表2 積極凍結(jié)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(jié)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(lián)絡(luò)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(jié)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(nèi)凍土占了很大一部分，同時從現(xiàn)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(jié)優(yōu)化設(shè)計及施工效果

3.1 原設(shè)計的不足

根據(jù)1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中反饋的信息，產(chǎn)生這種不利影響的主要原因是內(nèi)排凍結(jié)孔偏多，外排凍結(jié)孔偏少，使得凍結(jié)后期凍土帷幕向外發(fā)展速度較慢，積極凍結(jié)時間延長;同時，向內(nèi)發(fā)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(lián)絡(luò)通道施工中因布孔方式帶來的不利影響，本次對凍結(jié)孔的布置方式進行優(yōu)化研究，以便于2#～8#聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)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(jié)溫度場分析

為增加凍土帷幕向外的發(fā)展厚度，同時減小無效的凍土厚度，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上減小外排孔間距，加大內(nèi)排孔間距，實際操作中采用加大或減少內(nèi)外圈凍結(jié)孔數(shù)量來改變孔間距。溫度場模擬計算時將聯(lián)絡(luò)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(jié)時凍結(jié)管對周圍的影響范圍為凍結(jié)管一側(cè)凍結(jié)壁厚度的3～5倍，一般不超過外圈凍結(jié)管外側(cè)凍結(jié)壁厚度的5～8倍［7］。計算時，考慮到凍結(jié)壁厚2.7 m，外圈凍結(jié)管向外側(cè)發(fā)展1.2 m左右，取聯(lián)絡(luò)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(nèi)排孔14～22個，步長2;外排孔18～28個，步長2?？孜徊贾眉澳Ｐ陀邢拊嬎憔W(wǎng)格如圖8所示(以內(nèi)排孔數(shù)量14、外排孔數(shù)量18為例)。

2)邊界條件與熱物理參數(shù)。邊界條件按照1#聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)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(shù)如表3所示。

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

3.2.2 溫度場計算結(jié)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(zhuǎn)10°，設(shè)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(zhuǎn)10°，設(shè)置9條路徑;共設(shè)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(shù)下凍土帷幕有效厚度如圖9所示。積極凍結(jié)45 d，從有效厚度來看，外排孔一定，內(nèi)排孔由14增至22，有效厚度增加0.005～0.051 m;內(nèi)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(shù)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(shù)下凍土帷幕有效厚度(積極凍結(jié)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(nèi)排孔數(shù)量一定時，外排孔數(shù)量由18增至28凍土帷幕平均溫度下降1℃左右;外排孔數(shù)量一定時，內(nèi)排孔數(shù)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(nèi)、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(jié)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(shù)下凍結(jié)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(jié)效率(有效厚度/凍結(jié)總厚度)來看，積極凍結(jié)45 d，內(nèi)排孔14個，凍土帷幕進荒徑0.35～0.495 m，凍結(jié)效率約89.5%;內(nèi)排孔16個以上，凍土帷幕進荒徑0.528～0.646 m，凍結(jié)效率約82%。

圖11 不同孔數(shù)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(yōu)化方案及凍結(jié)效果

根據(jù)1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)實測及數(shù)值分析結(jié)果，對現(xiàn)有凍結(jié)孔布孔方式進行優(yōu)化，即內(nèi)排孔14個，外排孔24個，積極凍結(jié)時間45 d。積極凍結(jié)45 d凍土帷幕有效厚度、平均溫度見表4。

表4 積極凍結(jié)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(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)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(lián)絡(luò)通道)。對比1#和5#聯(lián)絡(luò)通道2種布孔方式下溫度場分布圖(見圖12)可以看出，調(diào)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(jié)效率高;因此，新的布孔方式更加合理。

圖12 積極凍結(jié)45 d聯(lián)絡(luò)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(jié)論與體會

1)通過對1#聯(lián)絡(luò)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(xiàn)有的布孔方式下積極凍結(jié)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(shù)值分析，得出在確保凍土帷幕安全的前提下，提高凍結(jié)效率。合理的布孔方式為:內(nèi)排孔數(shù)量14或15個，外排孔數(shù)量22～26個。

3)根據(jù)1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工情況及數(shù)值分析結(jié)果對原凍結(jié)孔設(shè)計方案進行了調(diào)整，即內(nèi)排孔14個，外排孔24個，積極凍結(jié)時間45 d。

4)通過對比分析凍結(jié)孔調(diào)整前后2種布孔方式下的凍結(jié)效果，積極凍結(jié)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(jié)效率高，這為2#～8#聯(lián)絡(luò)通道安全、經(jīng)濟地凍結(jié)施工提供了重要保障。

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