嶺下隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工力學(xué)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(jié)法施工簡介

人工凍結(jié)技術(shù)源于天然凍結(jié)現(xiàn)象，德國工程師F·H·POETCH首先提出了凍結(jié)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(jié)法建造井筒。從此，這項地層加固的特殊技術(shù)被廣泛地應(yīng)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(jié)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(jié)成封閉的連續(xù)凍結(jié)帷幕以抵抗地壓，并隔絕地下水與開挖體之間的聯(lián)系，然后在這封閉的連續(xù)凍結(jié)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(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道設(shè)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(jié)法施工條件下修建盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道組成復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)行為。喬衛(wèi)國等人[8]對凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、地表變形等方面進行了跟蹤監(jiān)測；通過對監(jiān)測結(jié)果進行分析研究，獲得了凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力的變化規(guī)律。在計算聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁穩(wěn)定性過程中，仍以現(xiàn)場監(jiān)測及解析計算為主要方法，這對計算凍結(jié)壁的安全穩(wěn)定性存在一定的局限性。

本文綜合考慮嶺下隧道復(fù)雜泥質(zhì)地層特征，采用人工凍結(jié)技術(shù)對越江隧道聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進行凍結(jié)，在進行一個多月的凍結(jié)后，在聯(lián)絡(luò)通道四周形成高強度的凍土帷幕結(jié)構(gòu)，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(zhì)的影響。通過采用FLAC3D軟件對越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁安全性進行了數(shù)值模擬分析，著重研究聯(lián)絡(luò)通道開挖后凍結(jié)帷幕的變形和應(yīng)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(guī)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(gòu)掘進方式分別穿越黃浦江和濟陽路，為雙管單層盾構(gòu)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(shè)置X匝道，在浦東設(shè)置D1匝道和D2匝道。明挖段根據(jù)基坑開挖深度分別采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁加隔水帷幕、型鋼水泥攪拌墻作圍護結(jié)構(gòu)，矩形暗埋段主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，引道敞開段采用U型結(jié)構(gòu)。部分開挖段擬設(shè)置抗拔樁。

3 凍結(jié)壁安全性力學(xué)計算

3.1 旁通道結(jié)構(gòu)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(shè)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(biāo)高分別均為-26.612 m、-26.470 m。旁通道為圓形結(jié)構(gòu)，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(jié)壁結(jié)構(gòu)力學(xué)計算

3.2.1 旁通道喇叭口上部圓拱凍結(jié)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(cè)壓系數(shù)按0.7計算。計算結(jié)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(jié)壁計算模型及內(nèi)力、位移分布

通過對上部凍結(jié)壁的靜力計算可知，在均布荷載作用下，凍結(jié)壁的穩(wěn)定性較好，并沒有出現(xiàn)較大的彎矩作用和應(yīng)力集中情況，說明該凍結(jié)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(jié)壁計算

通過對下部凍結(jié)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(jié)構(gòu)力學(xué)計算表明旁通道的凍結(jié)壁強度和位移均滿足《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)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(jié)壁計算模型及內(nèi)力、位移分布

4 凍結(jié)壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 地層條件

旁通道位于黃浦江下，江面標(biāo)高+5.47 m(根據(jù)詳勘報告按黃浦江高潮位)，江底標(biāo)高為-8.38 m(BLZ1孔)，隧道中心標(biāo)高約為-26.47 m。考慮微承壓含水層的影響，設(shè)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(shù)見表1。

表1 地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬分析計算采用地層—結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)假定為線彈性材料，設(shè)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(shè)定旁通道在開挖前地層處于初始平衡狀態(tài)，最終得到的分析結(jié)果就是開挖后凍土受力和變形狀態(tài)。模型建立時對實際情況進行部分簡化[9]。

4.2 數(shù)值模型及邊界條件

數(shù)值計算中假定凍土與未凍土均為彈塑性材料，本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb，隧道與旁通道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)假定為線彈性材料，根據(jù)凍土強度試驗結(jié)果，設(shè)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(biāo)為粘聚力1.5 MPa，摩擦角28°。凍結(jié)壁承載力驗算采用許用應(yīng)力法，強度檢驗安全系數(shù)按Ⅲ類凍結(jié)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(shù)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(jié)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(jié)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(lián)絡(luò)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(yīng)力云圖

圖7 旁通道中部至隧道豎直方向應(yīng)力云圖

圖6～圖7為凍土結(jié)構(gòu)σzz、σxx、σyy、τxy應(yīng)力分布。從圖中σzz應(yīng)力分布可以看出，整個凍土帷幕都是受壓力的，最大正剪應(yīng)力τxy主要分布在帷幕喇叭口下部，τxy方向出現(xiàn)95.0 kPa的拉應(yīng)力；τxz方向出現(xiàn)最大214 kPa的拉應(yīng)力；τ方向出現(xiàn)最大337 kPa的拉應(yīng)力。σzz、σxx、σyy、τxy應(yīng)力的安全系數(shù)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(jié)構(gòu)完全可以滿足安全要求。

由以上位移及應(yīng)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(jié)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(dǎo)致凍結(jié)效果最差，強度最低，這就特別需要引起工程中的注意，在設(shè)計計算中應(yīng)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(jié)論

在對淮南高速嶺下隧道聯(lián)絡(luò)通道進行施工力學(xué)模擬分析的基礎(chǔ)上對凍土帷幕的變形及應(yīng)力分布情況進行了詳細(xì)的分析。確定了凍土帷幕的厚度設(shè)計值，并指出了容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置為凍土帷幕與隧道接觸部位，為今后的聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模擬與人工凍結(jié)法施工提供了參考。得出結(jié)論為：

(1)通過詳細(xì)的地質(zhì)勘查可知，越江隧道聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)條件較差，土質(zhì)含水量高，不適于土質(zhì)暴露的開挖方式，宜采用封閉式的凍結(jié)法施工，才能能保證隧道的安全穩(wěn)定。

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

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

(4)通過數(shù)值計算及施工過程來看，凍土帷幕設(shè)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(jié)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(jié)法在上海地鐵修復(fù)工程中的應(yīng)用[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008,16(3):21-25

[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,2005,24(2):5851-5856

[3] 劉珣,梁鵬.城市地下工程中人工凍結(jié)法的防凍脹優(yōu)化設(shè)計研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報,2004,27(4):387-390

[4] 武亞軍,楊敏,李大勇.大連路隧道聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),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(jié)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(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)[J].低溫建筑技術(shù),2006,12(5):64-66

[7] 張志強,何川.用凍結(jié)法修建地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工力學(xué)研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(18):3211-3218

[8] 喬衛(wèi)國，李大勇. 地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)監(jiān)測分析[J].巖土力學(xué),2003,24(4):666-670

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

[10] 肖朝昀,胡向東,張慶賀.地鐵修復(fù)工程中凍結(jié)法設(shè)計[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(11):1716-1719