盾構(gòu)橫通道凍結(jié)法施工數(shù)值模擬及現(xiàn)場應(yīng)用研究

郭正偉

（中鐵建南方建設(shè)投資有限公司 廣東深圳 518000）

1 引言

為確保地下鐵路在運營期間的安全，常在區(qū)間隧道之間設(shè)置一條橫通道，在高溫氣候地區(qū)，橫通道常用地面旋噴樁加固。而在地質(zhì)松軟地區(qū)，橫通道常用冷凍法加固［1-6］。近些年，隨著冷凍施工技術(shù)不斷成熟，橫通道的開鑿多采用凍結(jié)法施工來加固通道周圍的土體。凍結(jié)法屬于一種物理加固方法，其成本比其他施工方法相對較小，隔水性好，噪聲小、對周邊環(huán)境無污染、周圍建筑無影響、對凍結(jié)深度和范圍也都沒有過多的限制，因此近幾年在地下工程中的應(yīng)用愈來愈廣泛，尤其是在土質(zhì)較松軟的含水地層施工中具有無可取代性［7-13］。

本文以珠機城際橫琴隧道3#井～金融島站區(qū)間橫通道為例，結(jié)合凍結(jié)法設(shè)計及施工工藝，采用理論計算、數(shù)值模擬及監(jiān)控量測等方法，對凍結(jié)帷幕的應(yīng)力應(yīng)變特性、開挖造成隧道周圍管片應(yīng)力的重新分布等情況進行深入研究。

2 工程概況

珠機城際橫琴隧道3#井～金融島站區(qū)間共設(shè)3個橫通道，其中左線DK8+680.523（右線YDK8+723.674）設(shè)置為4#橫通道（無泵房）。

4#橫通道為圓拱結(jié)構(gòu)，最大凈寬3.1 m，通道最大凈高3.25m。橫通道的襯砌為雙層復(fù)合襯砌：初襯為鋼拱架和C25P6噴射混凝土結(jié)構(gòu)，厚度250 mm；二次襯砌為C50P10鋼筋防水混凝土結(jié)構(gòu)，初襯和二襯之間設(shè)一道防水層。

4#橫通道所處的地層主要為粉質(zhì)黏土層，部分區(qū)域為淤泥、中砂和全風(fēng)化巖層，所處位置為馬騮洲水道下方，含水豐富，地層滲透系數(shù)大，擬采用凍結(jié)法加固地層，臺階法施工，輔助工法采用掌子面預(yù)注漿。以保證施工安全和減少對地面環(huán)境的影響。橫通道結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 3#井～金融島站區(qū)間4#橫通道結(jié)構(gòu)

圖2 4#橫通道橫加固橫斷面圖

圖中，3#井～金融島站區(qū)間4#橫通道采用凍結(jié)法進行帷幕加固，洞身范圍采用注漿預(yù)加固土體，圖中陰影部分為冷凍加固區(qū)域。

3 凍結(jié)法加固設(shè)計及凍結(jié)效果分析

3.1 設(shè)計要求

（1）凍結(jié)帷幕設(shè)計參數(shù)

①凍結(jié)帷幕厚度為2.5 m。

②凍結(jié)壁平均溫度不高于-10℃，與管片交界處凍結(jié)帷幕平均溫度不高于-5℃。

③凍結(jié)壁抗壓強度為5 MPa，抗拉強度為1.8 MPa，抗剪強度為1.5 MPa（-10℃），滿足施工要求。

（2）凍結(jié)孔布置要求

凍結(jié)孔布置在隧道左右線兩側(cè)。4#橫通道共布置凍結(jié)孔63個，凍結(jié)孔總長度605.875 m；其中橫通道地板線以下設(shè)置單側(cè)凍結(jié)孔，地板線以上設(shè)置透孔，凍結(jié)孔的布置如圖3所示。

圖3 凍結(jié)法開孔位置（左線隧道）

（3）測溫孔布置要求

4#橫通道共布置測溫孔10個，主要用于測量凍結(jié)帷幕范圍的溫度變化，其具體布置如圖3所示。

（4）卸壓孔布置

在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布置4個卸壓孔，左、右線各2個，如圖3所示。

（5）橫通道開挖時應(yīng)具備條件

①凍結(jié)帷幕的平均溫度和厚度均達到設(shè)計值；

②已安裝正線隧道內(nèi)支撐和防護門；

③在兩隧道管片上凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)設(shè)泄壓孔或打探孔、泄壓孔和探孔無水、流出；

④凍結(jié)設(shè)備運轉(zhuǎn)正常并有備用設(shè)備；

⑤其他所需材料、設(shè)備已經(jīng)準備就緒。

3.2 凍結(jié)效果分析

凍結(jié)效果從凍結(jié)帷幕厚度的確定、凍土平均溫度及探孔情況三個方面分析。

（1）凍結(jié)帷幕厚度

測溫孔C2～BC12內(nèi)各設(shè)有3～6個測點。凍土發(fā)展速度是通過監(jiān)測測溫孔溫度變化所求得，各測溫孔從正式開始記錄溫度到降至零度的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各測點凍土發(fā)展速度

通過對表1中數(shù)據(jù)分析，取凍土的最慢發(fā)展速度為保守取值，即BC7，以最慢發(fā)展速度V＝25.5 mm／d按62 d外圈凍土發(fā)展半徑r＝1 580 mm。按凍結(jié)發(fā)展半徑為1 580 mm作圖，得到凍結(jié)62 d凍結(jié)帷幕發(fā)展圖，如圖4所示。

圖4 4#橫通道凍結(jié)帷幕模擬圖

（2）凍土平均溫度及凍結(jié)帷幕與管片交界面平均溫度

①凍土平均溫度根據(jù)公式法計算

式中，t為凍土平均溫度（℃）；tb為鹽水溫度；l為最大孔間距；E為凍土厚度（取凍土最薄弱處厚度）；tB為井幫溫度。

代入監(jiān)測數(shù)據(jù)通過計算得到：凍土平均溫度為t＝-13.1℃，滿足設(shè)計要求。

②凍結(jié)帷幕與管片交界面平均溫度

根據(jù) C2、C3、BC2、BC4、BC5、BC7、BC8、BC10凍結(jié)62 d第三個點測溫數(shù)據(jù)得知，凍結(jié)帷幕與管片交界面平均溫度均在-8℃以下，滿足設(shè)計要求。

（3）打設(shè)探孔及探孔溫度測量

在開挖面內(nèi)打設(shè)3個探孔，經(jīng)過測溫和24 h不間斷觀察，發(fā)現(xiàn)地層穩(wěn)定，凍結(jié)效果良好，無漏水、漏沙現(xiàn)象，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)以上分析及相關(guān)計算得到：橫通道凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為3.061m，滿足設(shè)計要求不小于2.5m；平均凍土溫度-13.1℃，滿足平均溫度-10℃的設(shè)計要求；維護凍結(jié)鹽水溫度-29.3℃（≤-28℃），滿足設(shè)計要求；凍結(jié)運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均滿足凍結(jié)參數(shù)要求；已凍結(jié)設(shè)備運轉(zhuǎn)正常且備用設(shè)備齊全，滿足開挖條件。

4 凍結(jié)法施工工藝

（1）凍結(jié)孔施工前注漿加固

①水平注漿加固

為了提高開挖過程中掌子面土體的自穩(wěn)性，在橫通道掌子面范圍內(nèi)打設(shè)4根超前水平注漿管，進行地層預(yù)加固。

②二次注漿加固

橫通道加固前應(yīng)對橫通道中線左右各5環(huán)管片外側(cè)進行二次補充注漿加固。在管片上預(yù)留注漿孔安裝逆漿閥，漿液選擇單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。

（2）凍結(jié)孔施工（見圖5）

圖5 凍結(jié)孔施工順序

（3）凍結(jié)施工（見圖6）

（4）開挖施工與臨時支架安裝

當(dāng)測溫孔數(shù)據(jù)、卸壓孔壓力、打設(shè)探孔情況等均滿足設(shè)計要求時，方可進行開挖施工（見圖7）。

圖6 凍結(jié)施工現(xiàn)場

圖7 開挖構(gòu)筑施工工藝流程

（5）噴射混凝土施工

按設(shè)計配合比進行混凝土的攪拌，攪拌后的混凝土滿足要求后方可進行混凝土噴射施工。

（6）鋼筋加工與安裝

鋼筋加工嚴格按照設(shè)計圖紙進行施工，搭接長度、搭接接頭、搭接處受力鋼筋截面積以及鋼筋與管片的接觸部位均應(yīng)滿足設(shè)計要求。

（7）模板施工

模板尺寸、模板支撐應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工情況按設(shè)計要求進行選擇并保證立完模后牢固可靠。

（8）現(xiàn)澆混凝土施工

混凝土澆筑應(yīng)盡可能連續(xù)，振搗時應(yīng)均勻，澆筑完后應(yīng)避免出現(xiàn)氣泡、表面泛漿等質(zhì)量缺陷，混凝土強度達到設(shè)計要求后方可拆模。

（9）防水施工

鋼管片與支護層的接縫處設(shè)置遇水膨脹橡膠條，并埋設(shè)注漿管。遇水膨脹橡膠條沿著臨時支護斷面內(nèi)側(cè)直接粘到隧道管片上，然后再在管片上安裝環(huán)繞成圈的注漿管，并將注漿口引出結(jié)構(gòu)層外，最后進行防水板施工。

（10）注漿施工

注漿以少量多次為原則，根據(jù)現(xiàn)場情況動態(tài)調(diào)整，當(dāng)橫通道沉降及隧道變形穩(wěn)定后停止注漿。

5 凍結(jié)法數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場監(jiān)測驗證

5.1 數(shù)值模型構(gòu)建

以原有的工程地質(zhì)資料為依托，將工程CAD圖導(dǎo)入Rhino軟件建模。根據(jù)圣維南原理，模型選取的足夠大以保證邊界基本不受開挖擾動的影響，數(shù)值計算模型的范圍為：沿隧道軸線方向長度為83 m，高程方向65 m，垂直隧道軸線方向取135 m。采用Kubrix劃分網(wǎng)格單元，共劃分124 061個單元，包含23 601個節(jié)點。模型坐標原點在（0，0，0）點，X軸正方向沿隧道軸線向里，Z軸正方向垂直隧道向上，Y軸正方向垂直隧道軸線向里。

模型上表面為自由面，模型前、后、左、右側(cè)邊界施加水平法向約束，模型底面加豎向法向約束。橫通道開挖時為監(jiān)測周圍凍土帷幕的變形，分別在Z方向橫通道拱頂與拱底位置各設(shè)置5個監(jiān)測點監(jiān)測拱頂沉降和拱底隆起；X方向即橫通道兩側(cè)周邊方向各設(shè)5個監(jiān)測點，監(jiān)測橫通道周邊收斂變形。所以模型建立時也在上述相同位置設(shè)置監(jiān)測點。數(shù)值模型如圖8所示，橫通道的局部斷面模型如圖9所示。

圖8 三維數(shù)值計算模型

圖9 橫通道斷面圖

5.2 結(jié)果分析

凍土帷幕的強度是橫通道安全施工的重要保障，因此凍土帷幕必須滿足設(shè)計強度與變形要求。開挖引起的凍土帷幕應(yīng)力重新分布和位移情況是檢驗凍結(jié)效果最直觀的指標，利用數(shù)值模擬得出開挖后橫通道的應(yīng)力與應(yīng)變，與現(xiàn)場監(jiān)測值進行對比，得出凍結(jié)帷幕的強度和變形特性，進而對施工提供指導(dǎo)與依據(jù)。

圖10是凍土帷幕Z方向拱頂位移實測值和模擬值的對比圖，從圖中可以看出，模擬云圖顯示Z方向凍土上部最大沉降為11.42 mm，現(xiàn)場實測得出的拱頂最大沉降與模擬值基本一致，位移變化趨勢基本相同，說明數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的合理性，而且凍土帷幕的整體縱向位移也符合工程的安全性要求。

圖10 Z方向拱頂位移模擬值與監(jiān)測值對比

圖11 是凍土帷幕的最大剪應(yīng)力分布，從圖中可以看出最大正剪應(yīng)力分布在橫通道與隧道的接口處，最大剪應(yīng)力為716.36 kPa，由于拱頂和拱底處經(jīng)過注漿預(yù)加固處理，故剪應(yīng)力分布較少。剪應(yīng)力的安全系數(shù)為2.14，考慮到所分析工況的極端性，此凍土帷幕完全可以滿足安全要求。

圖11 凍土帷幕最大剪應(yīng)力云圖

綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)具有高度的吻合性，說明了數(shù)值模擬的合理可行性。拱頂和拱底的剪應(yīng)力分布較少，說明開挖前對通道內(nèi)土體預(yù)加固能有效改善橫通道的受力狀態(tài)；就凍土帷幕整體變形量和受力情況而言，喇叭口處是整個凍土帷幕最薄弱處，由于喇叭口位于凍土帷幕與管片的交界處，且導(dǎo)熱系數(shù)較大、散熱速度快，因此主隧道管片的散熱對附近土體的凍結(jié)效果有很大的削弱作用，施工過程中需特別注意。

基于上述數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析結(jié)果，綜合考慮凍結(jié)帷幕的應(yīng)力分布和變形特性以及橫通道開挖過程中對隧道管片的影響，得到本工程橫通道應(yīng)用凍結(jié)法施工時需注意的問題如下：

（1）本次工程采用鹽水循環(huán)系統(tǒng)，橫通道四周全部凍結(jié)。從橫通道的一側(cè)隧道內(nèi)布置凍結(jié)管，凍結(jié)孔布置完畢之后要及時布置測溫孔和卸壓孔。

（2）管片破除前需從現(xiàn)場取土在實驗室內(nèi)完成現(xiàn)場土的低溫物理學(xué)參數(shù)的測定工作，確定達到預(yù)定強度，方可破除管片。

（3）管片破除后，在土方開挖前要對橫通道洞門進行加固，采用超前雙排小導(dǎo)管注漿加固。對開口區(qū)域管片加固完成后，切割前在開門中心位置沿通道方向探孔，探孔深度2 m。根據(jù)小管出水情況及壓力變化，判斷加固效果，無異常情況方可繼續(xù)施工。

（4）由于右線先進行始發(fā)掘進，因此破除右線管片進行橫通道開挖，破除時先破除上部管片，再破除下部管片。等初支完成后再破除左線管片，進而進行二襯施工。

6 結(jié)論

（1）采用文中所述的凍結(jié)加固方案后，加固效果明顯，且滿足設(shè)計要求。

（2）橫通道無論應(yīng)力還是位移大小，其數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)均比較一致，說明了數(shù)值模擬的科學(xué)性和合理性，一定程度上可代表實際工程的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律。

（3）在對橫通道開挖前，需對通道內(nèi)土體進行注漿加固，以便有效改善橫通道拱頂及拱底的受力狀態(tài)。

（4）橫通道與主隧道的開口環(huán)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，施工時應(yīng)作加固處理。橫通道開挖易導(dǎo)致主隧道處于受拉狀態(tài)，且拉應(yīng)力多分布在開口環(huán)的對側(cè)。

（5）由于管片的散熱問題，在凍結(jié)時喇叭口處需做好特殊處理，如鋪設(shè)保溫層、采用雙排凍結(jié)管加強凍結(jié)效果。