蘭州地鐵砂巖地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法加固技術(shù)分析

王 博

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

雙線地鐵聯(lián)絡(luò)通道一般位于各區(qū)間隧道中部，常與集、排水泵站合并修建，對長距離隧道的防災(zāi)減災(zāi)及救援疏散而言至關(guān)重要，是地鐵隧道建設(shè)的關(guān)鍵工程[1-2]。其斷面可設(shè)計(jì)為圓形、矩形和直墻拱形，通常采用地層加固、暗挖法施工工藝。常用的地層加固方法包括降水法、注漿法、凍結(jié)法、高壓旋噴樁加固和深層攪拌樁加固等[3]。其中，凍結(jié)法具有土體強(qiáng)度高、防水性能好、環(huán)境擾動小等優(yōu)勢，能夠有效克服復(fù)雜地層聯(lián)絡(luò)通道施工存在的安全隱患，尤其適用于富水軟土地區(qū)[4-6]。

目前，凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工、進(jìn)出洞加固和盾尾刷更換等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)中已有較多成功案例[7-11]，為凍結(jié)法設(shè)計(jì)、施工及風(fēng)險(xiǎn)控制積累了可觀的理論參考和施工經(jīng)驗(yàn)。張松[12]通過分析冷凍排管規(guī)格、貼合形式、流量和間距等參數(shù)，得出了保障地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法安全施工的可靠指標(biāo)；高娟等[13]基于相變及凍脹的熱-流-固耦合理論，采用有限元法研究了地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法加固及開挖施工過程；蔡海兵等[14]對上海地鐵13號線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)溫度場開展了預(yù)測分析，判斷了凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)顩r及凍結(jié)方案的合理性；許黎明等[15]建立了海底隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程中凍土、聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測方法；董肖龍等[16]研究了地鐵聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工質(zhì)量控制方法，提出了獨(dú)特的見解。然而，現(xiàn)有成果涉及工程多集中于北京、天津和上海等東南部地區(qū)，凍結(jié)法在西北高原的應(yīng)用及相關(guān)研究仍十分有限。由于不同區(qū)域水文地質(zhì)條件各具特點(diǎn)，僅照搬套用已有經(jīng)驗(yàn)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全、經(jīng)濟(jì)等問題，針對該地區(qū)實(shí)際工程情況開展凍結(jié)法加固技術(shù)研究是勢在必行的。

基于蘭州地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道工程，對凍結(jié)法在西北地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化砂巖(紅砂巖)地層的應(yīng)用進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析凍結(jié)法加固設(shè)計(jì)的凍結(jié)壁平均溫度、施工各階段的凍結(jié)壁安全系數(shù)、地面沉降、隧道收斂和周邊建(構(gòu))筑物沉降等關(guān)鍵控制參數(shù)，為凍結(jié)法在類似工程中的合理應(yīng)用提供參考。

2 工程概況

蘭州地鐵1號線某區(qū)間位于東崗西路，兩側(cè)多高層與多層建筑錯(cuò)落間隔分布。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)長度0.9 km，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)徑1.25 m，外徑1.90 m，上、下行線隧道中線埋深19.5 m，兩隧道中心線距離13.0 m，穿越地層主要為卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。區(qū)間內(nèi)設(shè)置一聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，其斷面形式為復(fù)合式襯砌三心圓直墻拱隧道，聯(lián)絡(luò)通道位于區(qū)間隧道中部，處在強(qiáng)風(fēng)化砂巖中。聯(lián)絡(luò)通道縱斷面如圖1所示。各土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 聯(lián)絡(luò)通道縱斷面(單位： mm)

3 地層加固設(shè)計(jì)方案

3.1 原加固設(shè)計(jì)方案

蘭州地鐵1號線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵房原設(shè)計(jì)選擇“降水+地面旋噴樁”地層加固方式。旋噴樁采用φ800@600 mm密排雙重管高壓旋噴施工，全區(qū)域咬合。加固范圍為：聯(lián)絡(luò)通道頂部以上3.0 m，泵房底部以下3.0 m，區(qū)間左右線隧道外輪廓外側(cè)各1.5 m。然而，聯(lián)絡(luò)通道位置6環(huán)管片完成臨時(shí)鋼架支護(hù)后，洞內(nèi)水平探孔取芯時(shí)出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，且涌水涌砂量始終難以控制。經(jīng)綜合比選，改用加固后土體強(qiáng)度更高、抗?jié)B性能更好、能夠顯著降低施工風(fēng)險(xiǎn)的凍結(jié)法加固方式。

3.2 凍結(jié)法設(shè)計(jì)方案

本工程所處紅砂巖地層的含水率為4%～10%，滲透系數(shù)為1.19×10-4～7.58×10-5cm/s。結(jié)合凍土強(qiáng)度試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和既有工程經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)絡(luò)通道及泵房的凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)為1.7 m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度不大于-10℃，凍結(jié)壁立面如圖2所示。

圖2 加固地層凍結(jié)壁立面(單位：mm)

凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：單軸抗壓不小于3.6 MPa，彎折抗拉不小于2.0 MPa，抗剪不小于1.5 MPa。設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間為40～45 d，積極凍結(jié)7 d鹽水溫度降至-18 ℃以下，積極凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下，開挖時(shí)鹽水溫度降至-28 ℃以下；去、回路鹽水溫差不大于2 ℃。凍結(jié)管采用φ89×8 mm低碳鋼無縫鋼管，共設(shè)置凍結(jié)孔65個(gè)，測溫孔9個(gè)，泄壓孔4個(gè)。

4 凍結(jié)壁溫度場理論分析

凍結(jié)壁溫度場是影響凍結(jié)壁厚度和力學(xué)性能的重要因素。為確保凍結(jié)加固質(zhì)量應(yīng)針對凍結(jié)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行驗(yàn)證。單排多孔凍結(jié)溫度場分布特征如圖3所示。

注：l為相鄰凍結(jié)管間距，m；ξ為單管凍結(jié)壁在凍結(jié)邊界處的半徑，m；r為凍結(jié)管外半徑，m；B為凍結(jié)壁厚度，m。

由圖3可得

(1)

特魯巴克及巴霍爾金基于二維圓管穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論，分別提出了不同凍結(jié)管排布形式條件下的凍土帷幕溫度場解析解[17-18]。但其理論均假定土層凍結(jié)溫度t0=0 ℃，這顯然與實(shí)際工程存在差異。胡向東等[19-20]通過對上述公式進(jìn)行修正，得到了適用于土層凍結(jié)溫度t0<0 ℃的修正解。其中，單排多孔凍結(jié)溫度場可由下式計(jì)算。

特魯巴克修正解

(2)

(3)

(4)

式中，tcp為凍結(jié)壁平均溫度，℃；tcpz為凍結(jié)壁主面平均積分溫度，℃；tcpj為凍結(jié)壁界面平均積分溫度，℃；tct為凍結(jié)管外表面溫度，℃。

巴霍爾金修正解

(5)

(6)

式中，tk為凍結(jié)壁軸面和界面交點(diǎn)處溫度，℃。

基于上述理論針對凍結(jié)壁溫度設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行計(jì)算分析。強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層土體的凍結(jié)溫度為-0.8 ℃≤t0≤-1.7 ℃，凍結(jié)管外表面溫度tct=-24 ℃，凍結(jié)壁厚度B=1.7 m，相鄰凍結(jié)管間距為0.55 m≤l≤1.20 m，凍結(jié)管外徑r=0.045 m。不同凍結(jié)溫度和凍結(jié)管間距條件下保證凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)壁平均溫度如表2所示。

表2 凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算結(jié)果

可以看到，不同條件下由特魯巴克修正解得到的平均溫度計(jì)算值均滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)土體凍結(jié)溫度達(dá)到-1.7 ℃且凍結(jié)管間距為0.55 m時(shí)，巴霍爾金修正解對應(yīng)的凍結(jié)壁平均溫度略低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。此外，上述兩類理論解的計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)出隨土體凍結(jié)溫度降低而減小、隨凍結(jié)管間距減小而增大的趨勢。因此，-10.22 ℃即為計(jì)算平均溫度下限值?？紤]到分析中采用的凍結(jié)管最小間距值僅出現(xiàn)在管片開孔位置處、其數(shù)值在凍結(jié)管于土體內(nèi)部延伸過程中將持續(xù)增加，故可以認(rèn)為工程中以不大于-10 ℃作為凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)值，是能夠滿足凍結(jié)壁厚度要求的。

5 凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)安全數(shù)值分析

凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是地層加固控制的關(guān)鍵指標(biāo)，其施工質(zhì)量將直接關(guān)系到聯(lián)絡(luò)通道各階段開挖和支護(hù)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。DG/TJ 08—902—2006《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》要求，Ⅲ類凍土帷幕強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)須滿足：抗壓不小于2.0，抗折不小于3.0，抗剪不小于2.0。

5.1 模型建立

利用ABAQUS建立三維地層-隧道-聯(lián)絡(luò)通道計(jì)算模型，以研究凍結(jié)壁在聯(lián)絡(luò)通道施工全過程的安全性。根據(jù)對稱性，聯(lián)絡(luò)通道及泵房采用1/4模型，并在對稱界面建立對稱性邊界條件，其他界面約束其法向位移。模型包含的盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道及泵房的初期支護(hù)和二次襯砌等結(jié)構(gòu)均按設(shè)計(jì)尺寸考慮，橫向自隧道向外延展2.5倍隧道直徑，縱向自隧道向下延展3倍隧道直徑，模型總尺寸為25 m×25 m×40 m。

數(shù)值計(jì)算中假定隧道與聯(lián)絡(luò)通道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均為線彈性材料；凍土與未凍土均為彈塑性材料，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。根據(jù)凍土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，-10 ℃時(shí)的凍土強(qiáng)度參數(shù)為：單軸抗壓強(qiáng)度5.76 MPa，彎拉強(qiáng)度2.53 MPa，抗剪強(qiáng)度1.77 MPa，彈性模量133 MPa。其余各土層參數(shù)按表1取值。所建數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值模型(單位：m)

5.2 結(jié)果分析

通過計(jì)算獲得凍土壁的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力和主剪應(yīng)力，進(jìn)一步對比凍土強(qiáng)度以判斷凍土壁在各施工階段的安全性及可靠性。

5.2.1 凍結(jié)施工分析

積極凍結(jié)完成后，凍土壁第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力和Tresca應(yīng)力(σTresca=2τmax)的分布情況如圖5所示。由凍土壁第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍土壁與隧道連接界面的上部位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。凍土壁最大拉應(yīng)力達(dá)到1.83 MPa，但其分布范圍較小，大部分區(qū)域的拉應(yīng)力處于0.26～0.61 MPa區(qū)間。通過凍土壁第三主應(yīng)力可知，除凍土壁與隧道接觸界面處靠近聯(lián)絡(luò)通道底板位置外，大部分凍土壁的壓應(yīng)力范圍為0.09～1.62 MPa。凍土壁最大剪應(yīng)力分布特征與上述結(jié)果相似，僅在凍結(jié)壁-隧道接觸界面的極小范圍內(nèi)超過了設(shè)計(jì)要求，其余區(qū)域均處于0.02～0.76 MPa范圍。

圖5 積極凍結(jié)完成后凍土壁應(yīng)力分布情況(單位：MPa)

5.2.2 暗挖施工分析

(1)聯(lián)絡(luò)通道施工分析

凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度后，首先進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道暗挖施工，完工階段對應(yīng)的凍土壁各應(yīng)力分布情況如圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，凍土壁拉應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)展至聯(lián)絡(luò)通道初值與凍土壁接觸的底角處，該區(qū)域最大值達(dá)1.95 MPa，其余大部分區(qū)域處于0.35～0.80 MPa范圍。相似地，凍土壁大部分區(qū)域的壓應(yīng)力范圍為0.24～1.73 MPa；剪應(yīng)力范圍為0.01～0.72 MPa。與開挖前相比，凍土壁的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均略有增加。

圖6 聯(lián)絡(luò)通道施工后凍土壁應(yīng)力分布情況(單位：MPa)

(2)泵房施工分析

聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，進(jìn)行泵房開挖、支護(hù)作業(yè)，圖7所示為全部工程完成后對應(yīng)的凍土壁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由圖7可知，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力在凍土壁與隧道、聯(lián)絡(luò)通道和泵房外壁等接觸界面位置存在應(yīng)力集中，各應(yīng)力值隨與接觸面距離的增大而迅速降低。與應(yīng)力集中區(qū)域相比，大部分凍土壁所受應(yīng)力值較小，拉應(yīng)力范圍為： 0.34～0.79 MPa；壓應(yīng)力范圍為0.13～2.18 MPa；剪應(yīng)力范圍為0.01～0.90 MPa。

圖7 泵房施工后凍土壁應(yīng)力分布情況(單位：MPa)

5.2.3 凍結(jié)壁安全系數(shù)分析

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算得到各施工完成階段的凍結(jié)壁安全系數(shù)如表3所示。通過表3可以發(fā)現(xiàn)，各施工階段對應(yīng)的凍結(jié)壁抗壓安全系數(shù)和抗折安全系數(shù)均滿足要求。當(dāng)泵房施工完成時(shí)，凍結(jié)壁的抗剪安全系數(shù)為1.97，稍小于《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》中給出的標(biāo)準(zhǔn)值，其余階段滿足規(guī)定值要求。結(jié)合強(qiáng)風(fēng)化砂巖的凍土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可認(rèn)為凍結(jié)壁安全系數(shù)基本滿足要求，該類地層具備良好的凍結(jié)特性，能夠保證暗挖施工過程的可靠性和安全性。

表3 凍結(jié)壁安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

6 施工監(jiān)測分析

聯(lián)絡(luò)通道及泵房施工期間，針對隧道變形、地面及周圍管線、建筑物沉降等進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測范圍為：聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)隧道管片各20環(huán)，聯(lián)絡(luò)通道正上方地面投影外側(cè)21 m以內(nèi)。隧道變形、地面及周圍管線、建筑物變形監(jiān)測會同監(jiān)測單位編制專項(xiàng)監(jiān)測方案，經(jīng)批準(zhǔn)后實(shí)施。施工監(jiān)測項(xiàng)目及結(jié)果如表4所示。

表4 施工監(jiān)測結(jié)果 mm

注：收斂值“-”表示向隧道內(nèi)側(cè)變形；沉降值“-”表示位移方向?yàn)樨Q直向下。

由監(jiān)測結(jié)果可知，采用凍結(jié)法加固的聯(lián)絡(luò)通道工程在暗挖施工過程中各項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目均滿足控制值要求。其中，左線隧道的變形大于右線隧道，且隧道水平收斂大于豎向收斂。此外，監(jiān)測取得的各項(xiàng)最大值普遍較小，這說明聯(lián)絡(luò)通道所處地層的土體強(qiáng)度較高，具有足夠的抗變形能力，能夠很好地滿足地層加固要求。總體來看，凍結(jié)法在強(qiáng)風(fēng)化砂巖(紅砂巖)地層加固作業(yè)中的應(yīng)用符合安全性要求，其設(shè)計(jì)與施工具備合理性和可靠性。

7 結(jié)論

針對凍結(jié)法在蘭州地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道工程中的應(yīng)用開展了理論、數(shù)值和監(jiān)測分析，主要結(jié)論如下。

(1)基于加固地層土體凍結(jié)溫度和相鄰凍結(jié)管間距變化的凍結(jié)壁平均溫度理論計(jì)算結(jié)果符合凍結(jié)壁厚度標(biāo)準(zhǔn)，工程采用的凍結(jié)法加固設(shè)計(jì)具備合理性和可靠性。

(2)聯(lián)絡(luò)通道開挖引起的卸載作用使得凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)有所削弱，凍結(jié)壁的安全系數(shù)出現(xiàn)下降，但施工整體期間凍結(jié)壁安全系數(shù)均滿足《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》要求。

(3)聯(lián)絡(luò)通道施工結(jié)束后，雙線隧道水平收斂向外變形而豎直收斂向內(nèi)變形；通道上部地表沉降表現(xiàn)為距離通道中心越遠(yuǎn)，土體所受施工擾動越小。隧道收斂、地表沉降和周邊地下管線及建筑沉降累積監(jiān)測數(shù)值均滿足施工控制要求。

(4)凍結(jié)法在蘭州地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道工程中取得了成功，能夠有效解決強(qiáng)風(fēng)化砂巖(紅砂巖)地層的加固難題，在該類地層中具有顯著優(yōu)勢。