超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律及其對(duì)隧道變形的影響

陳軍浩，陳筆尖，莊 言，王樂瀟

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福州 350108； 2.福建工程學(xué)院 地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350108)

1 研究背景

聯(lián)絡(luò)通道作為安全通道是地鐵工程建設(shè)的重難點(diǎn)之一，具有施工難度大、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)。當(dāng)通道處于透水性強(qiáng)、承載力低的軟土及砂土土層時(shí)則需要采取加固措施，防止施工過程中因周邊土體擾動(dòng)而產(chǎn)生不利影響。由于凍結(jié)法擁有靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)、污染小、止水效果好及凍土強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地鐵通道的施工建設(shè)當(dāng)中。土體的凍結(jié)過程本質(zhì)上是一個(gè)相變過程，通常伴隨水分遷移、土體凍脹及熱量流失等現(xiàn)象發(fā)生[1]。其中水分遷移與土體凍脹占主導(dǎo)地位，因此研究凍結(jié)過程中土體的溫度場及位移場發(fā)展規(guī)律對(duì)工程安全控制具有重要意義。

國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工案例做了許多研究，如通過研讀相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)凍結(jié)法的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行概括總結(jié)[2]，對(duì)地層加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，對(duì)強(qiáng)透水、富集海水、白堊系等特殊地層[4-9]的凍結(jié)工程進(jìn)行研究。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工主要還是集中于研究凍結(jié)過程中溫度場及位移場變化規(guī)律、凍結(jié)壁力學(xué)特性及開挖過程中周邊結(jié)構(gòu)變化情況等。王暉等[10]通過數(shù)值模擬分析了不同工程中聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工過程的變化規(guī)律，得到凍土帷幕與隧道管片的接觸部位是整個(gè)凍土帷幕的薄弱位置，通道及泵站在開挖建造過程中凍土帷幕穩(wěn)定性將大幅削弱，其中通道頂部沉降量及泵站底部隆起量最大和側(cè)壁連接處是薄弱點(diǎn)；奚守仲等[11]、王彬等[12]分別通過數(shù)值分析和理論分析研究了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程中凍土壁的力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。陳軍浩等[13-15]通過室內(nèi)凍結(jié)模型試驗(yàn)及數(shù)值分析研究了凍結(jié)管在有無偏斜及不同凍結(jié)參數(shù)下凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展特性，得到多圈管在凍結(jié)時(shí)，各圈之間容易產(chǎn)生密閉未凍承壓水倉且凍結(jié)管偏斜對(duì)交圈時(shí)間及凍結(jié)壁徑向平均溫度影響較大。張松等[16]、姚兆明等[17]通過室內(nèi)試驗(yàn)分別對(duì)地表凍脹量和土體蠕變特性進(jìn)行研究，為工程應(yīng)用提供借鑒。

由此可見，現(xiàn)國內(nèi)外針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工問題研究相對(duì)較多，但大多集中于短距離聯(lián)絡(luò)通道且以二維溫度場變化規(guī)律研究為主，而對(duì)于三維超長聯(lián)絡(luò)通道方面研究則較少。本文以福州地鐵2號(hào)線紫陽—五里亭區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程為研究背景，通過對(duì)長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場進(jìn)行三維數(shù)值仿真及現(xiàn)場實(shí)測對(duì)比，分析在凍結(jié)過程中溫度場的變化規(guī)律及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)和周邊地層在凍脹作用下位移變形的規(guī)律,以期為長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工及設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程聯(lián)絡(luò)通道位于福州地鐵2號(hào)線紫陽站—五里亭站區(qū)間，所處隧道中心間距65.8 m，上覆土層厚度14.7 m。聯(lián)絡(luò)通道距最近摩擦型樁6.4 m，且隧道及泵站上方分布眾多管線。區(qū)間隧道北側(cè)有王莊派出所、農(nóng)貿(mào)市場、公寓等，南側(cè)則有花都集團(tuán)、福建富士通軟件有限公司、行政服務(wù)中心等建筑物。

聯(lián)絡(luò)通道所處地層自上而下主要為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥夾砂、(含泥)中細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。根據(jù)場地鉆孔資料，松散巖類孔隙承壓水分布于第四系松散沉積物的孔隙中，主要賦存在淤泥中細(xì)砂交互層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、(含泥)中細(xì)砂、(含泥)粉細(xì)砂、(含泥)粗中砂中。承壓水水頭較高。各土層中地下水流速緩慢，對(duì)土層影響小。

水平聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)采用直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，其初襯(鋼支架加木背板)結(jié)構(gòu)厚度為230 mm，二次鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)厚度400 mm。通道設(shè)計(jì)整體開挖輪廓高4.04 m，寬3.76 m。通道相連兩盾構(gòu)隧道直徑為6 200 mm，管片厚度350 mm。

2.2 凍結(jié)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)及其他因素條件，確定聯(lián)絡(luò)通道采用“隧道內(nèi)鉆鑿，布設(shè)近水平孔凍結(jié)臨時(shí)加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案。由于聯(lián)絡(luò)通道長達(dá)65.8 m，屬超長聯(lián)絡(luò)通道，為方便鉆孔施工及實(shí)現(xiàn)更好凍結(jié)效果，采用兩端均布設(shè)凍結(jié)管進(jìn)行水平凍結(jié)，凍結(jié)孔共設(shè)175個(gè)，凍結(jié)管選用規(guī)格Φ108 mm×8 mm，通道處凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度2 m，通道與盾構(gòu)隧道交界處除下部設(shè)計(jì)厚度2 m外，其余為1.7 m，積極凍結(jié)時(shí)間為50 d，凍土帷幕平均溫度應(yīng)低于-10 ℃。聯(lián)絡(luò)通道、隧道及凍結(jié)管位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道、隧道及凍結(jié)管位置關(guān)系Fig.1 Locations of connecting aisle, tunnel and freezing pipes

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 模型說明

本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)聯(lián)絡(luò)通道開挖前的土層凍結(jié)進(jìn)行計(jì)算。為提高計(jì)算速度，考慮了凍結(jié)管布置及盾構(gòu)隧道分布前后左右近似對(duì)稱性，建立1/4的分析模型。模型尺寸長55 m×寬15 m×高41.45 m，主要結(jié)構(gòu)包括盾構(gòu)隧道、凍結(jié)管以及凍結(jié)加固后擬建的聯(lián)絡(luò)通道及泵站，截面尺寸與工程概況保持一致。各結(jié)構(gòu)相對(duì)位置如圖2所示,圖中未顯示周邊土層。

圖2 凍結(jié)1/4模型Fig.2 Diagram of 1/4 frozen model

表2 土層熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters of soil strata

各土層假定為水平向且各向同性，采用彈性本構(gòu)模型。為在ANSYS中反映土層性質(zhì)隨溫度變化而改變所導(dǎo)致的溫度場變化，本文在ANSYS軟件中分別選取土層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)(見表1)、熱力學(xué)參數(shù)(表2)及凍脹系數(shù)(表3)(因無實(shí)測值，

表1 土層和隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and medchamical parameters of soil layer and channel structure

表3 土層凍脹系數(shù)Table 3 Coefficient of frost heave of soil strata

借鑒參考文獻(xiàn)[18]選取)。按表2所示的溫度節(jié)點(diǎn)并設(shè)定相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)，而兩溫度節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)則采用線性內(nèi)插獲得。

本次計(jì)算模型的單元?jiǎng)澐种饕獮樗拿骟w單元及六面體單元，共1 804 457個(gè)單元、401 567個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果見圖3。模型除上表面不受自由度約束外，側(cè)面及底面均受法向位移約束。

圖3 計(jì)算模型有限元網(wǎng)格Fig.3 Finite element meshes of computational model

3.2 凍結(jié)過程模擬

凍結(jié)過程溫度場計(jì)算采用瞬態(tài)熱分析，溫度單元選用SOLID70，設(shè)定土層溫度為25 ℃。溫度荷載根據(jù)預(yù)計(jì)鹽水降溫曲線施加于凍結(jié)管外壁上。

在獲得凍結(jié)溫度場的結(jié)果后，單元轉(zhuǎn)化為SOLID165進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。首先將地層進(jìn)行地應(yīng)力平衡后并位移清零，再將溫度場計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的溫度荷載，導(dǎo)入已轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元的計(jì)算模型中進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移場分析。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 凍結(jié)溫度場數(shù)值分析

為反映截面中溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化特性，分別在凍結(jié)管交叉及泵站截面位置現(xiàn)場布設(shè)溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)位置如圖4所示，其中測點(diǎn)1、3、5為交叉截面測點(diǎn)，測點(diǎn)2、4、6為泵站區(qū)域截面測點(diǎn)。再根據(jù)現(xiàn)場測點(diǎn)位置情況提取數(shù)值分析中相應(yīng)測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如圖5所示。

圖4 交叉截面、泵站截面溫度測點(diǎn)位置Fig.4 Positions of temperature measuring points in cross section and pump station section

圖5 交叉截面測點(diǎn)、泵站截面測點(diǎn)溫度變化Fig.5 Variation of temperature at measuring points in cross section and pumping station section

通過圖5(a)可以看出，測點(diǎn)1中模擬與實(shí)測溫度變化趨勢一致，20 d后兩者逐漸接近并趨向于-12 ℃；測點(diǎn)3模擬與實(shí)測溫度在前15 d存在較大差異，但之后兩者溫度變化趨勢逐漸相同，到凍結(jié)期50 d兩者溫度皆穩(wěn)定在-4 ℃；測點(diǎn)5模擬與實(shí)測溫度變化趨勢相同，在積極凍結(jié)期間前25 d實(shí)測溫度略大于模擬溫度2～5 ℃，31 d后兩者之間溫差在1 ℃之內(nèi)。

通過圖5(b)可以看出，測點(diǎn)2中實(shí)測溫度比模擬溫度發(fā)生相變的時(shí)間多5 d，但在整個(gè)積極凍結(jié)期內(nèi)，兩者溫度曲線基本重合一致；測點(diǎn)4中模擬與實(shí)測溫度在相變之前相差較大，而后兩者之間的溫度逐漸趨向于一致；測點(diǎn)6除了在前15 d模擬溫度比實(shí)測溫度略低之外，之后整體溫度變化是一致的，偏差皆在1 ℃以內(nèi)。

綜上所述，凍結(jié)初期土層溫度受外界因素影響波動(dòng)大,導(dǎo)致個(gè)別測點(diǎn)在凍結(jié)初期偏差略大，積極凍結(jié)中后期各測點(diǎn)模擬與實(shí)測溫度偏差在1 ℃以內(nèi)，在可接受范圍之內(nèi)，因此該凍結(jié)過程模擬是合理的。同時(shí)可知，距離凍結(jié)管0.5 m以內(nèi)的區(qū)域，其在冰點(diǎn)附近發(fā)生的相變轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯；主要是由于該處區(qū)域的降溫速率快，水相變所釋放出潛熱的速率也越快，當(dāng)熱量不能及時(shí)被帶走時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)明顯的降溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

通過對(duì)比圖5(a)、圖5(b)發(fā)現(xiàn)，泵站截面的溫度下降速率普遍大于交叉截面，泵站截面處凍結(jié)約13 d時(shí)測點(diǎn)溫度已開始出現(xiàn)0 ℃，凍結(jié)30 d測點(diǎn)溫度全部達(dá)到-10 ℃以下。交叉截面21 d測點(diǎn)溫度才開始達(dá)到0 ℃以下，到50 d仍存在部分測點(diǎn)溫度在-5 ℃。由此可見，泵站區(qū)域截面溫度下降速率快，凍結(jié)50 d后盾構(gòu)隧道與凍土帷幕之間的膠結(jié)要求完全能夠滿足。且從整個(gè)積極凍結(jié)期可知，泵站截面處發(fā)生相變現(xiàn)象的轉(zhuǎn)折點(diǎn)比交叉區(qū)域截面明顯。

4.2 凍結(jié)溫度場云圖結(jié)果

通過ANSYS有限元軟件對(duì)凍結(jié)過程中土體溫度場進(jìn)行分析計(jì)算后，考慮通道凍結(jié)管交叉區(qū)域距隧道距離最遠(yuǎn)，凍結(jié)效果差異較大。因此分別提取前后對(duì)稱截面、中間凍結(jié)管交叉區(qū)域橫截面、泵站所在區(qū)域橫截面3處的積極凍結(jié)期溫度場，見圖6—圖8。

圖6 對(duì)稱截面溫度場變化Fig.6 Variation of temperature field on symmetrical section

圖7 交叉截面溫度場變化Fig.7 Variation of temperature field in cross section

圖8 泵站截面溫度場變化Fig.8 Variation of temperature field in pumping station section

通過圖6可以看出，在無偏斜條件下凍結(jié)管交叉區(qū)域0 ℃的凍結(jié)壁邊界在凍結(jié)前21 d擴(kuò)散到1.2 m厚，平均速率57 mm/d，后29 d只增長0.8 m，平均速率27.6 mm/d。這主要是由于凍結(jié)初期溫差大，土體吸收的冷量多。凍結(jié)中后期，土層間溫差減小且土體在冰點(diǎn)附近發(fā)生相變放熱，同時(shí)凍結(jié)管周圍土體溫度低，使得凍結(jié)管與土層熱交換降低，從而導(dǎo)致后期凍結(jié)溫度發(fā)展變慢；聯(lián)絡(luò)通道出入口處凍結(jié)管密集，該處受凍結(jié)影響最深，喇叭口處凍結(jié)壁厚度達(dá)2.2 m，越靠近通道中心，凍結(jié)壁漸薄。通過圖6(d)可以看出，在積極凍結(jié)50 d后，凍結(jié)管交叉區(qū)域的凍結(jié)壁比通道正常段厚0.5 m?？梢妰鼋Y(jié)管合理的交叉對(duì)長聯(lián)絡(luò)通道中間段凍結(jié)壁形成具有一定增益效用。同時(shí)可以觀測到喇叭口周邊區(qū)域溫度皆達(dá)到-25 ℃的低溫環(huán)境，說明該處凍土強(qiáng)度與安全系數(shù)高。

通過圖7可知，交叉截面處在積極凍結(jié)21 d后凍結(jié)壁已經(jīng)形成并且厚度達(dá)到1.2 m。積極凍結(jié)50 d后，凍結(jié)壁平均溫度降至-10 ℃且厚度達(dá)到2.05 m，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖8可知，積極凍結(jié)21 d時(shí)下部泵站周邊凍結(jié)壁交圈剛形成不久，厚度僅為0.9 m，而上部通道周邊凍結(jié)壁則已初具規(guī)模，厚度達(dá)1.2 m，導(dǎo)致差異的原因主要為通道周邊凍結(jié)管布置較泵站周邊密集。在積極凍結(jié)50 d后，凍結(jié)管圍成的泵站中心區(qū)域溫度下降至-5 ℃以下，在實(shí)際中可考慮泵站處采用控制凍結(jié)等方式，以減少冷量損失，節(jié)約成本。通道區(qū)域凍結(jié)壁厚度最小達(dá)到2.3 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

為獲得通道兩橫截面處的溫度與距中心點(diǎn)水平路徑距離關(guān)系，以圖4(a)、圖4(b)軸線上中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，箭頭方向上距中心點(diǎn)的距離為x軸，溫度為y軸建立凍結(jié)期50 d時(shí)泵站及凍結(jié)管交叉區(qū)域截面處溫度隨路徑距離變化關(guān)系，如圖9所示。

圖9 通道溫度隨路徑距離變化關(guān)系Fig.9 Variation of temperature at connecting aisle with axial distance

通過圖9可以看出，泵站與交叉區(qū)域溫度隨著距離變化規(guī)律具有異同點(diǎn)，在凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)距離通道截面中心1.2 m(離凍結(jié)管1.5 m)處，溫度變化速率明顯變快，且因泵站區(qū)域凍結(jié)管密集,溫度改變速率比交叉區(qū)域明顯。在拐點(diǎn)左側(cè)，泵站區(qū)域溫度比交叉區(qū)域低，拐點(diǎn)右側(cè)兩者溫度變化趨勢則基本一致。

4.3 凍結(jié)對(duì)隧道周邊環(huán)境影響分析

4.3.1 地層凍結(jié)位移場分析

根據(jù)數(shù)值模擬，提取凍結(jié)50 d時(shí)通道周邊地層位移場，其y方向位移云圖見圖10，進(jìn)而可以得到圖10中距對(duì)稱面0、5、10、15 m的地表隆起變形規(guī)律，見圖11，其中圖11(a)為地表隆起變形與左邊界距離(左邊界為x軸原點(diǎn))的變化關(guān)系，圖11(b)為圖11(a)中隆起位移對(duì)距離的一階導(dǎo)數(shù)。

圖10 凍結(jié)50 d y方向位移場云圖Fig.10 Displacement field in y direction frozen for 50 days

圖11 地表不同位置處位移變化規(guī)律Fig.11 Law of displacement change at different positions of ground surface

通過圖10知，在喇叭口附近出現(xiàn)寬10 m、高2.5 m的變形集中區(qū)，其豎向位移介于6～7.2 mm之間，該集中區(qū)傳至對(duì)應(yīng)地面位移衰減至4 mm；同時(shí)，因A-A及B-B處截面凍結(jié)管密集，其通道凍脹位移量比兩截面之間的普通區(qū)多60%～70%。

通過圖11(a)知，在距左邊界同樣距離時(shí)，離對(duì)稱面越遠(yuǎn)，地表隆起變形越??；隨距左邊界越遠(yuǎn)，地表變形越大，在33 m處(距盾構(gòu)隧道中心8 m)達(dá)到最大值3.6 mm，之后又逐漸減小。由圖11(b)可知，地表變形速率在16 m處達(dá)到最大值0.15 mm/m，在33 m處減小為0 mm/m，在40 m處達(dá)到最小值-0.025 mm/m，而后又逐漸增加到0 mm/m，即從33 m至中部的地表起伏平緩。

同時(shí)，提取A-A截面在距對(duì)稱面0、5、10、15 m處地表位移的時(shí)間歷程曲線，如圖12所示。

圖12 地表位移時(shí)間歷程曲線Fig.12 Time-history curves of ground surface displacement

通過圖12可以看出，在積極凍結(jié)前5 d地表位移基本不變。之后隨著凍結(jié)時(shí)間增加，地表位移及增長速率皆呈現(xiàn)增長。距對(duì)稱面愈遠(yuǎn)，地表隆起值及增長速率愈小。

為得到在凍結(jié)50 d時(shí)不同深度土層的位移變化規(guī)律，考慮圖10中A-A(喇叭口附近)和B-B(交叉區(qū)域)線所在位置變形較大，則從兩處的通道頂部向地面分別選取不同的土層深度，得到以通道頂為坐標(biāo)原點(diǎn)、距通道頂豎直距離為橫坐標(biāo)、土層位移為縱坐標(biāo)的位移隨深度變化關(guān)系，見圖13。

圖13 地層位移與距通道頂距離關(guān)系Fig.13 Relation between soil displacement and distance from aisle top

通過圖13可知，A-A、B-B兩截面的通道頂部位移分別在5 mm和2.5 mm以內(nèi)，而距通道分別1.5 m和3 m處土層產(chǎn)生凍脹位移則分別增加至7 mm和5.6 mm，到達(dá)地面時(shí)，分別衰減至3.7 mm和3.3 mm?？梢娛苈?lián)絡(luò)通道下部凍結(jié)管的相互影響，凍結(jié)產(chǎn)生的變形最大區(qū)域不在通道開挖輪廓邊上，而集中于凍結(jié)孔周圍，特別是凍結(jié)孔外側(cè)區(qū)域。

綜上可知,凍結(jié)管周邊土層受凍結(jié)影響最大且凍結(jié)管越密產(chǎn)生的變形破壞越大。通道喇叭口附近會(huì)形成變形集中區(qū)，對(duì)地表的隆起變形具有顯著影響。

4.3.2 盾構(gòu)隧道凍結(jié)位移場分析

通過ANSYS有限元軟件對(duì)凍結(jié)過程中隧道進(jìn)行分析計(jì)算后，提取1/4模型隧道的位移、應(yīng)力云圖，如圖14、圖15所示。

圖14 盾構(gòu)隧道位移云圖Fig.14 Displacements of shield tunnel

圖15 盾構(gòu)隧道應(yīng)力云圖Fig.15 Stresses of shield tunnel

由圖14(a)看出，盾構(gòu)隧道受凍結(jié)影響，通道側(cè)的拱腳及拱肩處x方向位移變形最大，達(dá)到-9.4 mm；由圖14(b)知盾構(gòu)隧道在通道側(cè)的拱肩發(fā)生0.8 mm沉降位移，而拱腳則產(chǎn)生5.5 mm隆起位移；z方向位移最大位置也發(fā)生于隧道拱腳位置，達(dá)到-6.9 mm；通過等效位移圖看出，盾構(gòu)隧道位移變形集中于凍結(jié)孔所圍成的區(qū)域，凍結(jié)孔越密集產(chǎn)生的變形位移也越大，最大等效位移在拱腳處達(dá)10.3 mm。

由圖15(d)看出，距凍結(jié)孔中心240 mm范圍的等效應(yīng)力最大，達(dá)到48 kPa；由圖15中的(a)—(c)知，凍結(jié)孔周邊的主應(yīng)力皆較大，特別是在拱腳區(qū)域的第一主應(yīng)力達(dá)到22 kPa，但仍遠(yuǎn)小于混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可見凍結(jié)過程中對(duì)盾構(gòu)隧道的強(qiáng)度方面影響微小，而主要集中于變形破壞。因此實(shí)際工程中對(duì)于盾構(gòu)管片，特別是在拱腳及拱肩側(cè)應(yīng)加強(qiáng)變形控制，必要時(shí)需采取預(yù)防加固措施。

由圖14(d)等效位移云圖可知，隧道變形在對(duì)稱截面最大。因此，分別提取對(duì)稱面盾構(gòu)隧道拱頂豎向位移、兩側(cè)收斂位移、拱底隆起位移等數(shù)據(jù)，獲得其隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖16所示。

圖16 盾構(gòu)隧道位移隨時(shí)間歷程曲線Fig.16 Time-history curves of shield tunnel’s displacement

由圖16可知，盾構(gòu)隧道在凍結(jié)過程中拱頂、拱底及拱腳皆發(fā)生向上的隆起變形，且拱腳豎向位移最大，比拱頂多45%。而拱肩則發(fā)生微小的沉降變形，說明在拱肩附近存在一豎向變形為0的點(diǎn)。盾構(gòu)隧道左右兩側(cè)壁及拱肩在凍結(jié)過程中皆發(fā)生遠(yuǎn)離聯(lián)絡(luò)通道側(cè)的水平位移，拱肩發(fā)生變形位移最顯著，凍結(jié)期結(jié)束其水平位移比右側(cè)壁多85%；同時(shí)可知，隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，各點(diǎn)的位移變化速率皆增加，且隨著凍結(jié)時(shí)間的增長，拱腳與拱頂?shù)呢Q向位移差值逐漸變大。兩側(cè)壁的凈收斂位移及拱肩與側(cè)壁的水平位移差值增大。這說明聯(lián)絡(luò)通道的積極凍結(jié)期過長，易造成既有結(jié)構(gòu)物和周邊地層過大變形，且時(shí)間越長，變形增長速率越快。因此，聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)合理采用控制凍結(jié)等方式來降低凍脹影響，除能節(jié)約工程造價(jià)外，還有利于保證既有結(jié)構(gòu)物及地表建筑物的安全。

綜上可知，超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程對(duì)盾構(gòu)隧道的變形造成很大影響。變形主要集中于盾構(gòu)隧道近通道側(cè)的拱腳及拱肩部位，其次為拱頂及右側(cè)壁。在實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，合理選擇凍結(jié)工期，必要時(shí)需采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

5 結(jié)論及展望

本文以福州地鐵2號(hào)線紫陽—五里亭站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工為背景，采用數(shù)值仿真對(duì)該工程的凍結(jié)過程進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果得到凍結(jié)過程中聯(lián)絡(luò)通道及周邊區(qū)域溫度和位移變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)交叉區(qū)域、前后對(duì)稱面及泵站截面3處的溫度場發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析得出，在積極凍結(jié)期前21 d，凍結(jié)管交叉區(qū)域的凍結(jié)壁擴(kuò)散平均速率快，達(dá)到57 mm/d，后29 d平均速率只有27.6 mm/d?？拷軜?gòu)隧道側(cè)的泵站區(qū)域溫度場發(fā)展慢，其凍結(jié)壁交圈時(shí)間比通道區(qū)域慢8 d；凍結(jié)管交叉越密集對(duì)凍結(jié)壁形成具有促進(jìn)作用，凍結(jié)管密集區(qū)形成的凍結(jié)壁比鄰近普通區(qū)厚0.5 m以上。

(2)凍結(jié)管中心0.5 m范圍內(nèi)的土體降溫速率快、相變放熱明顯，0 ℃相變轉(zhuǎn)折點(diǎn)持續(xù)時(shí)間越長相變放熱越明顯。

(3)積極凍結(jié)期喇叭口附近區(qū)域存在寬10 m、高2.5 m的變形集中區(qū)，對(duì)地面產(chǎn)生變形影響最大。

(4)凍結(jié)對(duì)盾構(gòu)隧道拱肩水平位移和拱腳豎向變形具有顯著的影響，積極凍結(jié)期結(jié)束拱肩的水平位移比盾構(gòu)隧道右側(cè)墻多85%，拱腳豎向位移比拱頂多45%，且凍結(jié)時(shí)間愈長，結(jié)構(gòu)變形及變形增長速率越大。

以上主要是基于濱海地區(qū)含水率及導(dǎo)熱系數(shù)均較大的軟弱土層中長聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)研究，對(duì)于其他土層則具有局限性。并且，長聯(lián)絡(luò)通道在施工中所產(chǎn)生的凍結(jié)管偏斜及沿程冷量損失程度等問題都比常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道中更加突出，本文尚未涉及此方面的研究。為了能更好地確保地下工程施工的安全性，未來需對(duì)這些問題開展深入研究。