人工凍結(jié)法在富水軟弱地層盾構(gòu)接收的工程應(yīng)用研究

魏煜佼， 牛 剛， 董金奎， 尹付夏， 丁 飛， 劉 健

(1.中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前我國(guó)的城市地鐵線路隧道施工主要以明挖回填、盾構(gòu)法為主。地鐵工程通過富水弱膠結(jié)地層或高壓富水?dāng)鄬訒r(shí),可采用超前降水及旋噴樁、帷幕注漿加固等輔助措施。但由于施工空間受限、地層巖性差異大、質(zhì)量難以控制等原因,不能完全避免突泥涌砂、結(jié)構(gòu)變形等安全問題。人工凍結(jié)法具有強(qiáng)度高、隔水性好、無污染及對(duì)復(fù)雜地層適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),可以彌補(bǔ)以上常規(guī)輔助措施的不足,降低此類地層隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)[1]。人工凍結(jié)法利用低溫媒介向未開挖通道周圍傳遞冷量,由于地下水存在,周圍巖體會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)度很高的整體,即凍結(jié)帷幕,當(dāng)當(dāng)凍結(jié)帷幕滿足強(qiáng)度需求時(shí),實(shí)施開挖工作。

人工凍結(jié)壁以及溫度場(chǎng)指凍結(jié)過程中溫度以及凍結(jié)范圍隨時(shí)間變化的規(guī)律,是凍結(jié)法理論的基礎(chǔ)以及關(guān)鍵所在,國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用理論計(jì)算,數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了大量研究。袁云輝等[2]以南京地鐵2號(hào)線集慶門站凍結(jié)加固工程為研究背景,對(duì)比分析了左線隧道開挖后凍與不凍對(duì)溫度場(chǎng)的影響,對(duì)多排凍結(jié)方式引起的溫度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了分析。蔡海兵等[3]利用ABAQUS模擬軟件二次開發(fā)了有關(guān)凍融模型,重點(diǎn)研究了多排凍結(jié)管凍結(jié)對(duì)地鐵隧道施工過程中凍結(jié)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律的研究,并提出了優(yōu)化措施。張學(xué)富等[4]通過建立瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型方程,推出了三維溫度場(chǎng)計(jì)算程序,并將該程序應(yīng)用于某一寒區(qū)隧道,為凍結(jié)法應(yīng)用于寒區(qū)隧道的施工提供了參考。胡傳鵬等[5]針對(duì)巴爾霍金公式中的測(cè)溫點(diǎn)位置、溫度及凍結(jié)管外表面溫度,得出這三個(gè)數(shù)值影響凍結(jié)壁厚度的計(jì)算。王凱等[6]利用有限差分軟件模擬了在使用人工凍結(jié)法后,土體凍結(jié)過程中溫度場(chǎng)的變化,并且對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)。李方政等[7]通過理論計(jì)算得出溫度場(chǎng)的理論解,并且給出了溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,這為未來研究?jī)鼋Y(jié)壁的發(fā)展規(guī)律提供了理論依據(jù)。

本研究以天津地鐵10號(hào)線沙柳南路站微凍結(jié)盾構(gòu)接收工程為研究背景,結(jié)合凍結(jié)法理論,運(yùn)用數(shù)值模擬分析凍結(jié)壁、溫度場(chǎng)變化以及地層沉降變形,并提出微凍結(jié)防護(hù)控制方法,為安全、經(jīng)濟(jì)、高效地完成盾構(gòu)接收工程提供技術(shù)保障。

1 工程概況

1.1 工程背景

天津地鐵10號(hào)線方山道站～沙柳南路站區(qū)間自方山道站出發(fā),左右線區(qū)間線路采用R=400 m的半徑左轉(zhuǎn)彎后,向北沿規(guī)劃沙柳南路敷設(shè),后進(jìn)入沙柳南路站。左線總長(zhǎng)356.810 m,右線總長(zhǎng)361.165 m,區(qū)間平面線形簡(jiǎn)單,僅有一段曲線,曲線半徑R=400 m。線路縱斷面呈“一”字形坡,線路最大縱坡27.699‰,最小縱坡2‰。區(qū)間頂部覆土埋深為10.1～17.6 m。

1.2 總體施工流程

沙柳南路站接收端頭井采用杯型水平凍結(jié)加固,洞口杯底加固長(zhǎng)度3.0 m,外圈杯壁12.0 m,微凍結(jié)加固范圍如圖1、圖2所示。

圖1 微凍結(jié)加固范圍剖面圖

圖2 微凍結(jié)加固范圍平面圖

通過測(cè)溫孔觀測(cè)計(jì)算,確定凍結(jié)帷幕交圈、凍土與槽壁完全膠結(jié),并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,盾構(gòu)推進(jìn)到離圓柱凍結(jié)帷幕1 m處,停止推進(jìn)。此時(shí)進(jìn)行破除洞門施工,破除洞門連續(xù)墻直至最后一層鋼筋混凝土(不少于300 mm),再將洞口內(nèi)凍結(jié)管拔出,洞門完全破除;最后實(shí)施盾構(gòu)接收推進(jìn),盾構(gòu)機(jī)頭推進(jìn)依次經(jīng)過凍結(jié)帷幕界面、微凍結(jié)加固區(qū)(261～264環(huán))和全斷面凍結(jié)加固區(qū)(264～268環(huán)),通過一次接收和二次接收(269～274環(huán))盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入接收井。

2 理論分析

為簡(jiǎn)化推導(dǎo)過程,做出以下假設(shè)條件:

(1)土體為各向同性材料,即沿各方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)均相等;

(2)不考慮研究區(qū)域與外界的熱量交換;

(3)不考慮溫度的時(shí)間效應(yīng),即近似為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)[8，9]。

在多凍結(jié)管下穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)求解:假設(shè)兩根管在凍結(jié)管邊緣的熱勢(shì)相同,即兩凍結(jié)管表面溫度均為T,兩凍結(jié)管半徑均為γ0,土體凍結(jié)溫度為T0,兩凍結(jié)管連線至凍土邊界條件點(diǎn)的距離為ξ,兩根凍結(jié)管的熱流量分別為qc1與qc2,兩管相距2d,如圖3所示。

圖3 無限大區(qū)域兩根凍結(jié)管

圖3中，凍結(jié)區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)M的熱勢(shì)表達(dá)式為:

(1)

(2)

兩根凍結(jié)管邊緣條件點(diǎn)處的勢(shì)分別為:

(3)

(4)

由于凍結(jié)管半徑r0相對(duì)于2d來說很小,其對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響也很小,因此,可將其簡(jiǎn)化為:

(5)

(6)

根據(jù)之前假定,兩根凍結(jié)管處的勢(shì)相同,即Φf1=Φf2,由式(3)與式(4)可得qc1=qc2。將式(1),(2),(5)以及式(6)統(tǒng)一用qc表示為:

(7)

(8)

(9)

(10)

式(10)與日本學(xué)者Tobe等得到的兩管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)解析解一致,后者是假設(shè)土體凍結(jié)溫度T0=0℃時(shí)的特定解。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬,為了降低尺寸效應(yīng)的影響,模型的尺寸定為40 m×40 m×30 m(x×y×z),單元數(shù)為220 640,節(jié)點(diǎn)數(shù)為228 903。模型中包含土層、地下連續(xù)墻和凍結(jié)土共13個(gè)組,并通過賦予不同的材料參數(shù)來表示,其中y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道掘進(jìn)方向,z軸為豎直方向,x軸為水平方向。在模型的兩側(cè)施加法向約束,底部施加豎向約束,表面為自由面,模型中材料參數(shù)見表1。

表1 模型力學(xué)參數(shù)表

在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí),為避免盾構(gòu)隧道開挖過程中其他因素的影響,對(duì)模擬施工過程作了如下假設(shè):①地層中土體成層連續(xù)且水平分布;②土體是各向同性的,應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化,服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;③只考慮土體自重,不考慮施工過程中其他荷載,不考慮土體最終的固結(jié)沉降。使用FLAC3D 5.0軟件三維建模,其中土層、連續(xù)墻和管片都采用三維實(shí)體單元,連續(xù)墻和管片使用彈性體模型,具體模型如圖4所示。

圖4 三維整體模型

3.2 凍結(jié)壁和溫度場(chǎng)分析

水平凍結(jié)時(shí),設(shè)計(jì)凍結(jié)管共4圈,按放射狀同心圓(盾構(gòu)隧道中心為圓心)排列,第四圈凍結(jié)管長(zhǎng)度為15 m,其余各圈凍結(jié)管長(zhǎng)度為3 m。第一圈在圓心位置,凍結(jié)管數(shù)量為1根；第二圈半徑為1.3 m,設(shè)置8根凍結(jié)管；第三圈凍結(jié)管半徑為2.6 m,設(shè)置16根凍結(jié)管,第四圈凍結(jié)管半徑為3.9 m,設(shè)置32根凍結(jié)管。由于數(shù)值模擬中未考慮凍結(jié)管的偏斜情況,且模型外邊界設(shè)置為絕熱條件,邊界溫度設(shè)置為工程常用常溫度20 ℃,即不考慮與外界熱量交換的影響,故凍結(jié)帷幕附近溫度下降較快,凍結(jié)管中心溫度為-29 ℃,低溫場(chǎng)以同心圓的形式向四周擴(kuò)散增大。微凍結(jié)區(qū)凍結(jié)圈擴(kuò)展情況如圖5所示。

在微凍結(jié)區(qū)域,凍結(jié)10 d后外圈凍結(jié)帷幕區(qū)域出現(xiàn)相交,形成“杯壁”凍結(jié)帷幕,該區(qū)域平均溫度為-5 ℃,“杯壁”凍結(jié)帷幕平均厚度為0.6 m,如圖6a所示;凍結(jié)20 d后“杯壁”凍結(jié)帷幕平均溫度下降到-10 ℃,“杯壁”平均厚度發(fā)展至1 m左右;凍結(jié)30 d后“杯壁”凍結(jié)帷幕平均溫度下降到-15 ℃左右,“杯壁”平均厚度為1.5 m左右，如圖6b所示。

圖6 微凍結(jié)區(qū)溫度場(chǎng)

全斷面凍結(jié)區(qū)凍結(jié)圈擴(kuò)展情況如圖7所示。

在全斷面凍結(jié)區(qū)域,凍結(jié)10 d后外圈凍結(jié)帷幕與微凍結(jié)區(qū)域情況相同,外圈凍結(jié)區(qū)域出現(xiàn)相交,該區(qū)域平均溫度為-5 ℃,外圈凍結(jié)帷幕平均厚度0.6 m,內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)帷幕并未相交,凍結(jié)圈半徑發(fā)展至0.3 m左右;凍結(jié)20 d后外圈凍結(jié)帷幕內(nèi)部平全部?jī)鼋Y(jié)交圈,形成“杯底”凍結(jié)帷幕,其平均溫度為-5 ℃，如圖8a所示;凍結(jié)30 d后“杯底”凍結(jié)帷幕平均溫度下降到-20 ℃,“杯底”凍結(jié)帷幕半徑發(fā)展至4.5 m，如圖8b所示。

圖8 全斷面凍結(jié)區(qū)溫度場(chǎng)

如圖9所示,凍結(jié)一個(gè)月(30 d)后,形成了“杯狀”凍結(jié)帷幕,“杯狀”凍結(jié)帷幕直徑為9 m,“杯底”厚度為5 m,凍土帷幕平均溫度為-25 ℃。

圖9 “杯狀”體溫度場(chǎng)縱截面

3.3 土層應(yīng)力和變形分析

對(duì)距地下連續(xù)墻1 m處豎直截面最大主應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 開挖后土層應(yīng)力場(chǎng)

釋放后的隧道周圍土層中應(yīng)力量級(jí)減小,開挖后土層中應(yīng)力得到了釋放;主應(yīng)力場(chǎng)呈同心圓環(huán)狀包圍隧道,土體中的應(yīng)力發(fā)生了重分布。土層沉降變形后應(yīng)力場(chǎng)如圖11所示。

圖11 土層沉降變形后應(yīng)力場(chǎng)

由圖11可見,由于凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度和剛度較大,在隧道開挖后,拱頂土在凍結(jié)帷幕和管片的雙重的支護(hù)下徑向的變形較小,拱底的土壓力使凍結(jié)帷幕與管片產(chǎn)生向上的隆起變形,隧道上方土層沉降近似為“V”形,隧道上方土層沉降為倒“W”形。

3.4 盾構(gòu)接收后地表沉降

盾構(gòu)接收后地表沉降如圖12所示。

圖12 地表沉降圖

地下連續(xù)墻的沉降為0.4 mm左右,靠近地下連續(xù)墻墻角的沉降值較小為2 mm,而靠近地下連續(xù)墻中部沉降值較大為4 mm。受凍結(jié)影響及隧道開挖,接收盾構(gòu)的地下連續(xù)墻一側(cè)沉降較其他側(cè)較小,微凍結(jié)區(qū)沉降值為4 mm左右,而其他側(cè)的沉降為7 mm。

4 凍結(jié)法施工防護(hù)控制方法

(1) 使用凍結(jié)法施工,應(yīng)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取回的土樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得各力學(xué)參數(shù),以及現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)提取并分析測(cè)溫孔數(shù)據(jù),結(jié)合溫度場(chǎng)理論分析凍結(jié)溫度場(chǎng)的形成過程及凍結(jié)帷幕加固效果,為凍結(jié)區(qū)盾構(gòu)推進(jìn)提供圍巖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)效果評(píng)價(jià)和防滲效果評(píng)價(jià),數(shù)值模型模擬計(jì)算結(jié)果可作為凍結(jié)帷幕施工效果的參考。

(2) 微凍結(jié)方案隧道施工方案在微凍結(jié)帷幕使用特制的微凍結(jié)管片,管片壁與“杯形”凍結(jié)壁間的微凍結(jié)會(huì)形成止水環(huán)箍,解決了微凍結(jié)管片堵水和支護(hù)作用的工程難點(diǎn)。微凍結(jié)管片的施工要點(diǎn)為:在微凍結(jié)管片安裝時(shí),微凍結(jié)管片拼裝完成并開始支護(hù)前應(yīng)開啟冷凍媒介(鹽水)循環(huán)進(jìn)行土體凍結(jié)。

(3) 凍結(jié)法施工時(shí),土層中進(jìn)行頻繁的水熱交換,熱流力各要素處于連續(xù)的動(dòng)態(tài)狀態(tài),對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響。工程監(jiān)測(cè)應(yīng)貫徹整個(gè)施工過程,包括凍結(jié)施工的監(jiān)測(cè)、鉆孔施工的監(jiān)測(cè)和凍結(jié)設(shè)備的監(jiān)測(cè)。凍結(jié)法施工過程中,在凍結(jié)溫度場(chǎng)作用下地層會(huì)發(fā)生凍脹融沉,施工時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)地表沉降(包括道路、管線、周邊建筑物)、管片隆沉和變形;在水平凍結(jié)施工中,應(yīng)對(duì)水平孔施工進(jìn)行監(jiān)測(cè):鉆孔長(zhǎng)度、鋪設(shè)凍結(jié)管長(zhǎng)度、凍結(jié)管偏斜;對(duì)凍結(jié)設(shè)備的監(jiān)測(cè)包括:凍結(jié)器密封性能、供液管鋪設(shè)長(zhǎng)度、凍結(jié)器去回路鹽水溫度、冷卻循環(huán)水進(jìn)出水溫度、冷凍機(jī)吸排氣溫度、鹽水泵工作壓力、冷凍機(jī)吸排氣壓力、制冷系統(tǒng)冷凝壓力、制冷系統(tǒng)汽化壓力和凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 論

以某地鐵站微凍結(jié)盾構(gòu)接收工程為研究背景,建立隧道土層地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的FLAC3D數(shù)值模型,結(jié)合凍結(jié)法理論,研究分析凍結(jié)壁、溫度場(chǎng)變化以及地層沉降變形,主要結(jié)論如下:

(1) 本文得到無限大區(qū)域內(nèi)兩根凍結(jié)管穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的解與日本學(xué)者Tobe等得到的兩管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)解析解一致,后者是假設(shè)土體凍結(jié)溫度T0=0 ℃時(shí)的特定解。

(2) 結(jié)合溫度場(chǎng)理論分析凍結(jié)溫度場(chǎng)的形成過程及凍結(jié)帷幕加固效果,通過模擬驗(yàn)證,凍結(jié)10 d后微凍結(jié)區(qū)域出現(xiàn)交圈,該區(qū)域平均溫度為-5 ℃,微凍結(jié)帷幕在凍結(jié)30 d后厚度可達(dá)到1.5 m,平均溫度為-15 ℃。

(3) 建立隧道土層地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的FLAC3D數(shù)值模型,研究?jī)鼋Y(jié)溫度場(chǎng)下的地層沉降形態(tài),分析凍結(jié)地層圍巖加固效果。微凍結(jié)帷幕區(qū)沉降值為4 mm左右,而使用微凍結(jié)保護(hù)的地層的沉降較大為7 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)接收后,洞門處為最危險(xiǎn)的位置,總變形值為3 mm左右,在凍結(jié)法對(duì)土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)下,開挖前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力變化不大。