地鐵隧道下穿既有車站凍土帷幕設(shè)計(jì)研究

孔令輝（北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

隨著我國(guó)市政工程不斷發(fā)展，地鐵建設(shè)已向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，地鐵線路立體交叉、地鐵車站銜接換乘的情況越來越多。因較早的地鐵規(guī)劃未能預(yù)見與新建線路交叉，一些車站下穿既有線路因工況復(fù)雜存在較大施工困難，部分工程無法采用盾構(gòu)法或注漿法等傳統(tǒng)施工工藝。人工凍結(jié)法以其封水性好、加固土體強(qiáng)度高、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)在富水軟弱地層中得到廣泛的應(yīng)用[1]。但是，目前鮮見針對(duì)地鐵隧道近距離穿越車站的凍結(jié)法設(shè)計(jì)方案資料。如何保證凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的合理性及對(duì)臨近既有建構(gòu)筑物安全的影響評(píng)價(jià)是亟須解決的難點(diǎn)問題。

本文以上海市某地鐵隧道近距離下穿車站凍結(jié)工程為背景，對(duì)凍結(jié)壁厚度、平均溫度、凍脹對(duì)環(huán)境作用等方面進(jìn)行研究，利用有限元和結(jié)構(gòu)力學(xué)算法驗(yàn)算設(shè)計(jì)的合理性。這為今后類似凍結(jié)工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。其中，上、下行線隧道均需下穿車站主體及出入口結(jié)構(gòu)。上、下行線隧道管片頂部距車站底板 2.209 m。該處地面標(biāo)高 + 3.2 m，隧道頂部埋深約 18.790 m。軌道交通上下行線隧道下穿既有車站主體及出入口結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 軌道交通上下行線隧道下穿既有車站主體及出入口結(jié)構(gòu)

1 工程背景

上海市軌道交通某工程分上、下行線 2 條隧道，隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)，管片外徑 6 600 mm，壁厚 350 mm。設(shè)計(jì)上、下行線下穿既有車站，擬穿越段長(zhǎng)度約 36 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，施工范圍內(nèi)的土層主要有 ④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1 灰色黏土、⑤1-2 灰色粉質(zhì)黏土。由于既有車站下方存在 4 道地連墻及多根格構(gòu)柱樁基，盾構(gòu)法施工存在較大困難。所以必須采用凍結(jié)法加固地層+礦山暗挖法開挖清楚障礙物并完成初期支護(hù)，最后進(jìn)行盾構(gòu)施工并完成隧道管片安裝。

2 凍土帷幕參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)參數(shù)選取

既有車站底部采用旋噴抽條加固，深度基底以下 4 m，28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.2 MPa。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次計(jì)算將水泥土凍結(jié)加固后的強(qiáng)度參數(shù)按原狀土凍結(jié)參數(shù)選取。

設(shè)計(jì)方案為先進(jìn)行土層凍結(jié)形成凍結(jié)壁，在凍結(jié)壁保護(hù)下進(jìn)行暗挖清障，再回填泡沫混凝土，盾構(gòu)推進(jìn)并拼裝管片進(jìn)入新建車站。

選取 –10 ℃ 凍土的彈性模量和泊松比分別為 165.0 MPa和 0.19?；炷翉椥阅Ａ亢筒此杀确謩e為 200 GPa 和 0.25。凍結(jié)壁承載力驗(yàn)算采用許用應(yīng)力法，凍土強(qiáng)度指標(biāo)為抗壓3.6 MPa，抗折 2.0 MPa，抗剪 1.5 MPa。強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)按 Ⅲ 類凍結(jié)壁選取為抗壓 2.0，抗折 3.0，抗剪 2.0。

計(jì)算所用凍土力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。

表1 凍土力學(xué)參數(shù)

2.2 承載力驗(yàn)算

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取隧道外圈凍結(jié)壁厚度 2.0 m 進(jìn)行驗(yàn)算。凍結(jié)壁平均溫度取 –10 ℃。

凍土帷幕的受力三維計(jì)算模型如圖 2 所示。模型的寬度為 85 m，深度為 30 m，長(zhǎng)度 40 m。上部承受車站和上覆土層自重以及地鐵車輛和人流荷載。

圖2 隧道凍結(jié)帷幕力學(xué)模型圖

用有限元法進(jìn)行凍土帷幕的受力與變形計(jì)算。強(qiáng)度檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。

表2 凍土帷幕安全系數(shù)

由表 2 可知，凍土帷幕的承載能力滿足施工安全要求。在計(jì)算過程采用全斷面開挖，并未考慮初期支護(hù)，實(shí)際施工中斷面內(nèi)設(shè)置了“十”字弱加固區(qū)，采用上下臺(tái)階開挖并分別支護(hù)，有利于結(jié)構(gòu)受力。

2.3 凍結(jié)壁荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算

采用荷載結(jié)構(gòu)模型中的彈性地基梁法對(duì)圓形凍結(jié)壁進(jìn)行受力驗(yàn)算。計(jì)算基本假定如表 3 所示。

表3 計(jì)算參數(shù)

（1）假定凍結(jié)壁為小變形彈性梁，凍結(jié)壁為多個(gè)離散等厚度直桿梁?jiǎn)卧?/p>

（2）用布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬周圍土體、車站的相互約束，假定彈簧不承受拉力，即不計(jì)土體與凍結(jié)壁的黏結(jié)力，彈簧受壓時(shí)的反力即為土體對(duì)凍結(jié)壁的彈性抗力。

（3）凍結(jié)壁承受全水頭壓力及全部土壓力。

依據(jù)地勘報(bào)告，取土體地層抗力系數(shù)為 8 000 kN/m3。計(jì)算模型如圖 3 所示。

圖3 計(jì)算模型

取地面超載 30 kPa，車站底板壓力等效于該深度處的自重應(yīng)力，計(jì)算如式（1）所示。

式中：γ—土體自重，取 18.5 kN/m3；

h—上覆土層埋藏深度，取 17.886 m；

q—地面超載，取q＝30 kPa；

PS＝[18.5×17.886+30]×10-3=0. 361(MPa)

因該處地層滲透系數(shù)較小，故而全部采用水土合算方式計(jì)算側(cè)向壓力，則凍結(jié)壁承受側(cè)向水平地壓力計(jì)算如式（2）所示。

式中：PC—側(cè)墻承受水平地壓力，MPa；

K—側(cè)壓力系數(shù)，取K＝0.7。

側(cè)面上部承受水平地壓力：

側(cè)面凍結(jié)壁下部承受水平地壓力：

底部受力按主動(dòng)土壓力作用，計(jì)算如式（3）所示。

式中：γ—土體自重，取 18.5 kN/m3；

h—土體計(jì)算深度；

c—黏聚力，取 16 kPa；

φ—內(nèi)摩擦角，取φ＝11.5°。

K—計(jì)算得Px=0.352 MPa。

圖 4 為計(jì)算所得彎矩圖，圖 5 為軸力圖。其中最大軸力1 333.28 kN（受壓），最大彎矩值 136.2 kN·m。所受最大應(yīng)力值計(jì)算公式如式（4）所示。

圖4 彎矩圖(單位：kN·m）

圖5 軸力圖（單位：kN）

經(jīng)計(jì)算最大應(yīng)力值 σmax為 870.94 kPa，最小應(yīng)力值 σmin為 462.34 kPa。

最大應(yīng)力值 870.94 kPa（受壓），安全系數(shù) 4.13，未出現(xiàn)受拉區(qū)。計(jì)算最大變形量 19 mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 凍脹對(duì)周邊環(huán)境影響驗(yàn)算

計(jì)算模型選取長(zhǎng)度 80 m、寬度 45 m、深度 40 m 的模型進(jìn)行模擬分析，劃分上部車站結(jié)構(gòu)、凍土體、地下連續(xù)墻、土體等網(wǎng)格。計(jì)算凍脹對(duì)既有車站受力和變形的影響。熱物理力學(xué)參數(shù)如表 4 所示。

表4 土壤導(dǎo)熱、比熱及結(jié)冰溫度試驗(yàn)結(jié)果

凍結(jié)初期，由于凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)低溫鹽水與土體溫差大，凍結(jié)管與周邊土體進(jìn)行劇烈的熱交換，此時(shí)凍結(jié)壁擴(kuò)展迅速。凍結(jié)管周邊形成凍土柱并逐漸向外擴(kuò)展，相鄰凍土柱逐漸相交，在開挖范圍外形成連續(xù)的凍土體；45 d 時(shí)，凍土體厚度達(dá)到約2.2 m 左右，大于設(shè)計(jì)值 2.0 m，達(dá)到了凍結(jié)設(shè)計(jì)效果。

凍結(jié) 45 d 時(shí)車站結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖 6 所示。從模擬結(jié)果看，45 d 時(shí)，周圍土體最大凍脹為 40.00 mm，位于正視圖中下行線隧道凍結(jié)壁與土體交界面內(nèi)側(cè)。

圖6 車站結(jié)構(gòu)最大豎向位移

計(jì)算可知，凍脹引起的既有車站變形豎向位移 2.10 mm，側(cè)向位移 0.60 mm，凍脹量可控。說明凍結(jié)施工對(duì)既有車站的影響是有限的，配合控制凍脹的措施進(jìn)行施工，可以保證既有車站的運(yùn)營(yíng)安全。

目前該工程已順利完工，施工過程平穩(wěn)順利。實(shí)測(cè)既有車站底板最大隆起量為 4.86 mm，未危及既有車站運(yùn)行，但較設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果偏大，可能原因如下：① 實(shí)際施工過程較長(zhǎng)，施工過程中隨采取措施控制凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍，但仍明顯大于設(shè)計(jì)的 2.0 m 厚凍結(jié)壁，引起進(jìn)一步凍脹導(dǎo)致車站底板抬升；② 開挖隧道上方的車站底板處設(shè)計(jì)有誘導(dǎo)縫導(dǎo)致了變形加大，實(shí)測(cè)最大底板隆起位于該誘導(dǎo)縫處。

4 結(jié) 語

本文以上海市某地鐵隧道近距離穿越車站的凍結(jié)工程為背景，對(duì)凍結(jié)壁厚度、平均溫度、凍脹對(duì)環(huán)境作用等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，利用有限元算法驗(yàn)算設(shè)計(jì)的合理性。具體結(jié)論如下。

（1）本文采用三維數(shù)值模擬和荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算兩種方法驗(yàn)算凍結(jié)壁厚度，計(jì)算得 2.0 m 厚凍結(jié)壁下均能滿足承載力要求。

（2）該工程在凍結(jié)壁厚度 2.0 m 下凍脹量可控，采用凍結(jié)法進(jìn)行大體量近距離施工方案可行。但施工過程中因施工工期較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致后期凍結(jié)壁厚度明顯大于設(shè)計(jì)厚度，應(yīng)關(guān)注凍結(jié)壁厚度不宜擴(kuò)展過大。