砂卵石地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工擾動(dòng)分析

賈方毅，彭小雨，張曉濤

（1.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 洛陽 471002；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036）

0 引言

地鐵如今已是城市軌道交通的重要組成部分，為方便人民出行和緩解城市擁堵做出了巨大的貢獻(xiàn)，而在兩單線區(qū)間隧道之間建立聯(lián)絡(luò)通道則是保障地鐵運(yùn)營安全、減少行駛過程中突發(fā)狀況所造成的生命財(cái)產(chǎn)損失的關(guān)鍵措施[1-2]。由于聯(lián)絡(luò)通道的修建都在隧道結(jié)構(gòu)完成之后進(jìn)行，其施工難度大，并且一旦出現(xiàn)不良狀況，不僅會(huì)影響聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)本身，也可能對(duì)已經(jīng)完成的隧道產(chǎn)生較大的不良影響。因此，在聯(lián)絡(luò)通道的施工中必須選擇恰當(dāng)?shù)募庸谭椒ê褪┕すに?。目前，人工凍結(jié)法是修建聯(lián)絡(luò)通道常采用的施工方法，該方法環(huán)保且對(duì)周圍地層影響小，尤其在一些富水軟土地層中十分適用。

人工地層凍結(jié)法源于人工制冷技術(shù)的發(fā)展，其原理是利用冷媒循環(huán)進(jìn)行熱交換從而降低土體溫度，使含水土層凍結(jié)以形成完整性好、強(qiáng)度高、不透水的臨時(shí)加固體，達(dá)到加固地層、隔絕地下水的目的，進(jìn)而便于地下結(jié)構(gòu)順利施工。

目前國內(nèi)外已有不少關(guān)于聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的理論分析研究與物理試驗(yàn)。首先Haiqing Song等[3]利用三維有限元方法模擬了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場變化特性。江帆[4]也從凍土熱物理參數(shù)試驗(yàn)出發(fā)，盡可能貼近實(shí)際地模擬了地層凍結(jié)變化規(guī)律。同時(shí)，張志強(qiáng)等[5]對(duì)凍結(jié)法修建聯(lián)絡(luò)通道時(shí)的施工力學(xué)行為進(jìn)行了研究，得到了隧道結(jié)構(gòu)和聯(lián)絡(luò)通道在施工過程中的受力與變形規(guī)律，并指出了隧道結(jié)構(gòu)的最不利位置。呂虎[6]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測系統(tǒng)分析了凍結(jié)法開挖聯(lián)絡(luò)通道對(duì)主隧道的影響。張碧文[7]也利用相似模型試驗(yàn)探究了周邊地層的凍脹和融沉特征。進(jìn)一步地，王暉等[8]便在數(shù)值計(jì)算過程中采用熱力耦合的形式揭示了凍結(jié)溫度場發(fā)展下聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及地層的影響。文獻(xiàn)[9-15]則依托具體的工程項(xiàng)目，針對(duì)一些特定的地質(zhì)條件和隧道結(jié)構(gòu)情況通過數(shù)值模擬反映了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程的地表變形以及結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，并通過與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、凍結(jié)帷幕強(qiáng)度驗(yàn)算等方法驗(yàn)證了凍結(jié)法施工的可行性。

已有的研究在地層方面的針對(duì)性強(qiáng)且多集中在軟土地層上，而關(guān)于在富水砂卵石地層中采用凍結(jié)法施工的分析研究相對(duì)較少。由于砂卵石地層屬于強(qiáng)透水地層，同時(shí)其傳熱導(dǎo)熱能力及材料力學(xué)特性與軟土地層存在一定差異，所以為了保證施工安全和既有隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，對(duì)富水砂卵石地層中凍結(jié)法修建聯(lián)絡(luò)通道的施工力學(xué)行為進(jìn)行研究是十分必要的。

因此，本文以洛陽市軌道交通1號(hào)線塔灣站-史家灣站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程為依托，利用三維有限元軟件模擬地層凍結(jié)時(shí)聯(lián)絡(luò)通道開挖的全過程，在充分考慮溫度場與應(yīng)力場相互作用的情況下分析聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)既有隧道和地層的影響，以此探究凍結(jié)法修建聯(lián)絡(luò)通道在富水砂卵石地層中的適用性。

1 熱-力耦合

1.1 熱-力耦合基本理論

在凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的過程中，一方面土體凍結(jié)和溫度傳導(dǎo)會(huì)引起地層和結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化，另一方面聯(lián)絡(luò)通道的開挖也會(huì)改變溫度場邊界從而影響溫度擴(kuò)散，因此溫度場與應(yīng)力場存在相互作用，即熱力耦合。

以地層變形為例，按照熱彈-塑性分析計(jì)算溫度與應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系[16-18]，在彈性區(qū)域內(nèi)，全應(yīng)變增量可表示為：

式中：d{ε}e為外力所引起的應(yīng)變增量，d{ε}T為溫度變化所引起的應(yīng)變增量。又有：

式中：[D]-1為彈性矩陣。

綜合（1）、（2）式可得彈性區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變增量關(guān)系為：

在塑性區(qū)域中采用Mises塑性強(qiáng)化準(zhǔn)則和Prandtl-Reuss流動(dòng)法則得到應(yīng)力-應(yīng)變增量的關(guān)系為：

式中：[D]ep是常溫情況下的彈塑性矩陣。

用T、{σ}、{ε}和的增量形式代替上式中各自的微分形式，得到彈塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變增量表達(dá)式為：

同時(shí)由于只與溫度和應(yīng)力有關(guān)，故可將其轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)荷載后求解平衡方程式。

1.2 熱-力耦合的實(shí)現(xiàn)方法

采用數(shù)值計(jì)算手段求解熱力耦合問題時(shí)，一般有直接耦合和順序耦合兩種方法。直接耦合依賴于軟件提供的耦合單元，每個(gè)單元同時(shí)包括各個(gè)場的自由度，在計(jì)算過程中能同時(shí)得到多場之間的相互作用，其結(jié)果也最貼近真實(shí)情況。而順序耦合則是多個(gè)物理場按順序計(jì)算，通過在計(jì)算下一個(gè)場時(shí)調(diào)用上一個(gè)場的計(jì)算結(jié)果來體現(xiàn)多場的影響。

針對(duì)本文所研究的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工問題，決定在ANSYS軟件中采用順序耦合的方法，首先對(duì)溫度場進(jìn)行計(jì)算，再調(diào)用溫度場結(jié)果將每一計(jì)算步下的溫度結(jié)果作為荷載施加到對(duì)應(yīng)應(yīng)力場中進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力變形分析。

2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工數(shù)值模擬

2.1 依托工程概況

洛陽市城市軌道交通1號(hào)線塔灣站～史家灣站區(qū)間沿中州東路東西向敷設(shè)，全長1 167.873 m，采用盾構(gòu)法施工。隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.6 m，左、右線間距為15 m，線路最大縱坡為5.864‰，隧道結(jié)構(gòu)頂部最大覆土約為13.5 m，最小覆土約為9.5 m。

于區(qū)間中心里程處設(shè)置1座聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，位于中州東路下方，拱頂覆土約15.3 m，集水坑底埋深約21.5 m，聯(lián)絡(luò)通道處隧道為直線平行。聯(lián)絡(luò)通道剖面設(shè)計(jì)圖如圖1所示，由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道及泵房構(gòu)成，通道及泵房結(jié)構(gòu)高6.22 m，寬3.80 m，長約8.8 m，頂部埋深約13.40 m，地下水位埋深約為8.45m。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道剖面設(shè)計(jì)圖（單位：mm）Fig.1 Section design of cross passage（unit： mm）

區(qū)間地貌單元為洛河Ⅰ級(jí)階地，地層從上至下依次為：雜填土、細(xì)砂、卵石②9-2、卵石③9-3、卵石③9-4。聯(lián)絡(luò)通道位置所處地層主要為卵石③9-3層，卵石含量在60%～70%之間，粒徑多為2～12 cm。充填物主要以細(xì)、中砂及圓礫為主，夾少量黏性土，最大粒徑可達(dá)25 cm。

場地內(nèi)地下水豐富，存在上層滯水和孔隙潛水兩種類型，其中孔隙潛水多賦存于砂卵石地層中，水量大，水位高，并在卵石層中形成貫通的自由水面地層，因而施工時(shí)有較大的涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，故決定采用凍結(jié)法對(duì)周圍土體凍結(jié)后進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工。

2.2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)方案

本工程聯(lián)絡(luò)通道兼泵房凍結(jié)孔的布置采取從左、右線隧道兩側(cè)打孔方式進(jìn)行，布置圖如圖2所示。按上仰、水平、下俯三種角度布置，凍結(jié)孔總數(shù)69個(gè)，其中右線隧道50個(gè)，左線19個(gè)，并在中部設(shè)置4個(gè)穿透孔，供對(duì)側(cè)隧道凍結(jié)孔和冷凍排管需冷用，另在對(duì)側(cè)隧道上沿凍結(jié)壁敷設(shè)5排冷凍排管，以加強(qiáng)對(duì)管片處的保溫效果。凍結(jié)孔沿雙線隧道軸向方向的間距為0.8～1.1 m，總長度約581.16 m。

圖2 凍結(jié)孔布置圖Fig.2 Arrangement of freezing holes

聯(lián)絡(luò)通道開挖前按照設(shè)計(jì)方案對(duì)地層凍結(jié)50天，凍結(jié)第1天鹽水溫度為-11℃，7 天后鹽水溫度下降至-19.2℃，15天后鹽水溫度下降至-23.1℃，最終凍結(jié)管內(nèi)鹽水逐步降至-29.2℃并保持該溫度直至聯(lián)絡(luò)通道施工完成。

2.3 施工控制標(biāo)準(zhǔn)

聯(lián)絡(luò)通道位于兩條既有盾構(gòu)隧道的中央，周圍地層凍結(jié)后施工仍會(huì)給隧道結(jié)構(gòu)帶來一定的擾動(dòng)，針對(duì)既有雙線隧道結(jié)構(gòu)制定施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Deformation control criterion of shield tunnel

2.4 模型建立

采用ANSYS有限元軟件對(duì)地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的全過程進(jìn)行模擬，通過計(jì)算來分析在富水砂卵石地層中凍結(jié)法修建聯(lián)絡(luò)通道給周圍環(huán)境及既有隧道帶來的擾動(dòng)。

考慮到問題的復(fù)雜性，在建模過程中做出以下假定：

（1）忽略凍結(jié)孔偏斜的影響；

（2）不考慮凍結(jié)管本身材料的力學(xué)性能；

（3）假設(shè)土體均質(zhì)、連續(xù)且各向同性；

（4）假設(shè)凍結(jié)區(qū)域內(nèi)土中水全部凍結(jié)成冰，即凍土中的未凍水含量為零；

（5）在凍結(jié)孔上施加隨溫度變化的荷載來模擬凍結(jié)過程中凍結(jié)管外表面溫度，忽略冷媒劑循環(huán)過程中凍結(jié)管內(nèi)外復(fù)雜的熱交換過程。

在溫度場計(jì)算中，土體、混凝土以及型鋼統(tǒng)一采用三維瞬態(tài)靜態(tài)或熱分析的SOLID70單元；結(jié)構(gòu)分析時(shí)，土體、混凝土以及型鋼統(tǒng)一采用等價(jià)的SOLID45單元。凍結(jié)管則均采用桿單元LINK33，按照實(shí)際凍結(jié)管布置方案精確建立凍結(jié)管單元，并使用CP命令將凍結(jié)管與地層實(shí)體模型進(jìn)行耦合。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的整體模型和各結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系如圖3所示，設(shè)計(jì)的聯(lián)絡(luò)通道周圍的土體凍結(jié)加固區(qū)如圖4所示，其中要求凍結(jié)壁厚度為1.9 m。

圖3 雙線隧道與聯(lián)絡(luò)通道位置關(guān)系Fig.3 Location relationship between tunnels and cross passage

圖4 設(shè)計(jì)凍結(jié)加固區(qū)Fig.4 Design area of frozen reinforcement

對(duì)溫度場和應(yīng)力場分別設(shè)置邊界條件如下：

（1）溫度場：模型初始地溫設(shè)定為20℃，在模型底部和側(cè)面上施加 20℃恒溫邊界，模擬無限大邊界條件；在與空氣接觸的模型表面上設(shè)置熱對(duì)流條件，其中土體與空氣之間的熱對(duì)流交換系數(shù)取8.5W/（m2·℃），管片與空氣之間的熱對(duì)流交換系數(shù)取 2.1W/（m2·℃）[19]。

（2）應(yīng)力場：重力加速度為g=10 m/s2，在模型側(cè)面施加水平位移約束，在模型底部施加豎向位移約束，模型上部為自由邊界。

2.5 計(jì)算參數(shù)及步序

雙線盾構(gòu)隧道除與聯(lián)絡(luò)通道交接處的管片為鋼管片外，其他管片均采用C50鋼筋砼材料，并采用剛度折減方法來模擬接頭對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響。聯(lián)絡(luò)通道初期支護(hù)采用格柵+鋼筋網(wǎng)+C25網(wǎng)噴混凝土的形式；二次襯砌則為現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。結(jié)合區(qū)間地勘報(bào)告整理得到地層土體和結(jié)構(gòu)材料的具體物理參數(shù)如表2所示。

表2 地層及結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)Tab.2 Parameters of formation and structural materials

在數(shù)值計(jì)算中首先以實(shí)際凍結(jié)時(shí)間模擬土體的凍結(jié)溫度變化過程，并隨著聯(lián)絡(luò)通道的開挖改變熱對(duì)流邊界。然后再調(diào)用溫度場結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力場分析，從而計(jì)算地層的變形和由于土體凍脹和聯(lián)絡(luò)通道開挖引起的隧道管片變形受力。溫度場和應(yīng)力場各設(shè)置59個(gè)計(jì)算步，具體操作內(nèi)容如表3所示，其中聯(lián)絡(luò)通道的施工按照施工方案選擇上下臺(tái)階法，為便于計(jì)算，將聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域簡化為四個(gè)部分（圖5），每一部分又劃分為兩個(gè)計(jì)算步分別進(jìn)行土體開挖和襯砌施作，故聯(lián)絡(luò)通道的施工共需8個(gè)計(jì)算步完成。

圖5 聯(lián)絡(luò)通道分步開挖示意圖Fig.5 Diagram of staged excavation of cross passage

表3 典型計(jì)算步序表Tab.3 Typical calculation steps

3 地層溫度場時(shí)空分布特性

通過溫度場計(jì)算可以得到聯(lián)絡(luò)通道附近土體溫度的變化和分布規(guī)律，聯(lián)絡(luò)通道四周的設(shè)計(jì)凍結(jié)加固區(qū)內(nèi)溫度場變化如圖6所示。

圖6 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)加固區(qū)溫度變化云圖Fig.6 Cloud charts of temperature change in reinforcement zone of cross passage

由圖6可知，在凍結(jié)初期，各凍結(jié)管之間的土體與低溫鹽水開始產(chǎn)生劇烈的熱交換，凍結(jié)管周圍土體溫度下降明顯，不同溫度等值線逐步閉合。隨著凍結(jié)時(shí)間增加和凍結(jié)鹽水溫度的下降，土體溫度逐漸降低，溫度變化范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，至凍結(jié)30天時(shí)聯(lián)絡(luò)通道四周的土體溫度大部分已經(jīng)降至0℃以下。此后，由于鹽水溫度趨于穩(wěn)定，土體降溫變化減慢，且范圍不再發(fā)生明顯變化。

認(rèn)為形成凍結(jié)壁的條件是聯(lián)絡(luò)通道開挖區(qū)四周已有溫度低于-10℃的土體，凍結(jié)和施工過程中凍結(jié)壁厚度的發(fā)展曲線如圖7所示。

圖7 凍結(jié)壁厚度發(fā)展曲線Fig.7 Development curve of frozen wall thickness

從圖7可以看出聯(lián)絡(luò)通道下部由于凍結(jié)管布置密集最先形成凍結(jié)壁，在凍結(jié)初期凍結(jié)壁厚度變化明顯，凍結(jié)30天時(shí)聯(lián)絡(luò)通道四周凍結(jié)壁厚度均已大于凍結(jié)施工要求的1.9 m，此后凍結(jié)壁厚度增長開始變得緩慢。聯(lián)絡(luò)通道開始施工后，受開挖和土體與空氣的熱對(duì)流交換影響，凍結(jié)壁厚度發(fā)展速率較凍結(jié)30～50天時(shí)略有增大，最終至施工完成時(shí)凍結(jié)壁厚度最大達(dá)到3.5 m。

4 地層及既有隧道力學(xué)響應(yīng)分析

地層凍結(jié)50天后在鹽水持續(xù)供冷狀態(tài)下進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開挖和襯砌結(jié)構(gòu)的施作，對(duì)施工過程中的地層和既有隧道結(jié)構(gòu)變形及受力分析如下。

4.1 地層變形

施工引起聯(lián)絡(luò)通道上方地表出現(xiàn)沉降變形，并且最大變形位于聯(lián)絡(luò)通道中心對(duì)應(yīng)的正上方地表處。隨著開挖的進(jìn)行，沉降量值及其范圍逐步增大，在施工完成時(shí)為2.27 mm，變形范圍控制在以聯(lián)絡(luò)通道中心上方的地表點(diǎn)為圓心，半徑10.9 m的圓內(nèi)，圖8為聯(lián)絡(luò)通道修建完成時(shí)的模型豎向位移云圖?？傮w而言，由于聯(lián)絡(luò)通道開挖時(shí)土體已經(jīng)凍結(jié)，地層的穩(wěn)定性和強(qiáng)度均有所提升，因此最終的地表變形較小。

圖8 聯(lián)絡(luò)通道修建完成時(shí)模型豎向位移云圖Fig.8 Vertical displacement cloud chart when cross passage is completed

進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)凍結(jié)加固區(qū)內(nèi)的土體變形，圖9為施工過程中加固區(qū)土體的最大位移變化曲線，圖中施工進(jìn)程為對(duì)開挖區(qū)1、2、3、4依次進(jìn)行各部分的開挖與襯砌施作，豎向變形以隆起為正，橫向變形以向左為正。

圖9 設(shè)計(jì)凍結(jié)加固區(qū)土體最大位移變化曲線Fig.9 Maximum displacement curve of soil in frozen reinforcement area

針對(duì)豎向變形，受施工的擾動(dòng)影響，加固區(qū)上部土體出現(xiàn)沉降，下部土體出現(xiàn)隆起，最大值均發(fā)生在靠近聯(lián)絡(luò)通道的加固區(qū)土體內(nèi)邊界上，在施工完成時(shí)兩者變形量值分別為-5.13 mm和10.36 mm。每個(gè)開挖區(qū)內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的施作都使得由該部分核心土開挖引起的豎向變形有所減小，但總體來看隨著聯(lián)絡(luò)通道施工進(jìn)程的推進(jìn)，下部土體產(chǎn)生的隆起逐步增大，其中開挖區(qū)3核心土挖除后隆起變形突增到12.00 mm，是前一步開挖區(qū)2襯砌施作完成時(shí)的2.54倍左右；而上部土體的沉降變形趨勢較下部土體的隆起變形趨勢更為平穩(wěn)，在施工過程中其值出現(xiàn)小幅減小，從聯(lián)絡(luò)通道開挖初期的沉降7.96 mm減小到最終沉降5.13 mm，降幅為35.56%。

就加固區(qū)土體的橫向變形來說，從圖9中可以看出加固區(qū)左右側(cè)土體的橫向變形在量值上相當(dāng)，趨勢也相同。以左側(cè)土體為例，在開挖初期其出現(xiàn)向左的橫向變形，即土體出現(xiàn)外擴(kuò)現(xiàn)象，期間變形值無明顯變化，最大變形為1.62 mm，發(fā)生在開挖區(qū)2核心土挖除后；而在開挖區(qū)3核心土開挖后、襯砌施作前變形方向出現(xiàn)突變，即從原本的向左外擴(kuò)改變?yōu)橄蚵?lián)絡(luò)通道內(nèi)縮，前后變化幅值達(dá)到3.82 mm，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是開挖區(qū)3的土體開挖后形成了完整的聯(lián)絡(luò)通道斷面，進(jìn)而加固區(qū)左側(cè)土體受開挖卸載影響向聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)部收斂。

4.2 既有隧道結(jié)構(gòu)變形及受力

聯(lián)絡(luò)通道施工除了會(huì)使周圍地層產(chǎn)生變形位移以外，對(duì)臨近的既有隧道結(jié)構(gòu)也會(huì)造成一定的擾動(dòng)。圖10為施工完成時(shí)聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)雙線隧道管片的豎向、水平X向及水平Z向變形云圖，其中為便于觀察，圖10（a）視圖位置與其余云圖相反。

圖10 施工完成時(shí)聯(lián)絡(luò)通道附近隧道管片變形云圖Fig.10 Deformation cloud images of tunnel segments at completion of construction

從圖中可知施工對(duì)聯(lián)絡(luò)通道喇叭口處隧道管片造成的變形影響較大，總體表現(xiàn)為喇叭口處頂部管片沉降、底部管片隆起，喇叭口處兩側(cè)管片出現(xiàn)朝隧道內(nèi)側(cè)和沿隧道軸向朝兩側(cè)拉伸的變形。故進(jìn)一步對(duì)喇叭口四周的管片結(jié)構(gòu)變形變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11和表4所示。

表4 喇叭口處兩側(cè)管片水平X向最大變形值（單位：mm）Tab.4 Maximum horizontal X-directional deformation of segments on both sides at junction（unit：mm）

圖11表明，受聯(lián)絡(luò)通道分步開挖的影響，施工過程中聯(lián)絡(luò)通道喇叭口處的左右線隧道管片最大豎向變形在量值和規(guī)律上存在一定的差異。由于開挖區(qū)1、3靠近右喇叭口，故開挖區(qū)1、3施工對(duì)右線隧道結(jié)構(gòu)擾動(dòng)更大，進(jìn)而右喇叭口處頂部和底部管片的變形便更為顯著，但此時(shí)左線隧道對(duì)應(yīng)的變形量較?。煌砜芍_挖區(qū)2、4的施工引起左側(cè)喇叭口處管片的豎向變形量值更大。因此右側(cè)喇叭口處管片變形在開挖區(qū)3核心土開挖時(shí)達(dá)到最大，分別為沉降4.47 mm和隆起3.32 mm；左側(cè)喇叭口處管片變形則在開挖區(qū)4核心土開挖時(shí)達(dá)到最大，分別為沉降4.39 mm、隆起3.37 mm。在對(duì)各開挖區(qū)的襯砌進(jìn)行施作后，結(jié)構(gòu)剛度的增大又使變形量值有所減小，其中在施工完成時(shí)左喇叭口處頂部管片最大沉降的降幅最明顯，為47.38%。

圖11 喇叭口處管片最大豎向變形隨施工進(jìn)程變化曲線Fig.11 Maximum vertical deformation curve of segment at junction with construction process

除此以外，可以發(fā)現(xiàn)在聯(lián)絡(luò)通道上部施工完成、對(duì)下部進(jìn)行核心土開挖，即聯(lián)絡(luò)通道斷面貫通時(shí)喇叭口處管片的最大豎向變形較之前有大幅度的增加，以喇叭口處頂部管片沉降為例，右線隧道上對(duì)應(yīng)位置的最大沉降量值約是上一施工步的3.55倍，左線隧道上喇叭口處管片沉降也增大到了上一施工步的2.55倍左右。

表4數(shù)據(jù)為施工過程中聯(lián)絡(luò)通道端部喇叭口處兩側(cè)的雙線隧道管片在與隧道軸向垂直方向上的最大變形，其中變形以向右為正。分析發(fā)現(xiàn)左右隧道在喇叭口處的管片X向變形同樣受施工區(qū)域和步序的影響，各施工步下兩者的變形量值不同，但同一喇叭口處兩側(cè)的管片X向變形基本一致。

鄰近開挖區(qū)的核心土開挖會(huì)使管片朝土體卸載方向變形，而襯砌的施作又抑制了該變形趨勢并使之朝所在隧道內(nèi)側(cè)變形，該過程中管片水平X向變形的變化量較大，其中左右側(cè)喇叭口處兩側(cè)管片的變化幅值最大分別達(dá)到了3.82 mm和3.92 mm。最終在施工完成時(shí)左右線隧道在喇叭口處兩側(cè)的管片均表現(xiàn)為向各自隧道內(nèi)側(cè)收斂變形，但兩者量值不大，分別為0.93 mm和1.19 mm。

總體來看，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的累計(jì)變形值均在控制值之內(nèi)，滿足施工變形控制要求。

聯(lián)絡(luò)通道施工使附近雙線隧道管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，其施工完成時(shí)的應(yīng)力云圖如圖12所示，并繪制施工過程中雙線隧道的最大主應(yīng)力變化曲線如圖13所示。

圖12 施工完成時(shí)雙線隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布Fig.12 Main stress distribution of tunnel structures at completion of construction

圖13 雙線隧道最大主應(yīng)力隨施工進(jìn)程變化曲線Fig.13 Curves of maximum principal stress of tunnels with construction process

綜合圖12、圖13可以看出管片結(jié)構(gòu)以受壓為主，但由于雙線隧道中間的聯(lián)絡(luò)通道開挖引起部分管片區(qū)域應(yīng)力重分布，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力且應(yīng)力變化主要集中在聯(lián)絡(luò)通道的喇叭口處四周。隨著施工的進(jìn)行，第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力的最大值均逐漸增大并在施工完成時(shí)雙線隧道的兩主應(yīng)力值對(duì)應(yīng)相等，分別為1.43 MPa、-1.20 MPa。但左線隧道的應(yīng)力變化幅度要大于右線隧道的應(yīng)力變化幅度，其最大第一和第三主應(yīng)力的增幅分別為右線對(duì)應(yīng)增幅的1.90倍和2.58倍。同時(shí)與變形規(guī)律一致，在聯(lián)絡(luò)通道下部開挖核心土使聯(lián)絡(luò)通道形成完整斷面后，既有隧道的應(yīng)力也出現(xiàn)了明顯增大。

5 結(jié)語

富水砂卵石地層屬于強(qiáng)透水地層，并且與軟土地層在土體材料力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)上有所不同。因此為了探究在該種地層中采用凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道對(duì)周圍環(huán)境及既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，本文依托洛陽軌道交通1號(hào)線塔灣站～史家灣站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)項(xiàng)目，采用熱力耦合的方式模擬了地層凍結(jié)狀態(tài)下聯(lián)絡(luò)通道施工的全過程。通過對(duì)地層溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行分析得到了以下結(jié)論：

（1）聯(lián)絡(luò)通道的開挖施工改變了土體與空氣之間的熱交換邊界條件，從而對(duì)地層溫度分布造成了影響，使施工過程中的凍結(jié)壁厚度發(fā)展速率相較于地層凍結(jié)階段后期又有了一定的提升。

（2）聯(lián)絡(luò)通道施工過程中上部的地表和設(shè)計(jì)凍結(jié)加固區(qū)土體出現(xiàn)沉降，但由于凍結(jié)后的土體穩(wěn)定性和強(qiáng)度均有所提高，所以沉降量值和變化幅度均較小。

（3）施工對(duì)聯(lián)絡(luò)通道喇叭口處隧道管片的影響最大，表現(xiàn)為頂部管片沉降、底部管片隆起、兩側(cè)管片朝隧道內(nèi)側(cè)收斂，并且結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉、壓應(yīng)力均隨開挖逐漸增大。

總體來看，在凍結(jié)后的富水砂卵石地層中進(jìn)行區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的開挖施工對(duì)周圍土體和既有地鐵隧道的擾動(dòng)較小，也從數(shù)值模擬方面驗(yàn)證了凍結(jié)法在富水砂卵石地層中的適用性。