李開文，毛 勇，孫 闖，朱澤奇

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，昆明 650000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新 123000；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工力學(xué)模擬分析

李開文1，毛 勇1，孫 闖2，朱澤奇3

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，昆明 650000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新 123000；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

為直觀了解凍土帷幕的力學(xué)特性，掌握隧道聯(lián)絡(luò)通道開挖過程對凍土帷幕的影響，保證開挖過程的安全，采用大型有限差分軟件FLAC3D，對聯(lián)絡(luò)通道的開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。從數(shù)值分析的角度對凍土帷幕的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析和安全評價(jià)，詳細(xì)研究了凍土帷幕中應(yīng)力與位移的分布情況，確定了凍土帷幕厚度設(shè)計(jì)安全值為2.5 m（可以滿足施工要求），并指出了容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置為凍土帷幕與隧道接觸部位。由于該部位在凍結(jié)過程中散熱快，凍結(jié)效果差，所以施工中應(yīng)該值得注意，同時(shí)也為今后的聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模擬與人工凍結(jié)法施工提供了參考。

聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)法；數(shù)值模擬；凍土帷幕；FLAC3D

1 概 述

人工凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)成冰，將天然巖土凍結(jié)為凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層［1］。隨著我國大規(guī)模修建地鐵和越江隧道熱潮的興起，人工凍結(jié)法應(yīng)用的重心也逐步由煤礦鑿井向城市地下工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)移［2］，從上海地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道施工開始，上海地鐵2號線、4號線、大連路越江隧道、復(fù)興路隧道等工程中，人工凍結(jié)法相繼被使用。不僅如此，該方法也用于某些由于地層異常復(fù)雜、場地狹小等原因而無法采用盾構(gòu)推進(jìn)的隧道施工中［3］。

本工程綜合考慮地層特點(diǎn)和工程特征，采用人工凍結(jié)法對越江隧道聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進(jìn)行凍結(jié)，形成高強(qiáng)度的凍土帷幕結(jié)構(gòu)，在該凍土帷幕的保護(hù)下進(jìn)行礦山暗挖法施工，以確保施工安全和減輕對周圍水文地質(zhì)環(huán)境的影響；采用功能強(qiáng)大的巖土工程分析軟件FLAC3D對隧道聯(lián)絡(luò)通道的整個(gè)開挖過程進(jìn)行了仿真模擬，著重研究聯(lián)絡(luò)通道開挖后凍結(jié)帷幕的變形和應(yīng)力特性的影響。

2 工程概況

本工程為上海市越江隧道旁通道工程。旁通道位于北線隧道里程為NK2＋102.100，南線隧道里程為SK2＋094.577，盾構(gòu)隧道中心距約24.460 m，旁通道正上方位于黃浦江上。隧道內(nèi)徑為10 400 mm，管片厚度為480 mm。旁通道位置上、下行盾構(gòu)隧道中心線間距為12.5 m，旁通道與上、下行隧道開口處隧道中心標(biāo)高分別均為－26.470 m、－26.672 m。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)與地址柱狀圖如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)與地質(zhì)剖面圖（單位：m）Fig.1 Structure of the connected aisle and its geological profile

旁通道與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構(gòu)成，水平通道為圓形結(jié)構(gòu)，通道采用兩次襯砌，其中通道初襯（鋼支架噴射混凝土）厚度為280 mm（喇叭口為300 mm），通道的開挖輪廓長約10.46 m，開挖直徑為3.6 m，局部（喇叭口處）開挖直徑為4.2 m。旁通道所處位置的土層為位于⑤1粉質(zhì)黏土層中，下部有⑤3－1夾粉砂夾粉質(zhì)黏土層、⑤3－2砂質(zhì)粉土微承壓含水層，其中⑤3－2與⑦2層連通。地質(zhì)物理參數(shù)如表1所示。

表1 地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)Tab le 1 Physicalmechanical parameters

3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工

3.1 凍土帷幕設(shè)計(jì)

凍結(jié)壁頂面所受土壓力按上覆土體重量和超載計(jì)算，側(cè)面承受水土壓力按側(cè)壓系數(shù)0.7計(jì)算，設(shè)計(jì)按最不利條件考慮承壓水頭3.0 m，旁通道喇叭口頂部埋深為30.47 m（其中江水深13.85 m，土層厚度16.62 m），旁通道喇叭口中心埋深為32.37 m（其中江水深13.85 m，土層厚度18.52 m），水的平均重度取10.0 kN／m3，土的平均重度取18.5 kN／m3。旁通道全部位于⑤3－1粉質(zhì)黏土層中，旁通道上部凍結(jié)壁位于⑤1及⑤3－1粉質(zhì)黏土層中，旁通道下部凍結(jié)壁位于⑤3－1夾灰色粉砂夾粉質(zhì)黏土層中，⑤3－1夾為微承壓含水層，而旁通道位置隧道中心埋藏深，并且位于黃浦江底，因此設(shè)計(jì)旁通道外圍凍結(jié)壁厚度為2.5 m，喇叭口處的凍結(jié)壁厚度不小于2.2 m。在南線布置凍結(jié)孔16個(gè)，北線布置凍結(jié)孔20個(gè)，共36個(gè)。凍土帷幕及凍結(jié)孔布置如圖2所示。

3.2 凍結(jié)法施工

先拆除左線鋼管片，進(jìn)行凍結(jié)加固。待凍土帷幕形成后，從右線拆除鋼管片，向左線掘進(jìn)，待通道右部掘進(jìn)一定距離并做好初期支護(hù)后，將鉆機(jī)及冷凍設(shè)備移至右線中，從右線向左線再次鉆進(jìn)凍結(jié)孔，待凍土帷幕形成之后，開挖通道至右線并貫通。在結(jié)構(gòu)層與支護(hù)層之間設(shè)防水層，結(jié)構(gòu)層內(nèi)表面設(shè)防火層。

圖2 凍土帷幕及凍結(jié)孔布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout of freezing soil curtain and freeze-tubes

4 聯(lián)絡(luò)通道施工模擬分析

4.1 FLAC3D軟件介紹

本文選用的數(shù)值模擬軟件是美國IATSCA咨詢公司開發(fā)的FLAC3D，它是一個(gè)用于工程力學(xué)計(jì)算的三維顯式差分程序。FLAC3D是以有限差分為計(jì)算原理，在離散元原理基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種計(jì)算方法。它介于有限元和離散元算法之間，求解過程采用快速拉格朗日算法［4］。

4.2 模擬計(jì)算基本假設(shè)

在聯(lián)絡(luò)通道模型計(jì)算中進(jìn)行了如下幾點(diǎn)假設(shè)。

（1）計(jì)算區(qū)域假設(shè)：如圖3所示，整個(gè)幾何模型尺寸長寬高為32.0 m（沿主隧道軸線方向）× 66.0 m（沿旁通道軸線方向）×37.0 m（沿豎直方向），總共劃分了58 368個(gè)單元，64 781個(gè)節(jié)點(diǎn)；隧道中心坐標(biāo)為（－12.23，0，0），坐標(biāo)原點(diǎn)取在聯(lián)絡(luò)通道中心，垂直隧道向右側(cè)為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，沿隧道軸線向外為z軸正方向。

（2）數(shù)值計(jì)算中假定凍土與未凍土均為彈塑性材料，本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb，隧道與旁通道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)假定為線彈性材料，根據(jù)凍土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果［5］，設(shè)計(jì)凍土帷幕為－10℃等溫體，彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.3，凍土帷幕抗壓強(qiáng)度為3.5 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為黏聚力1.5 MPa，摩擦角28°。凍結(jié)壁承載力驗(yàn)算采用許用應(yīng)力法，強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)［6］按Ⅲ類凍結(jié)壁選?。嚎箟簭?qiáng)度為2.0 MPa，抗折強(qiáng)度為3.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa。

（3）假設(shè)工程所在位置各地層均水平分布，并設(shè)定旁通道在開挖前地層處于初始平衡狀態(tài)，最終得到的分析結(jié)果就是開挖后凍土受力和變形狀態(tài)，模型建立時(shí)對實(shí)際情況進(jìn)行部分簡化。

（4）假設(shè)開挖從右向左進(jìn)行，開挖完成后一次性進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，即考慮最不利工況，偏于安全。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

凍結(jié)施工后凍土帷幕必須滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度與變形的要求，因此檢驗(yàn)凍結(jié)效果的好壞也應(yīng)該從凍結(jié)帷幕中應(yīng)力與位移的分布情況來考察。本文著重對凍土帷幕中位移和應(yīng)力分布進(jìn)行研究，主要分析在聯(lián)絡(luò)通道開挖后，凍土帷幕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場及位移情況，進(jìn)而可對凍結(jié)法施工進(jìn)行安全性評估。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道幾何模型Fig.3 Geometric model of connected aisle

圖4 凍土帷幕y方向位移（單位：m）Fig.4 Displacement in y direction of freezing soil curtain（unit in m）

圖5 凍土帷幕z方向位移（單位：m）Fig.5 Displacement in z direction of freezing soil curtain（unit in m）

圖6 凍土帷幕σzz應(yīng)力（單位：Pa）Fig.6 Stressσzzof freezing soil curtain（unit in Pa）

圖7 凍土帷幕σxx應(yīng)力（單位：Pa）Fig.7 Stressσxxof freezing soil curtain（unit in Pa）

圖4 至圖5為凍土帷幕位移云圖，各方向位移極值分別為：z方向頂部下沉為－3.6 mm，底部隆起10.6 mm；y方向聯(lián)絡(luò)通道兩旁收斂量為－4.68 mm。

圖6至圖9為凍土帷幕σzz，σxx，σyy，τxy應(yīng)力分布。從圖中σzz應(yīng)力分布可以看出，整個(gè)凍土帷幕都是受壓力的，最大正剪應(yīng)力τxy主要分布在帷幕喇叭口下部，而最大負(fù)剪應(yīng)力主要分布在帷幕喇叭口下部，而拉應(yīng)力只在通道中部有少量分布，τxy方向出現(xiàn)96.0 kPa的拉應(yīng)力；τxz方向出現(xiàn)最大215 kPa的拉應(yīng)力；τ方向出現(xiàn)最大377 kPa的拉應(yīng)力。σzz，σxx，σyy，τxy應(yīng)力的安全系數(shù)分別為5.7，6.3，9.4，15.6，考慮到所分析工況的極端性，該凍土帷幕完全可以滿足安全要求。具體應(yīng)力極值及其產(chǎn)生的位置見表2。

由以上位移及應(yīng)力分布可知，凍土帷幕受力最薄弱的位置通常處于帷幕與隧道接觸的部位。在凍結(jié)施工過程中，由于隧道管片的散熱速度快，在帷幕與隧道接觸處的溫度最高，導(dǎo)致凍結(jié)效果最差，強(qiáng)度最低，這就特別需要引起工程中的注意，在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)充分考慮到凍土帷幕與隧道接觸的部位散熱快這一因素對凍土強(qiáng)度的影響。

圖8 凍土帷幕σyy應(yīng)力（單位：Pa）Fig.8 Stressσyyof freezing soil curtain（unit in Pa）

圖9 凍土帷幕τxy應(yīng)力（單位：Pa）Fig.9 Stressτxyof freezing soil curtain（unit in Pa）

表2 應(yīng)力極值及其產(chǎn)生的位置Table 2 Extremum of stress and its position

5 結(jié) 論

本文在對上海越江隧道聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行施工力學(xué)模擬分析的基礎(chǔ)上對凍土帷幕的變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出結(jié)論如下：

（1）在凍結(jié)過程中，由于凍土帷幕與隧道接觸部位凍結(jié)效果最差，所以容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對凍土帷幕的應(yīng)力分布影響比較大，因此施工中應(yīng)特別引起注意；

（2）通過數(shù)值計(jì)算及施工過程來看，凍土帷幕設(shè)計(jì)為2.5 m左右完全可以滿足強(qiáng)度、變形等要求，且滿足工程施工的安全要求。對于同類工程，其分析結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 劉 珣，梁 鵬.城市地下工程中人工凍結(jié)法的防凍脹優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（4）：387－390.（LIU Xun，LIANG Peng.Optimum Design of Anti-frost Heave in Artificial Freezing Method of Civil Underground Engineering.［J］Journal of Wuhan U-niversity of Science and Technology，2004，27（4）：387－390.（in Chinese））

［2］ 武亞軍，楊 敏，李大勇.大連路隧道聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕數(shù)值分析［J］.巖土力學(xué)，2006，27（3）：487－490.（WU Ya-jun，YANG Min，LIDa-yong.Numerical Analysis of Freezing Soil Curtain of Tunnel Connected Aisle［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（3）：487－490.（in Chinese））

［3］ 胡向東，肖朝昀，毛良根.雙層越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法溫度場影響因素［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，1（5）：7－12.（HU Xiang-dong，XIAO Zhao-yun，MAO Liang-gen.The Influencing Factor of the Temperature Field of Cross-Passage Construction by Freezing Method in Double-Deck Road Tunnels［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，1（5）：7－12.（in Chinese））

［4］ 武亞軍，李大勇，楊敏.凍結(jié)法隧道施工數(shù)值仿真模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（2）：5851－5856.（WU Ya-jun，LIDa-yong，YANGMin.Numerical Simulation of Tunnel with Freezing Method Construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（2）：5851－5856.（in Chinese））

［5］ 胡向東，程 樺.上海軌道交通四號線凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院，2006.（HU Xiang-dong，CHENG Hua.Research Report on the Physical and Mechanical Properties of Shanghai Rail Transit Line 4［R］.Hefei：Anhui Architecture Industry Institute，2006.（in Chinese））

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［7］ 李大勇，陳福全，張慶賀.地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的三維數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2004，25（2）：472－474.（LIDa-yong，CHEN Fu-quan，ZHANG Qing-he，et al.3-D Numerical Simulation of Frozen Construction of a Connected Aisle in Metro［J］.Rock and SoilMechanics，2004，25（2）：472－474.（in Chinese））

［8］ 肖朝昀，胡向東，張慶賀.地鐵修復(fù)工程中凍結(jié)法設(shè)計(jì)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（11）：1716－1719.（XIAO Zhao-yun，HU Xiang-dong，ZHANG Qing-he.Design of Freezing Method for Recovering Collapse Tunnels in ShanghaiMetro［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（11）：1716－1719.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

M echanical Simulation of Freezing M ethod Applied to the Construction of Connected Aisle in a Cross-River Tunnel

LIKai-wen1，MAO Yong1，SUN Chuang2，ZHU Ze-qi3
（1.Nonferrous Metals Industry Survey and Design Institute，Kunming 650000，China；2.Liaoning Technology University，F(xiàn)uxin 123000，China；3.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

To ensure the safety of the excavation of connected aisle in a cross-river tunnel by directly looking into themechanical features of freezing soil curtain and the impact of the excavation on the curtain，large finite difference software FLAC3Dis employed to numerically simulate the excavation process.Through the simulation，the stress and deformation of the freezing curtain are analyzed and its safety is evaluated.Moreover，the stress and displacement distributions of the curtain are further analyzed in detail.The designed thickness of the freezing soil curtain is determined to be safe at 2.5 m，which meets the construction requirements.It is also pointed out that the contact location between the freezing soil curtain and the tunnel should be given more concern as it is easy to see stress concentration because of quick heat dissipation during the freezing with unsatisfactory freezing effect.The study can serve as a reference for the artificial freezing technique and the numerical simulation of connected aisles.

connected aisle；freezingmethod；numerical simulation；freezing soil curtain；FLAC3D

U452.2

A

1001－5485（2011）07－0057－05

2010-08-10

國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（90715042）

李開文（1962-），男，云南昆明人，高級工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作，（電話）13888082708（電子信箱）lkw1963＠163.com。