高書豹，夏陽，曹小為

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008)

武漢地鐵二號線越江圓隧道段采用盾構(gòu)法施工。兩條隧道之間的聯(lián)絡(luò)通道均位于長江底下，采用水平凍結(jié)法加固，礦山法開挖施工。其中3#聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置在隧道的最低點(diǎn)，和隧道排水泵站結(jié)合建設(shè)，即建設(shè)聯(lián)絡(luò)通道和泵站結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。江底砂性土層中的水平凍結(jié)法帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道施工，在國內(nèi)尚屬首次，在國外也屬于新技術(shù)[1-2]。在江底設(shè)置帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工環(huán)境多變使得設(shè)計(jì)與施工變得非常困難。在高承壓水砂性土層施工中，可能發(fā)生水砂突涌和地層沉降甚至江水涌入，工程風(fēng)險極大。為保證施工安全，必須對處在江底的帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程的設(shè)計(jì)與施工開展研究。通過ANSYS數(shù)值模擬軟件對3#聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行凍結(jié)帷幕分析計(jì)算，保證凍結(jié)施工的安全性。

ANSYS融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)分析于一體，能進(jìn)行多物理場耦合分析，具有極為出色的計(jì)算精度、可靠性和穩(wěn)定性。能夠進(jìn)行非線性(幾何非線性、材料非線性、單元非線性、邊界非線性)和熱-結(jié)構(gòu)耦合等方面的數(shù)值分析模擬[3]。目前應(yīng)用ANSYS對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場的進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，取得了良好的效果。

由于聯(lián)絡(luò)通道和隧道的排水泵站合并建設(shè)，造成凍結(jié)工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工難度增大，為保證施工的安全，必須對凍結(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性驗(yàn)算。

1 工程概述

1.1 工程概況

武漢軌道交通二號線一期工程江漢路站～積玉橋站越江區(qū)間隧道，區(qū)間長3 092 m，凈直徑4 500 mm，采用盾構(gòu)法施工。為了滿足區(qū)間防災(zāi)和排水的要求，區(qū)間內(nèi)共設(shè)置五條聯(lián)絡(luò)通道。其中3#聯(lián)絡(luò)通道線間距13.0 m，聯(lián)絡(luò)通道位置隧道中心標(biāo)高左線為-23.486 m，右線為-23.737 m，江底標(biāo)高為-6.000～3.900 m，長江武漢段歷史最高水位29.73 m，歷史最低水位8.87 m。3#聯(lián)絡(luò)通道由與隧道鋼管片相連的喇叭口、水平通道構(gòu)成及泵站構(gòu)成。通道的開挖輪廓高約為7.63 m，寬約為3.8 m，聯(lián)絡(luò)通道開挖區(qū)標(biāo)高范圍為-21.186 m～-28.816 m。具體尺寸見圖1、圖2。設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法加固地層、采用礦山暗挖法施工以確保施工安全，施工過程中做好必要的保護(hù)措施，加強(qiáng)監(jiān)測，以減輕對周圍地面環(huán)境的影響。

圖1 3#聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)立面圖

圖2 3#聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 工程難點(diǎn)

擬建場地的地下水類型主要為上層滯水和層間承壓水。上層滯水主要賦存于人工填土層中，地下水位不連續(xù)，無統(tǒng)一的自由水面，水量不豐，與地鐵隧道關(guān)系不大;承壓水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂中，與粉砂、粉土和粉質(zhì)粘土互層構(gòu)成統(tǒng)一含水層，頂板埋深20.5～22.5 m，承壓水頭較高，承壓水頭一般為10.96～13.24 m，水量豐富。

聯(lián)絡(luò)通道位于長江下，埋深達(dá)50 m，施工地壓較大。施工位置所處的土層為粉細(xì)砂層，孔隙水壓力大，與長江水有直接水力聯(lián)系，施工中容易出現(xiàn)突水、涌泥的現(xiàn)象，施工風(fēng)險較高。施工區(qū)域位于含礫中砂層、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中，對鉆孔影響較大，容易發(fā)生鉆進(jìn)困難，成孔質(zhì)量差。土層中可能含有瓦斯氣體，施工時需要采取預(yù)防措施，防止瓦斯事故發(fā)生。結(jié)構(gòu)截面為變截面，給鋼筋、模板等的施工增加了難度。

1.3 凍結(jié)帷幕參數(shù)

(1)凍結(jié)帷幕平均溫度設(shè)計(jì)為-10℃，相應(yīng)的凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)(-10℃)為：抗壓3.5 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa。此指標(biāo)可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行優(yōu)化。

(2)在與管片膠合處凍結(jié)帷幕平均溫度為-5℃。

(3)聯(lián)絡(luò)通道及泵站工程的凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計(jì)為3.1 m。

(4)積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28℃以下。

(5)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時間約為45 d達(dá)到設(shè)計(jì)加固效果后，方可進(jìn)行開挖工作。

(6)維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為-25～-28℃，維護(hù)凍結(jié)時間為達(dá)到設(shè)計(jì)加固效果后至主體結(jié)構(gòu)施工完成。

2 凍結(jié)帷幕受力的數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

聯(lián)絡(luò)通道外圍凍土帷幕有效厚度為3.1 m，凍土帷幕平均溫度為不大于-10℃。

參照中國礦業(yè)大學(xué)《江底聯(lián)絡(luò)通道及泵房凍土物理、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表》設(shè)計(jì)取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別為300 MPa和0.3，粉細(xì)砂凍土強(qiáng)度指標(biāo)取值為：抗壓7.1 MPa，抗拉4.9 MPa，抗剪2.0 MPa，中粗砂凍土強(qiáng)度指標(biāo)取值為：抗壓6.61 MPa，抗拉3.65 MPa，抗剪2.74 MPa。

凍土壁承載力驗(yàn)算采用許用應(yīng)力法，強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)取：抗壓2.0，抗拉3.0，抗剪2.0。

凍土帷幕頂面所受土壓力根據(jù)開挖向下變形特性按主動土壓力計(jì)算，側(cè)面承受水土壓力靜止側(cè)壓力系數(shù)取0.7計(jì)算，土的平均重度取18.5 kN/m3[4]。

2.2 水平通道和喇叭口凍土帷幕承載力驗(yàn)算

喇叭口和水平通道凍土帷幕力學(xué)分析采用均質(zhì)線彈性平面應(yīng)變模型(見圖3、圖4)。其力學(xué)特性參數(shù)取凍土帷幕平均溫度下的凍土力學(xué)特性值[4-5]。

圖3 通道凍土帷幕有限元計(jì)算模型

圖4 聯(lián)絡(luò)通道有限元模型荷載分布

3#聯(lián)絡(luò)通道覆土厚度22.036 m，長江最高水位至江底約33.4 m，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度3.1 m，該通道下部有泵站，凍結(jié)帷幕呈倒錐形限制了底板的變形，通道主要處于含礫中粗砂中，底部處在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中。

用有限元法進(jìn)行凍土帷幕的受力分析與變形計(jì)算[6]，計(jì)算結(jié)果見圖5。從計(jì)算結(jié)果可以看出，底板變形被限制后應(yīng)力明顯減小，最危險點(diǎn)出現(xiàn)在頂拱和直墻的連接處，計(jì)算的應(yīng)力值小于強(qiáng)度值，滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)的要求，凍土帷幕的總體承載能力可以滿足施工要求(見表1)。

通過以上計(jì)算，說明凍結(jié)壁強(qiáng)度和變形滿足設(shè)計(jì)要求。

通過有限元計(jì)算，通道部分和泵房部分的凍結(jié)壁強(qiáng)度和位移均滿足《聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》，設(shè)計(jì)采用的凍結(jié)帷幕厚度安全可靠。

3 結(jié)論

通過ANSYS數(shù)值模擬軟件對武漢地鐵二號線越江隧道3#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程進(jìn)行的分析研究可知：

(1)凍土頂板與側(cè)墻連接處存在最大壓應(yīng)力，凍土底板與側(cè)墻連接處存在最大拉應(yīng)力，最大剪應(yīng)力，頂板中間位置存在最大位移處。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果

表1 聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕應(yīng)力、位移計(jì)算值及安全系數(shù)

(2)凍結(jié)壁的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)安全可靠。

(3)可以采用ANSYS模擬軟件和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，對凍結(jié)帷幕進(jìn)行驗(yàn)算。

[1] 蔡煒，岳廣學(xué).地鐵工程聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房合并施工對隧道變形的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2009，34(4)：123-126.

[2] 禇衍坡，朱邦永，張穎君，等.凍結(jié)法在越江隧道修復(fù)工程中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2010，30(5)：596-599.

[3] 龔曙光.ANSYS參數(shù)化變成與命令手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] DG/TJ08-902-2006.旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 劉訓(xùn)華.復(fù)雜地層越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工風(fēng)險分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2011(5)：43-46.

[6] 劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].4版.北京：高等教育出版社，2003.