李海生

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300000)

1 凍結(jié)法施工簡(jiǎn)介

人工凍結(jié)技術(shù)源于天然凍結(jié)現(xiàn)象，德國(guó)工程師F·H·POETCH首先提出了凍結(jié)法的施工原理[1][3]，并于1883年在德國(guó)阿爾巴里煤礦成功地采用凍結(jié)法建造井筒。從此，這項(xiàng)地層加固的特殊技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到世界許多國(guó)家的隧道、地鐵、基坑、礦井，成為巖土工程，尤其是地下工程施工的重要方法之一。凍結(jié)法加固地層的原理[4][5]，是利用人工制冷方法，將低溫冷媒送入地層，把要開挖體周圍的地層凍結(jié)成封閉的連續(xù)凍結(jié)帷幕以抵抗地壓，并隔絕地下水與開挖體之間的聯(lián)系，然后在這封閉的連續(xù)凍結(jié)帷幕的保護(hù)下，進(jìn)行開挖和做永久支護(hù)的一種特殊地層加固方法[6]。

在盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)及計(jì)算方面，張志強(qiáng)等人[7]通過采用三維有限元方法，模擬研究了凍結(jié)法施工條件下修建盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道組成復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)行為。喬衛(wèi)國(guó)等人[8]對(duì)凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、地表變形等方面進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)；通過對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究，獲得了凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、凍漲壓力、卸壓孔壓力的變化規(guī)律。在計(jì)算聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁穩(wěn)定性過程中，仍以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及解析計(jì)算為主要方法，這對(duì)計(jì)算凍結(jié)壁的安全穩(wěn)定性存在一定的局限性。

本文綜合考慮嶺下隧道復(fù)雜泥質(zhì)地層特征，采用人工凍結(jié)技術(shù)對(duì)越江隧道聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進(jìn)行凍結(jié)，在進(jìn)行一個(gè)多月的凍結(jié)后，在聯(lián)絡(luò)通道四周形成高強(qiáng)度的凍土帷幕結(jié)構(gòu)，并在該凍土帷幕的保護(hù)下進(jìn)行暗挖法施工，以確保施工安全和減輕對(duì)周圍水文地質(zhì)的影響。通過采用FLAC3D軟件對(duì)越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁安全性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，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

擬建淮南高速嶺下隧道長(zhǎng)約4.07 km，自浦西規(guī)劃龍耀路龍吳路交叉口起，向東穿越豐谷路、云錦路、豐溪路、黃浦江、浦東濱江路、濟(jì)陽路、西營(yíng)路至成山路長(zhǎng)青路交叉口。擬建隧道以盾構(gòu)掘進(jìn)方式分別穿越黃浦江和濟(jì)陽路，為雙管單層盾構(gòu)隧道，隧道外徑為11.36 m，鋼筋混凝土襯砌厚度0.5 m；在浦西設(shè)置X匝道，在浦東設(shè)置D1匝道和D2匝道。明挖段根據(jù)基坑開挖深度分別采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁加隔水帷幕、型鋼水泥攪拌墻作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，矩形暗埋段主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，引道敞開段采用U型結(jié)構(gòu)。部分開挖段擬設(shè)置抗拔樁。

3 凍結(jié)壁安全性力學(xué)計(jì)算

3.1 旁通道結(jié)構(gòu)特征

旁通道由與南、北線隧道相交的水平通道組成。按旁通道線路設(shè)計(jì)，旁通道位置南、北線隧道中心間距為24.46 m，旁通道與南、北線隧道開口處隧道中心標(biāo)高分別均為-26.612 m、-26.470 m。旁通道為圓形結(jié)構(gòu)，采用兩次襯砌，初襯(鋼支架、木背板及噴射混凝土)厚度為300 mm。

3.2 凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

3.2.1 旁通道喇叭口上部圓拱凍結(jié)壁計(jì)算

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13.85m，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。旁通道承受水土壓力的側(cè)壓系數(shù)按0.7計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(c)剪力圖

(d)位移分布圖圖1 凍結(jié)壁計(jì)算模型及內(nèi)力、位移分布

通過對(duì)上部?jī)鼋Y(jié)壁的靜力計(jì)算可知，在均布荷載作用下，凍結(jié)壁的穩(wěn)定性較好，并沒有出現(xiàn)較大的彎矩作用和應(yīng)力集中情況，說明該凍結(jié)壁在水土壓力作用下能夠滿足工程需求。

3.2.2 旁通道喇叭口下部仰拱凍結(jié)壁計(jì)算

通過對(duì)下部?jī)鼋Y(jié)壁計(jì)算可知，計(jì)算可知最大彈性位移為0.01 mm，位于通道仰拱底部中心處，如圖2所示。通過以上結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算表明旁通道的凍結(jié)壁強(qiáng)度和位移均滿足《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》要求。

(a)彎矩圖

(b)軸力圖

(c)剪力圖

(d)位移分布圖圖2 凍結(jié)壁計(jì)算模型及內(nèi)力、位移分布

4 凍結(jié)壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 地層條件

旁通道位于黃浦江下，江面標(biāo)高+5.47 m(根據(jù)詳勘報(bào)告按黃浦江高潮位)，江底標(biāo)高為-8.38 m(BLZ1孔)，隧道中心標(biāo)高約為-26.47 m?？紤]微承壓含水層的影響，設(shè)計(jì)按最不利條件考慮(承壓水頭3.0 m)。旁通道位置各土層物理參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬分析計(jì)算采用地層—結(jié)構(gòu)模型，假定凍土為彈性材料，未凍土為彈塑性材料，旁通道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)假定為線彈性材料，設(shè)計(jì)選取-10℃凍土的彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.3。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(duì)實(shí)際情況進(jìn)行部分簡(jiǎn)化[9]。

4.2 數(shù)值模型及邊界條件

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，設(shè)計(jì)凍土帷幕為-10℃等溫體，彈性模量和泊松比分別為為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)為粘聚力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)按Ⅲ類凍結(jié)壁選取[10]：抗壓強(qiáng)度為2.0 MPa，抗剪強(qiáng)度3.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 旁通道幾何模型立面

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

用有限元法進(jìn)行凍土帷幕的受力與變形的云圖見圖4～7。

圖4 旁通道中心線豎直方向位移云圖

圖5 隧道中心線至旁通道頂板豎直方向位移云圖

通過對(duì)凍結(jié)壁的變形量算可知，各方向位移極值分別為：z方向頂部下沉為-3.2 mm，底部變形量為9.6 mm；y方向聯(lián)絡(luò)通道兩幫收斂量為-4.18 mm。

圖6 隧道中心線至旁通道底板豎直方向應(yīng)力云圖

圖7 旁通道中部至隧道豎直方向應(yīng)力云圖

圖6～圖7為凍土結(jié)構(gòu)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，τxy方向出現(xiàn)95.0 kPa的拉應(yīng)力；τxz方向出現(xiàn)最大214 kPa的拉應(yīng)力；τ方向出現(xiàn)最大337 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，該凍土結(jié)構(gòu)完全可以滿足安全要求。

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(duì)凍土強(qiáng)度的影響。

5 結(jié)論

在對(duì)淮南高速嶺下隧道聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行施工力學(xué)模擬分析的基礎(chǔ)上對(duì)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。確定了凍土帷幕的厚度設(shè)計(jì)值，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，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。得出結(jié)論為：

(1)通過詳細(xì)的地質(zhì)勘查可知，越江隧道聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)條件較差，土質(zhì)含水量高，不適于土質(zhì)暴露的開挖方式，宜采用封閉式的凍結(jié)法施工，才能能保證隧道的安全穩(wěn)定。

(2)通過對(duì)凍結(jié)壁厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算可知，所設(shè)計(jì)的凍結(jié)壁厚度能夠滿足施工要求。

(3)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(duì)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。

(4)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，是滿足工程施工的安全要求的，對(duì)于同類工程，其分析結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

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