吳賢國(guó) ， 王洪濤， 張凱南， 劉惠濤

(1. 華中科技大學(xué) a. 土木工程與力學(xué)學(xué)院； b. 同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院， 湖北 武漢 430074；2. 中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司， 湖北 武漢 430064)

在地鐵初期設(shè)計(jì)和規(guī)劃中，考慮到地鐵運(yùn)營(yíng)中的防災(zāi)救援、隧道排水等方面，通常在兩條單線區(qū)間隧道之間設(shè)置一條疏散通道，即聯(lián)絡(luò)通道[1]。而聯(lián)絡(luò)通道和集水井等附屬設(shè)施的存在，與主隧道和周圍土層形成了非常不利的空間受力方式，影響主隧道的穩(wěn)定。即在聯(lián)絡(luò)通道的施工中，需要對(duì)承載力低、透水性強(qiáng)的軟土和砂土施工區(qū)域進(jìn)行加固，以防止周圍土層環(huán)境的影響對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工的風(fēng)險(xiǎn)。水平凍結(jié)法凍結(jié)土體是一個(gè)冰水相變、凍土體積膨脹、土層中潛在熱量消散、土層中水分不斷遷移的過(guò)程，而聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)面臨以上問(wèn)題，在工程中表現(xiàn)為凍結(jié)孔位置傾斜過(guò)度、土層被凍結(jié)過(guò)度、開(kāi)挖隧道土體發(fā)生蠕變或沉降過(guò)大等問(wèn)題，而水分遷移土體凍脹在凍結(jié)質(zhì)量中占比重最大，因此土體凍脹控制研究即控制土體的凍脹應(yīng)力，以免發(fā)生凍土融沉變形大，凍結(jié)過(guò)程凍結(jié)管傾斜甚至損壞，影響加固質(zhì)量[2]。

一些學(xué)者在現(xiàn)有案例下對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固對(duì)既有線的影響和凍結(jié)過(guò)程土體凍脹問(wèn)題以及控制有所研究，岳豐田等[3]在整個(gè)施工過(guò)程對(duì)土體溫度和地表變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該工程中融沉注漿技術(shù)使用效果較好，融沉沉降控制在很小的范圍；季昌等[4]結(jié)合監(jiān)測(cè)主隧道豎向變形實(shí)例導(dǎo)出實(shí)際凍脹率、臨界凍脹率，分析對(duì)主隧道變形的影響并采取相應(yīng)的施工措施；Zhai等[5]模擬聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)渠道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究；陳沙等[6]通過(guò)研究地層在凍結(jié)加固時(shí)的變形、應(yīng)力變化，結(jié)合過(guò)程中凍脹率的增加分析，得到了凍結(jié)施工以及開(kāi)挖過(guò)程對(duì)主隧道的影響；Yang等[7]提出了一個(gè)耦合凍脹溫度和應(yīng)力場(chǎng)的分析模型，發(fā)現(xiàn)了臨界鹽水溫度，在此溫度下地面的凍脹起伏達(dá)到最大值；張向東等[8]研究了溫度對(duì)粉質(zhì)粘土變形特性的影響，發(fā)現(xiàn)同一偏應(yīng)力作用下，溫度越低，變形越小，溫度與凍結(jié)粉質(zhì)粘土強(qiáng)度大致呈反余切函數(shù)關(guān)系；高娟等[9]模擬聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖以及凍結(jié)加固，分析了凍結(jié)過(guò)程中的土層溫度變化以及土層沉降規(guī)律。

截止目前為止，聯(lián)絡(luò)通道在攪拌加固和水平凍結(jié)加固的施工方法下地層凍脹問(wèn)題對(duì)既有線的影響與凍脹問(wèn)題的控制在國(guó)內(nèi)外研究較少，本文以武漢地鐵機(jī)場(chǎng)線穿越3號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道施工為工程背景，通過(guò)數(shù)值仿真分析凍脹融沉對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，提出凍沉控制的主要措施。

1 工程概況

盤(pán)龍城站—宏圖大道站區(qū)間市機(jī)場(chǎng)線工程下穿府河的區(qū)間，施工難度極大，機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道位置在其與地鐵3號(hào)線并行區(qū)間內(nèi)，并與3號(hào)線隧道正交，具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 3號(hào)線盾構(gòu)隧道與6#聯(lián)絡(luò)通道周圍土層分布/m

聯(lián)絡(luò)通道主要位于淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉細(xì)砂層中，淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土夾粉土呈灰、褐灰色，飽和，流塑狀態(tài)，局部軟塑。具一定搖振反應(yīng)，屬中偏高壓縮性土。粉細(xì)砂呈灰、灰黃色，飽和，稍密～中密狀態(tài)，屬中等壓縮性土。聯(lián)絡(luò)通道和機(jī)場(chǎng)線隧道距離上部3號(hào)線隧道約6.0 m。從聯(lián)絡(luò)通道與3號(hào)線隧道的施工順序、聯(lián)絡(luò)通道的加固施工方法、以及與3號(hào)線共同設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道等方面綜合考慮，隧道的施工順序?yàn)?號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線。地鐵機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道施工采用的凍結(jié)方法為水平凍結(jié)法和攪拌樁共同加固土體。

據(jù)施工地質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施人員配備的條件，確定采用“鉆鑿隧道布水平凍結(jié)孔，先凍結(jié)隧道周圍土體，礦山法開(kāi)挖隧道施工”的施工方案，即：在要鉆鑿的聯(lián)絡(luò)通道周圍布設(shè)水平孔，使土體凍結(jié)加固形成穩(wěn)定性強(qiáng)的凍土帷幕，最后依據(jù)“新奧法”所給的礦山法基本原理進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道挖鑿施工。

2 凍脹對(duì)結(jié)構(gòu)的仿真分析

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

眾所周知材料具有熱脹冷縮的性質(zhì)，在溫度發(fā)生變化的情況下體積也會(huì)隨之發(fā)生改變，產(chǎn)生熱應(yīng)變。在材料的熱應(yīng)變受到約束時(shí)不能自由發(fā)展就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。凍脹土可類比一般材料，其凍脹和一般材料受熱發(fā)生應(yīng)變有著相似的表現(xiàn)，當(dāng)土層溫度降低時(shí)，由于水的凍結(jié)體積膨脹，進(jìn)而影響凍脹土的應(yīng)變，而凍脹力的產(chǎn)生是凍土膨脹應(yīng)變被限制所致，只是凍脹與熱應(yīng)變是溫度變化趨勢(shì)不同[10]?？梢杂猛馏w熱膨脹率來(lái)表示土體的凍脹率，按結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行凍脹模擬。

為了分析6#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固對(duì)既有線隧道的影響，本文采用ANSYS對(duì)聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進(jìn)行模擬，根據(jù)對(duì)稱性，建立左側(cè)一半的結(jié)構(gòu)模型，模型總尺寸為37.2 m×40 m×44.34 m，見(jiàn)圖2。三維結(jié)構(gòu)模型中，模型的上邊界為自由邊界，右邊界為對(duì)稱邊界(x軸自由度為0)，其余邊界為固定邊界。采用Solid187三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共劃分787219個(gè)單元，模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖2 三維結(jié)構(gòu)模型

圖3 三維結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

計(jì)算考慮地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況。地層加固后的體積膨脹率取0.6%，地層未加固時(shí)的體積膨脹率取1.5%。地層加固和地層未加固兩種情況下，計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 地層未加固情況下凍脹對(duì)3號(hào)線和機(jī)場(chǎng)線的影響分析

在未加固情況下，凍脹引起3號(hào)線和機(jī)場(chǎng)線隧道的等效應(yīng)力、第一、二和三主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4，5。

圖4 地層未加固情況下3號(hào)線隧道應(yīng)力云圖

圖5 地層未加固情況下機(jī)場(chǎng)線隧道應(yīng)力云圖

由圖4，5可見(jiàn)：(1)在不考慮對(duì)隧道進(jìn)行加固和采取防凍脹措施的情況下，3號(hào)線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為5.9 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的外邊緣，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為7.7 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的內(nèi)邊緣，計(jì)算表明其中最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土管片的最大拉應(yīng)力值，引起混凝土開(kāi)裂；(2)在不考慮對(duì)隧道進(jìn)行加固和采取防凍脹措施的情況下，機(jī)場(chǎng)線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為10.3 MPa，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為17.2 MPa，拉、壓應(yīng)力均較大，管片承載力非常不利，必須采取泄壓孔泄壓和控制凍土體積等防凍脹措施。

2.3 地層加固情況下凍脹對(duì)3號(hào)線和機(jī)場(chǎng)線的影響評(píng)估

在地層加固情況下，凍脹引起3號(hào)線和機(jī)場(chǎng)線隧道的等效應(yīng)力、第一、二和三主應(yīng)力見(jiàn)圖6，7。

圖6 地層加固情況下3號(hào)線隧道應(yīng)力云圖

圖7 地層加固情況下機(jī)場(chǎng)線隧道應(yīng)力云圖

由圖6，7可見(jiàn)：(1)在考慮對(duì)土層進(jìn)行攪拌加固的情況下，3號(hào)線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為2.3 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的外邊緣，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為3.1 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的內(nèi)邊緣，其中凍脹引起的最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，需要進(jìn)行管片加固。(2)在考慮對(duì)土層進(jìn)行加固的情況下，機(jī)場(chǎng)線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為4.1 MPa，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為6.9 MPa，其中最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度

由地層在攪拌樁加固和未加固兩種情況下的對(duì)比分析可知，對(duì)地層進(jìn)行攪拌加固，除了可以提高土層強(qiáng)度以外，還可以減少土中的含水量、抑制水分遷移，對(duì)減少凍脹效應(yīng)有顯著作用。但是，地層加固后的凍脹效應(yīng)仍然對(duì)3號(hào)線隧道和機(jī)場(chǎng)線隧道有較大影響，需要采取防凍脹和隧道結(jié)構(gòu)變形措施。

3 凍脹控制的主要措施

在各地不同工程情況下，地鐵聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工下凍脹融沉控制措施主要有：(1)設(shè)置泄壓孔控制凍脹；(2)改變封閉式凍結(jié)為開(kāi)放凍結(jié)控制凍脹；(3)設(shè)置凍結(jié)邊界溫度控制孔控制凍脹；(4)改變土性抑制凍脹融沉。

如上措施中適合武漢地鐵機(jī)場(chǎng)線和三號(hào)線隧道的措施為(1)和(2)，該方法具有造價(jià)低、工期短，效果好的特點(diǎn)，在許多工程實(shí)例中取得了較好的效果。

(1)設(shè)置泄壓孔控制凍脹。設(shè)置泄壓孔控制凍脹即在凍土帷幕及附近未凍土中設(shè)置泄壓孔，通過(guò)注入泥水泄壓消散作用在結(jié)構(gòu)上的凍結(jié)附加力。在凍脹引起地層壓縮時(shí)，可從泄壓孔排除部分土體，在東京灣隧道川崎人工島和東京外圍排水隧道都采取了設(shè)置泄壓孔控制凍脹，目前設(shè)置泄壓孔已成為凍結(jié)法施工的普遍做法。

(2)改變封閉式凍結(jié)為開(kāi)放凍結(jié)控制凍脹。改變封閉式凍結(jié)為開(kāi)放凍結(jié)控制脹凍即通過(guò)調(diào)整部分凍結(jié)孔的凍結(jié)順序，使部分凍結(jié)孔滯后凍結(jié)，因此在大部分水平凍結(jié)孔凍土交圈時(shí)期(凍脹最嚴(yán)重的時(shí)期約占總凍脹量的50%～60%)，凍脹壓力有一個(gè)釋放的通道，有利于避免在全面凍結(jié)下聯(lián)絡(luò)通道形成較大的凍脹壓力。本工程采用此方法，將D16，D17，D23延遲凍結(jié)7 d(凍結(jié)孔位置見(jiàn)圖8)，在大部分凍結(jié)孔凍土交圈時(shí)期，凍脹壓力有釋放的通道。上海明珠二期上體場(chǎng)穿越上海地鐵一號(hào)線工程和上海大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道都采用此方法。

圖8 分期凍結(jié)示意

4 控制3號(hào)線隧道變形措施

除了6#聯(lián)絡(luò)通道周圍凍土的凍脹和融沉?xí)?duì)上部的3號(hào)線造成影響以外，機(jī)場(chǎng)線主隧道在開(kāi)挖時(shí)同樣對(duì)既有線3號(hào)線以及周圍地層有影響，地層沉降導(dǎo)致圍巖松動(dòng)，穩(wěn)定性和封閉性減小，最終影響3號(hào)線的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，影響3號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全。為減少機(jī)場(chǎng)線隧道和6#聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)3號(hào)線隧道的影響，施工中采取以下措施：

(1)施工區(qū)域周圍地層預(yù)加固。工程上常用的預(yù)加固方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、旋噴加固、超前管棚加固、攪拌樁加固等[11]。本工程采用攪拌樁加固，且地層加固范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)凍結(jié)區(qū)域，以減少凍脹效應(yīng)。攪拌樁加固利用水泥作為固化劑，通過(guò)攪拌機(jī)的攪拌翼片，在翼片直徑范圍內(nèi)將軟土和固化劑在地基中充分?jǐn)嚢?，降低其含水量，增加顆粒之間的粘結(jié)力和足夠的水穩(wěn)定性，使軟土固結(jié)成具有一定強(qiáng)度和整體性的水泥土樁。攪拌加固后的土體，除了強(qiáng)度提高以外，還會(huì)由于含水量的減少而減少土的凍脹、融沉效應(yīng)。

(2)對(duì)3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加固。由于機(jī)場(chǎng)線隧道施工和6#聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)3號(hào)線隧道影響大，還需要對(duì)3號(hào)線隧道采取一些預(yù)加固措施。

既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施通常有采用鋼板加固，工字鋼加固，預(yù)應(yīng)力支架加固，采用鋼管片或者加環(huán)氧樹(shù)脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片等。由于采用鋼板、工字鋼和預(yù)應(yīng)力支架加固的措施會(huì)不可避免地占用3號(hào)線內(nèi)空間從而影響3號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)，只能采用鋼管片或者加環(huán)氧樹(shù)脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片對(duì)3號(hào)線進(jìn)行預(yù)加固。考慮到加環(huán)氧樹(shù)脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片的配方和具體制作工藝還需要做專門(mén)研究，而鋼管片具有比混凝土管片強(qiáng)度和剛度都大得多，抗變形能力強(qiáng)，凍脹和融沉作用下不易裂開(kāi)，后期在鋼管片上開(kāi)孔進(jìn)行注漿比較便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此采用鋼管片方式對(duì)3號(hào)線隧道進(jìn)行加固。

(3)控制凍土的發(fā)展范圍。由于機(jī)場(chǎng)線隧道與3號(hào)線隧道相隔僅6 m，距離比較近，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工對(duì)3號(hào)線將造成很大影響。因此在需要保護(hù)的結(jié)構(gòu)周圍布置溫度控制孔，根據(jù)凍結(jié)壁發(fā)展情況，及時(shí)調(diào)整溫度控制孔內(nèi)的鹽水流量和溫度，以控制凍結(jié)帷幕發(fā)展、減少凍脹力。

(4)機(jī)場(chǎng)線隧道盾構(gòu)施工時(shí)采取微擾動(dòng)措施。采用合理設(shè)定盾構(gòu)土倉(cāng)壓力、高密度監(jiān)測(cè)、優(yōu)化漿液配比、二次補(bǔ)漿、杜絕盾尾漏漿等各技術(shù)措施，減少機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)施工對(duì)3號(hào)線的影響。

5 結(jié) 論

本文以武漢機(jī)場(chǎng)線盤(pán)龍城站—宏圖大道站區(qū)間下穿3號(hào)線6#聯(lián)絡(luò)通道施工為背景，對(duì)此工程采取數(shù)值仿真，分析隧道的應(yīng)力情況，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的控制措施，工程實(shí)踐取得了良好效果。具體結(jié)論如下：

(1)通過(guò)ANSYS構(gòu)建的三維數(shù)值模型，得出地層未攪拌加固時(shí)3號(hào)線隧道的第一主應(yīng)力最大值超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度，將引起混凝土開(kāi)裂，同時(shí)機(jī)場(chǎng)線隧道的第一主應(yīng)力最大為10.3 MPa，第三主應(yīng)力最小值為17.2 MPa，拉、壓應(yīng)力均較大，對(duì)管片承載力非常不利；在地層加固時(shí)，機(jī)場(chǎng)線與3號(hào)線隧道的應(yīng)力均小于地層未加固時(shí)的相應(yīng)應(yīng)力，但機(jī)場(chǎng)線和3號(hào)線的第一主應(yīng)力均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，需采取隧道防凍脹措施。

(2)根據(jù)數(shù)值仿真分析結(jié)果，得出需要采取隧道防凍脹的措施，其中地鐵機(jī)場(chǎng)線和3號(hào)線隧道采取設(shè)置泄壓孔和采用開(kāi)放凍結(jié)法兩種控制凍脹的方法，具有造價(jià)低、工期短、效果好的特點(diǎn)。

(3)由于機(jī)場(chǎng)線隧道和6#聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖同樣也會(huì)造成3號(hào)線隧道的縱向沉降變形，根據(jù)3號(hào)線隧道所處的位置與其工程實(shí)況，采取對(duì)施工區(qū)域周圍地層預(yù)加固，對(duì)3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加固的防變形措施，控制凍土的發(fā)展范圍，機(jī)場(chǎng)線隧道盾構(gòu)施工時(shí)采取微擾動(dòng)措施，將3號(hào)線隧道變形的影響降到了可控范圍。