劉啟清，黃 君，翁國(guó)亮，田書廣，李景陽(yáng)

(1.廣東廣珠城際軌道交通有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510230；2.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；4.天津新亞太工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300143)

為確保地鐵在運(yùn)營(yíng)期間的安全，常在區(qū)間隧道之間設(shè)置一條聯(lián)絡(luò)通道，在高溫氣候地區(qū)，聯(lián)絡(luò)通道常用地面旋噴樁加固，而在土質(zhì)松軟地區(qū)，聯(lián)絡(luò)通道常用凍結(jié)法加固[1-4]。近些年，隨著冷凍施工技術(shù)不斷成熟，聯(lián)絡(luò)通道的開鑿多采用凍結(jié)法施工來(lái)加固通道周圍的土體。凍結(jié)法屬于一種物理加固方法，其成本比其他施工方法小、隔水性好、噪音小，對(duì)周邊環(huán)境無(wú)污染、周圍建筑無(wú)影響，對(duì)凍結(jié)深度和范圍也都沒(méi)有過(guò)多的限制，因此近幾年在地下工程中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，尤其是在土質(zhì)較松軟的含水地層中施工具有無(wú)可取代性[5-9]。

現(xiàn)有研究多是對(duì)凍結(jié)法施工中溫度場(chǎng)、應(yīng)力變形等進(jìn)行數(shù)值模擬分析與評(píng)價(jià)，或是與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析，未考慮開挖前對(duì)通道內(nèi)土體預(yù)加固后拱頂和拱底的受力狀態(tài)的改變、凍土帷幕最薄弱處的位置及對(duì)主隧道管片受力狀態(tài)的影響。

因此，本文以珠機(jī)城際橫琴隧道金融島車站—3號(hào)工作井區(qū)間橫通道為例，在既有文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，對(duì)凍結(jié)帷幕的變形特性、應(yīng)力分布特性、開挖造成隧道周圍管片應(yīng)力的重新分布、主隧道受力狀態(tài)等情況進(jìn)行研究。

1 工程概況

金融島車站—3號(hào)工作井區(qū)間內(nèi)共建有3#、4#和5#3條聯(lián)絡(luò)通道，區(qū)間內(nèi)地質(zhì)復(fù)雜、巖面起伏大且位于馬騮洲水道下方，施工難度較大，決定在3#和4#聯(lián)絡(luò)通道工程中采用“隧道內(nèi)鉆孔凍結(jié)法加固，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案，即在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)周圍地層，使聯(lián)絡(luò)通道外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高、封閉性能好的凍土帷幕，然后采用礦山法在凍土地層中進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開挖構(gòu)筑施工，地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行。

本文以3#聯(lián)絡(luò)通道(與泵房合建)為研究對(duì)象，3#聯(lián)絡(luò)通道位于淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土層以及少量全風(fēng)化花崗巖中，左線隧道里程為DK8+189.350。右線隧道里程為YDK8+219.707。初期支護(hù)厚度為250 mm，二次襯砌厚度為450 mm，開挖長(zhǎng)度為8.5 m，平均埋深為26.8 m。凍結(jié)法加固聯(lián)絡(luò)通道示意如圖1。

為提高開挖過(guò)程中掌子面土體的自穩(wěn)性，在橫通道掌子面范圍內(nèi)打設(shè)6根超前水平注漿管，進(jìn)行地層預(yù)加固。聯(lián)絡(luò)通道斷面為馬蹄形，通道采用二次襯砌，聯(lián)絡(luò)通道所處的位置主要為淤泥和粉質(zhì)黏土，巖土力學(xué)參數(shù)見表1，襯砌混凝土及鋼支架力學(xué)參數(shù)見表2。由于聯(lián)絡(luò)通道中的土體經(jīng)過(guò)預(yù)加固，故在完成初始應(yīng)力疊加后，模擬聯(lián)絡(luò)通道開挖前，將該部分土體按照襯砌混凝土的參數(shù)重新賦值。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌混凝土和鋼支架力學(xué)參數(shù)

2 聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

以原有的工程地質(zhì)資料為依托，將工程CAD圖導(dǎo)入Rhino軟件建模。根據(jù)圣維南原理，模型選取的足夠大以保證邊界基本不受開挖擾動(dòng)的影響。數(shù)值計(jì)算模型的范圍為：沿隧道軸線方向長(zhǎng)度為83 m，高程方向?yàn)?5 m，垂直隧道軸線方向取135 m。采用Kubrix劃分網(wǎng)格單元,共劃分 124 061 個(gè)單元，包含 23 601 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型坐標(biāo)原點(diǎn)在(0,0,0)點(diǎn)，沿隧道軸線向內(nèi)為x軸正方向，垂直隧道向上為z軸正方向，垂直隧道軸線向內(nèi)為y軸正方向。

模型上表面為自由面,模型前、后、左、右側(cè)面施加水平法向約束，模型底面施加豎向法向約束。聯(lián)絡(luò)通道開挖時(shí)為監(jiān)測(cè)周圍凍土帷幕的變形，分別在z方向聯(lián)絡(luò)通道拱頂與拱底位置各設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)拱頂沉降和拱底隆起；x方向即聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)方向共設(shè)有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)聯(lián)絡(luò)通道周邊收斂變形。所以模型建立時(shí)也在上述相同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。三維計(jì)算模型見圖2。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型假設(shè)

為了更好地模擬施工，抓住主要問(wèn)題，同時(shí)又不影響模擬結(jié)果，對(duì)模型作了以下假設(shè)：

1)不考慮水泵房對(duì)聯(lián)絡(luò)通道及隧道的影響，但在模擬時(shí)會(huì)拓寬下部?jī)鼋Y(jié)壁的寬度；

2)凍土與未凍土均為各向同性體，凍土帷幕預(yù)計(jì)厚度為2.5 m；

3)凍土與未凍土均為弾塑性材料，符合Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則；聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的加固土體、鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)等均為線彈性材料；

4)根據(jù)凍土試驗(yàn)結(jié)果，-10 ℃ 凍土帷幕的抗壓強(qiáng)度為5.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.5 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.1 MPa；

5)設(shè)定聯(lián)絡(luò)通道在開挖前地層處于初始平衡狀態(tài)[10-13]，即隧道開挖完成并求解平衡后，將所有的位移和速度清零，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)。

2.3 施工過(guò)程模擬

1)聯(lián)絡(luò)通道采用臺(tái)階法施工，整個(gè)施工過(guò)程需要3個(gè)循環(huán)，單個(gè)循環(huán)進(jìn)尺3 m；

2)開挖聯(lián)絡(luò)通道毛洞應(yīng)力釋放率為30%，施作聯(lián)絡(luò)通道初期支護(hù)后應(yīng)力釋放率為70%；

3)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，單個(gè)循環(huán)具體過(guò)程：上臺(tái)階開挖3 m、應(yīng)力釋放(30%)，初噴混凝土并安裝鋼拱架、應(yīng)力釋放(70%)，下臺(tái)階開挖3 m、應(yīng)力釋放(30%)，初噴混凝土并安裝鋼拱架、應(yīng)力釋放(70%)。

3 結(jié)果分析

3.1 聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)隧道管片的影響

圖3 管片應(yīng)力云圖

由于盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工需要拆除區(qū)間隧道的部分管片，極易導(dǎo)致盾構(gòu)管片發(fā)生過(guò)大的變形，使得隧道結(jié)構(gòu)受損[14]；且聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)土體開挖，勢(shì)必會(huì)引起周圍應(yīng)力的重新分布，對(duì)管片也會(huì)造成一定的影響。管片的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力見圖3?？芍孩俾?lián)絡(luò)通道開挖后會(huì)使部分管片處于受拉狀態(tài)，且拉應(yīng)力多分布在開口環(huán)的對(duì)側(cè)；②剪應(yīng)力多分布在管片兩側(cè)，最大正剪應(yīng)力分布在開口環(huán)處。③聯(lián)絡(luò)通道的開挖影響隧道管片的受力狀況，在凍土帷幕與隧道管片接觸部位出現(xiàn)應(yīng)力集中,是最薄弱的地方，因此聯(lián)絡(luò)通道開挖過(guò)程應(yīng)注意開口處管片變形的監(jiān)測(cè)，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道洞門處的管片及時(shí)進(jìn)行加固防止管片破壞。

3.2 凍結(jié)帷幕強(qiáng)度與變形分析

凍土帷幕的強(qiáng)度是聯(lián)絡(luò)通道安全施工的重要保障，因此凍土帷幕必須滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度與變形要求。開挖引起的凍土帷幕應(yīng)力重新分布和位移是檢驗(yàn)凍結(jié)效果最直觀的指標(biāo)，利用數(shù)值模擬得出開挖后聯(lián)絡(luò)通道的應(yīng)力與應(yīng)變，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得出凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度和變形特性，進(jìn)而對(duì)施工提供指導(dǎo)。

凍土帷幕z方向的位移見圖4?？芍?位移云圖顯示z方向凍土上部最大沉降為11.42 mm，底部最大隆起為3.27 mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出的拱頂最大沉降和拱底最大隆起與模擬值基本一致，位移變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的合理性，而且凍土帷幕的整體縱向位移也符合工程的安全性要求。

圖4 凍土帷幕Z方向的位移

凍土帷幕y方向位移云圖見圖5?？芍?y方向的土體向聯(lián)絡(luò)通道中心收斂，喇叭口處上部的土體收斂最大，其值為2.71 mm。

圖5 凍土帷幕y方向位移云圖(單位：m)

聯(lián)絡(luò)通道左右側(cè)凍土帷幕x方向的位移見圖6。由圖6(a)可知，x方向的土體也出現(xiàn)了向聯(lián)絡(luò)通道中心收斂的情況，而且聯(lián)絡(luò)通道中心部位的土體收斂最大，其值為8.93 mm。由圖6(b)、圖6(c) 可知:現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，聯(lián)絡(luò)通道周邊均向中心收斂，沿y方向聯(lián)絡(luò)通道越靠近中心收斂值越大，且變形符合工程的安全性要求。

圖6 凍土帷幕x方向的位移

圖7 凍土帷幕應(yīng)力云圖(單位：m)

凍土帷幕應(yīng)力云圖見圖7?？芍簝鐾玲∧淮蟛糠痔幱谑軌旱臓顟B(tài)，拉應(yīng)力只出現(xiàn)在喇叭口處；最大剪應(yīng)力分布在聯(lián)絡(luò)通道與隧道的接口處，最大剪應(yīng)力為716.36 kPa，由于拱頂和拱底處經(jīng)過(guò)注漿預(yù)加固處理，故剪應(yīng)力分布較少。抗壓、抗拉和抗剪的安全系數(shù)分別為2.55，3.16，2.14，考慮到所分析工況的極端性，此凍土帷幕完全可以滿足安全要求。

綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有高度的吻合性，說(shuō)明了數(shù)值模擬的合理可行性。拱頂和拱底的剪應(yīng)力分布較少，說(shuō)明開挖前對(duì)通道內(nèi)土體預(yù)加固能有效改善聯(lián)絡(luò)通道的受力狀態(tài)；就凍土帷幕整體變形量和受力情況而言，喇叭口處是整個(gè)凍土帷幕最薄弱處，由于喇叭口位于凍土帷幕與管片的交界處，且導(dǎo)熱系數(shù)較大、散熱速度快，因此主隧道管片的散熱對(duì)附近土體的凍結(jié)效果有很大的削弱作用[15]，施工過(guò)程中需特別注意。

4 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工工程應(yīng)用

基于上述數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析結(jié)果，綜合考慮凍結(jié)帷幕的應(yīng)力分布和變形特性以及聯(lián)絡(luò)通道開挖過(guò)程中對(duì)隧道管片的影響，得到本工程聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)用凍結(jié)法施工時(shí)需注意的問(wèn)題：

1)本次工程采用鹽水循環(huán)系統(tǒng)，聯(lián)絡(luò)通道四周全部?jī)鼋Y(jié)。凍結(jié)管主要從聯(lián)絡(luò)通道的一側(cè)隧道內(nèi)打孔布置，在泵房下沉部位需要從聯(lián)絡(luò)通道的另一側(cè)隧道內(nèi)打孔布置凍結(jié)管。通過(guò)不同角度的上仰、水平和下探的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)擬凍結(jié)范圍的凍結(jié)管布置，凍結(jié)管布置完畢之后要及時(shí)布置測(cè)溫孔和卸壓孔。

2)管片破除前需從現(xiàn)場(chǎng)取土在試驗(yàn)室內(nèi)完成現(xiàn)場(chǎng)土的低溫物理學(xué)參數(shù)的測(cè)定工作，確定達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度，方可破除管片。

3)管片破除后，在土方開挖前要對(duì)聯(lián)絡(luò)通道洞門進(jìn)行加固，采用超前雙排小導(dǎo)管注漿加固。對(duì)開口區(qū)域管片加固完成后，切割前在開門中心位置沿通道方向探孔，探孔深度2 m。根據(jù)小管出水情況及壓力變化，判斷加固效果，無(wú)異常情況方可繼續(xù)施工。

4)右線先進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)所以先破除盾構(gòu)右線管片，待聯(lián)絡(luò)通道初支開挖和二襯完成后，再進(jìn)行左線管片破除。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量放樣，對(duì)破除區(qū)域內(nèi)的管片采用水鉆對(duì)既有管片進(jìn)行破除。

5)破除時(shí)先破除上部管片，再進(jìn)行下部管片的破除。上部管片破除后，即可進(jìn)行開口施工。

5 結(jié)論

1)聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)力、位移的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均比較一致，說(shuō)明了數(shù)值模擬的科學(xué)性和合理性，一定程度上可反映實(shí)際工程的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律。

2)在對(duì)聯(lián)絡(luò)通道開挖前，需對(duì)通道內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固，以便有效改善聯(lián)絡(luò)通道拱頂及拱底的受力狀態(tài)。

3)聯(lián)絡(luò)通道與主隧道的開口環(huán)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)作加固處理。

4)由于管片的散熱問(wèn)題，在凍結(jié)時(shí)喇叭口處需做好特殊處理，如鋪設(shè)保溫層、采用雙排凍結(jié)管加強(qiáng)凍結(jié)效果。

5)聯(lián)絡(luò)通道開挖易導(dǎo)致主隧道處于受拉狀態(tài)，且拉應(yīng)力多分布在開口環(huán)的對(duì)側(cè)。