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        超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律及其對隧道變形的影響

        2021-08-11 10:51:00陳軍浩陳筆尖王樂瀟
        長江科學(xué)院院報(bào) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)絡(luò)溫度場泵站

        陳軍浩,陳筆尖,莊 言,王樂瀟

        (1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,福州 350108; 2.福建工程學(xué)院 地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350108)

        1 研究背景

        聯(lián)絡(luò)通道作為安全通道是地鐵工程建設(shè)的重難點(diǎn)之一,具有施工難度大、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)。當(dāng)通道處于透水性強(qiáng)、承載力低的軟土及砂土土層時(shí)則需要采取加固措施,防止施工過程中因周邊土體擾動而產(chǎn)生不利影響。由于凍結(jié)法擁有靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)、污染小、止水效果好及凍土強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地鐵通道的施工建設(shè)當(dāng)中。土體的凍結(jié)過程本質(zhì)上是一個(gè)相變過程,通常伴隨水分遷移、土體凍脹及熱量流失等現(xiàn)象發(fā)生[1]。其中水分遷移與土體凍脹占主導(dǎo)地位,因此研究凍結(jié)過程中土體的溫度場及位移場發(fā)展規(guī)律對工程安全控制具有重要意義。

        國內(nèi)外一些學(xué)者對地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工案例做了許多研究,如通過研讀相關(guān)文獻(xiàn)對凍結(jié)法的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行概括總結(jié)[2],對地層加固效果進(jìn)行評價(jià)[3],對強(qiáng)透水、富集海水、白堊系等特殊地層[4-9]的凍結(jié)工程進(jìn)行研究。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工主要還是集中于研究凍結(jié)過程中溫度場及位移場變化規(guī)律、凍結(jié)壁力學(xué)特性及開挖過程中周邊結(jié)構(gòu)變化情況等。王暉等[10]通過數(shù)值模擬分析了不同工程中聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工過程的變化規(guī)律,得到凍土帷幕與隧道管片的接觸部位是整個(gè)凍土帷幕的薄弱位置,通道及泵站在開挖建造過程中凍土帷幕穩(wěn)定性將大幅削弱,其中通道頂部沉降量及泵站底部隆起量最大和側(cè)壁連接處是薄弱點(diǎn);奚守仲等[11]、王彬等[12]分別通過數(shù)值分析和理論分析研究了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程中凍土壁的力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。陳軍浩等[13-15]通過室內(nèi)凍結(jié)模型試驗(yàn)及數(shù)值分析研究了凍結(jié)管在有無偏斜及不同凍結(jié)參數(shù)下凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展特性,得到多圈管在凍結(jié)時(shí),各圈之間容易產(chǎn)生密閉未凍承壓水倉且凍結(jié)管偏斜對交圈時(shí)間及凍結(jié)壁徑向平均溫度影響較大。張松等[16]、姚兆明等[17]通過室內(nèi)試驗(yàn)分別對地表凍脹量和土體蠕變特性進(jìn)行研究,為工程應(yīng)用提供借鑒。

        由此可見,現(xiàn)國內(nèi)外針對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工問題研究相對較多,但大多集中于短距離聯(lián)絡(luò)通道且以二維溫度場變化規(guī)律研究為主,而對于三維超長聯(lián)絡(luò)通道方面研究則較少。本文以福州地鐵2號線紫陽—五里亭區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程為研究背景,通過對長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場進(jìn)行三維數(shù)值仿真及現(xiàn)場實(shí)測對比,分析在凍結(jié)過程中溫度場的變化規(guī)律及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)和周邊地層在凍脹作用下位移變形的規(guī)律,以期為長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工及設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

        2 工程實(shí)例

        2.1 工程概況

        本工程聯(lián)絡(luò)通道位于福州地鐵2號線紫陽站—五里亭站區(qū)間,所處隧道中心間距65.8 m,上覆土層厚度14.7 m。聯(lián)絡(luò)通道距最近摩擦型樁6.4 m,且隧道及泵站上方分布眾多管線。區(qū)間隧道北側(cè)有王莊派出所、農(nóng)貿(mào)市場、公寓等,南側(cè)則有花都集團(tuán)、福建富士通軟件有限公司、行政服務(wù)中心等建筑物。

        聯(lián)絡(luò)通道所處地層自上而下主要為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥夾砂、(含泥)中細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。根據(jù)場地鉆孔資料,松散巖類孔隙承壓水分布于第四系松散沉積物的孔隙中,主要賦存在淤泥中細(xì)砂交互層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、(含泥)中細(xì)砂、(含泥)粉細(xì)砂、(含泥)粗中砂中。承壓水水頭較高。各土層中地下水流速緩慢,對土層影響小。

        水平聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)采用直墻圓弧拱結(jié)構(gòu),其初襯(鋼支架加木背板)結(jié)構(gòu)厚度為230 mm,二次鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)厚度400 mm。通道設(shè)計(jì)整體開挖輪廓高4.04 m,寬3.76 m。通道相連兩盾構(gòu)隧道直徑為6 200 mm,管片厚度350 mm。

        2.2 凍結(jié)設(shè)計(jì)

        根據(jù)工程地質(zhì)及其他因素條件,確定聯(lián)絡(luò)通道采用“隧道內(nèi)鉆鑿,布設(shè)近水平孔凍結(jié)臨時(shí)加固土體,礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案。由于聯(lián)絡(luò)通道長達(dá)65.8 m,屬超長聯(lián)絡(luò)通道,為方便鉆孔施工及實(shí)現(xiàn)更好凍結(jié)效果,采用兩端均布設(shè)凍結(jié)管進(jìn)行水平凍結(jié),凍結(jié)孔共設(shè)175個(gè),凍結(jié)管選用規(guī)格Φ108 mm×8 mm,通道處凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度2 m,通道與盾構(gòu)隧道交界處除下部設(shè)計(jì)厚度2 m外,其余為1.7 m,積極凍結(jié)時(shí)間為50 d,凍土帷幕平均溫度應(yīng)低于-10 ℃。聯(lián)絡(luò)通道、隧道及凍結(jié)管位置關(guān)系如圖1所示。

        圖1 聯(lián)絡(luò)通道、隧道及凍結(jié)管位置關(guān)系Fig.1 Locations of connecting aisle, tunnel and freezing pipes

        3 數(shù)值分析模型建立

        3.1 模型說明

        本文采用ANSYS有限元軟件對聯(lián)絡(luò)通道開挖前的土層凍結(jié)進(jìn)行計(jì)算。為提高計(jì)算速度,考慮了凍結(jié)管布置及盾構(gòu)隧道分布前后左右近似對稱性,建立1/4的分析模型。模型尺寸長55 m×寬15 m×高41.45 m,主要結(jié)構(gòu)包括盾構(gòu)隧道、凍結(jié)管以及凍結(jié)加固后擬建的聯(lián)絡(luò)通道及泵站,截面尺寸與工程概況保持一致。各結(jié)構(gòu)相對位置如圖2所示,圖中未顯示周邊土層。

        圖2 凍結(jié)1/4模型Fig.2 Diagram of 1/4 frozen model

        表2 土層熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters of soil strata

        各土層假定為水平向且各向同性,采用彈性本構(gòu)模型。為在ANSYS中反映土層性質(zhì)隨溫度變化而改變所導(dǎo)致的溫度場變化,本文在ANSYS軟件中分別選取土層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)(見表1)、熱力學(xué)參數(shù)(表2)及凍脹系數(shù)(表3)(因無實(shí)測值,

        表1 土層和隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and medchamical parameters of soil layer and channel structure

        表3 土層凍脹系數(shù)Table 3 Coefficient of frost heave of soil strata

        借鑒參考文獻(xiàn)[18]選取)。按表2所示的溫度節(jié)點(diǎn)并設(shè)定相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù),而兩溫度節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)則采用線性內(nèi)插獲得。

        本次計(jì)算模型的單元劃分主要為四面體單元及六面體單元,共1 804 457個(gè)單元、401 567個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元劃分結(jié)果見圖3。模型除上表面不受自由度約束外,側(cè)面及底面均受法向位移約束。

        圖3 計(jì)算模型有限元網(wǎng)格Fig.3 Finite element meshes of computational model

        3.2 凍結(jié)過程模擬

        凍結(jié)過程溫度場計(jì)算采用瞬態(tài)熱分析,溫度單元選用SOLID70,設(shè)定土層溫度為25 ℃。溫度荷載根據(jù)預(yù)計(jì)鹽水降溫曲線施加于凍結(jié)管外壁上。

        在獲得凍結(jié)溫度場的結(jié)果后,單元轉(zhuǎn)化為SOLID165進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。首先將地層進(jìn)行地應(yīng)力平衡后并位移清零,再將溫度場計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的溫度荷載,導(dǎo)入已轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元的計(jì)算模型中進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移場分析。

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        4.1 凍結(jié)溫度場數(shù)值分析

        為反映截面中溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化特性,分別在凍結(jié)管交叉及泵站截面位置現(xiàn)場布設(shè)溫度測點(diǎn),測點(diǎn)位置如圖4所示,其中測點(diǎn)1、3、5為交叉截面測點(diǎn),測點(diǎn)2、4、6為泵站區(qū)域截面測點(diǎn)。再根據(jù)現(xiàn)場測點(diǎn)位置情況提取數(shù)值分析中相應(yīng)測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行對比,對比情況如圖5所示。

        圖4 交叉截面、泵站截面溫度測點(diǎn)位置Fig.4 Positions of temperature measuring points in cross section and pump station section

        圖5 交叉截面測點(diǎn)、泵站截面測點(diǎn)溫度變化Fig.5 Variation of temperature at measuring points in cross section and pumping station section

        通過圖5(a)可以看出,測點(diǎn)1中模擬與實(shí)測溫度變化趨勢一致,20 d后兩者逐漸接近并趨向于-12 ℃;測點(diǎn)3模擬與實(shí)測溫度在前15 d存在較大差異,但之后兩者溫度變化趨勢逐漸相同,到凍結(jié)期50 d兩者溫度皆穩(wěn)定在-4 ℃;測點(diǎn)5模擬與實(shí)測溫度變化趨勢相同,在積極凍結(jié)期間前25 d實(shí)測溫度略大于模擬溫度2~5 ℃,31 d后兩者之間溫差在1 ℃之內(nèi)。

        通過圖5(b)可以看出,測點(diǎn)2中實(shí)測溫度比模擬溫度發(fā)生相變的時(shí)間多5 d,但在整個(gè)積極凍結(jié)期內(nèi),兩者溫度曲線基本重合一致;測點(diǎn)4中模擬與實(shí)測溫度在相變之前相差較大,而后兩者之間的溫度逐漸趨向于一致;測點(diǎn)6除了在前15 d模擬溫度比實(shí)測溫度略低之外,之后整體溫度變化是一致的,偏差皆在1 ℃以內(nèi)。

        綜上所述,凍結(jié)初期土層溫度受外界因素影響波動大,導(dǎo)致個(gè)別測點(diǎn)在凍結(jié)初期偏差略大,積極凍結(jié)中后期各測點(diǎn)模擬與實(shí)測溫度偏差在1 ℃以內(nèi),在可接受范圍之內(nèi),因此該凍結(jié)過程模擬是合理的。同時(shí)可知,距離凍結(jié)管0.5 m以內(nèi)的區(qū)域,其在冰點(diǎn)附近發(fā)生的相變轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯;主要是由于該處區(qū)域的降溫速率快,水相變所釋放出潛熱的速率也越快,當(dāng)熱量不能及時(shí)被帶走時(shí),就會出現(xiàn)明顯的降溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

        通過對比圖5(a)、圖5(b)發(fā)現(xiàn),泵站截面的溫度下降速率普遍大于交叉截面,泵站截面處凍結(jié)約13 d時(shí)測點(diǎn)溫度已開始出現(xiàn)0 ℃,凍結(jié)30 d測點(diǎn)溫度全部達(dá)到-10 ℃以下。交叉截面21 d測點(diǎn)溫度才開始達(dá)到0 ℃以下,到50 d仍存在部分測點(diǎn)溫度在-5 ℃。由此可見,泵站區(qū)域截面溫度下降速率快,凍結(jié)50 d后盾構(gòu)隧道與凍土帷幕之間的膠結(jié)要求完全能夠滿足。且從整個(gè)積極凍結(jié)期可知,泵站截面處發(fā)生相變現(xiàn)象的轉(zhuǎn)折點(diǎn)比交叉區(qū)域截面明顯。

        4.2 凍結(jié)溫度場云圖結(jié)果

        通過ANSYS有限元軟件對凍結(jié)過程中土體溫度場進(jìn)行分析計(jì)算后,考慮通道凍結(jié)管交叉區(qū)域距隧道距離最遠(yuǎn),凍結(jié)效果差異較大。因此分別提取前后對稱截面、中間凍結(jié)管交叉區(qū)域橫截面、泵站所在區(qū)域橫截面3處的積極凍結(jié)期溫度場,見圖6—圖8。

        圖6 對稱截面溫度場變化Fig.6 Variation of temperature field on symmetrical section

        圖7 交叉截面溫度場變化Fig.7 Variation of temperature field in cross section

        圖8 泵站截面溫度場變化Fig.8 Variation of temperature field in pumping station section

        通過圖6可以看出,在無偏斜條件下凍結(jié)管交叉區(qū)域0 ℃的凍結(jié)壁邊界在凍結(jié)前21 d擴(kuò)散到1.2 m厚,平均速率57 mm/d,后29 d只增長0.8 m,平均速率27.6 mm/d。這主要是由于凍結(jié)初期溫差大,土體吸收的冷量多。凍結(jié)中后期,土層間溫差減小且土體在冰點(diǎn)附近發(fā)生相變放熱,同時(shí)凍結(jié)管周圍土體溫度低,使得凍結(jié)管與土層熱交換降低,從而導(dǎo)致后期凍結(jié)溫度發(fā)展變慢;聯(lián)絡(luò)通道出入口處凍結(jié)管密集,該處受凍結(jié)影響最深,喇叭口處凍結(jié)壁厚度達(dá)2.2 m,越靠近通道中心,凍結(jié)壁漸薄。通過圖6(d)可以看出,在積極凍結(jié)50 d后,凍結(jié)管交叉區(qū)域的凍結(jié)壁比通道正常段厚0.5 m。可見凍結(jié)管合理的交叉對長聯(lián)絡(luò)通道中間段凍結(jié)壁形成具有一定增益效用。同時(shí)可以觀測到喇叭口周邊區(qū)域溫度皆達(dá)到-25 ℃的低溫環(huán)境,說明該處凍土強(qiáng)度與安全系數(shù)高。

        通過圖7可知,交叉截面處在積極凍結(jié)21 d后凍結(jié)壁已經(jīng)形成并且厚度達(dá)到1.2 m。積極凍結(jié)50 d后,凍結(jié)壁平均溫度降至-10 ℃且厚度達(dá)到2.05 m,滿足設(shè)計(jì)要求。由圖8可知,積極凍結(jié)21 d時(shí)下部泵站周邊凍結(jié)壁交圈剛形成不久,厚度僅為0.9 m,而上部通道周邊凍結(jié)壁則已初具規(guī)模,厚度達(dá)1.2 m,導(dǎo)致差異的原因主要為通道周邊凍結(jié)管布置較泵站周邊密集。在積極凍結(jié)50 d后,凍結(jié)管圍成的泵站中心區(qū)域溫度下降至-5 ℃以下,在實(shí)際中可考慮泵站處采用控制凍結(jié)等方式,以減少冷量損失,節(jié)約成本。通道區(qū)域凍結(jié)壁厚度最小達(dá)到2.3 m,滿足設(shè)計(jì)要求。

        為獲得通道兩橫截面處的溫度與距中心點(diǎn)水平路徑距離關(guān)系,以圖4(a)、圖4(b)軸線上中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),箭頭方向上距中心點(diǎn)的距離為x軸,溫度為y軸建立凍結(jié)期50 d時(shí)泵站及凍結(jié)管交叉區(qū)域截面處溫度隨路徑距離變化關(guān)系,如圖9所示。

        圖9 通道溫度隨路徑距離變化關(guān)系Fig.9 Variation of temperature at connecting aisle with axial distance

        通過圖9可以看出,泵站與交叉區(qū)域溫度隨著距離變化規(guī)律具有異同點(diǎn),在凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)距離通道截面中心1.2 m(離凍結(jié)管1.5 m)處,溫度變化速率明顯變快,且因泵站區(qū)域凍結(jié)管密集,溫度改變速率比交叉區(qū)域明顯。在拐點(diǎn)左側(cè),泵站區(qū)域溫度比交叉區(qū)域低,拐點(diǎn)右側(cè)兩者溫度變化趨勢則基本一致。

        4.3 凍結(jié)對隧道周邊環(huán)境影響分析

        4.3.1 地層凍結(jié)位移場分析

        根據(jù)數(shù)值模擬,提取凍結(jié)50 d時(shí)通道周邊地層位移場,其y方向位移云圖見圖10,進(jìn)而可以得到圖10中距對稱面0、5、10、15 m的地表隆起變形規(guī)律,見圖11,其中圖11(a)為地表隆起變形與左邊界距離(左邊界為x軸原點(diǎn))的變化關(guān)系,圖11(b)為圖11(a)中隆起位移對距離的一階導(dǎo)數(shù)。

        圖10 凍結(jié)50 d y方向位移場云圖Fig.10 Displacement field in y direction frozen for 50 days

        圖11 地表不同位置處位移變化規(guī)律Fig.11 Law of displacement change at different positions of ground surface

        通過圖10知,在喇叭口附近出現(xiàn)寬10 m、高2.5 m的變形集中區(qū),其豎向位移介于6~7.2 mm之間,該集中區(qū)傳至對應(yīng)地面位移衰減至4 mm;同時(shí),因A-A及B-B處截面凍結(jié)管密集,其通道凍脹位移量比兩截面之間的普通區(qū)多60%~70%。

        通過圖11(a)知,在距左邊界同樣距離時(shí),離對稱面越遠(yuǎn),地表隆起變形越小;隨距左邊界越遠(yuǎn),地表變形越大,在33 m處(距盾構(gòu)隧道中心8 m)達(dá)到最大值3.6 mm,之后又逐漸減小。由圖11(b)可知,地表變形速率在16 m處達(dá)到最大值0.15 mm/m,在33 m處減小為0 mm/m,在40 m處達(dá)到最小值-0.025 mm/m,而后又逐漸增加到0 mm/m,即從33 m至中部的地表起伏平緩。

        同時(shí),提取A-A截面在距對稱面0、5、10、15 m處地表位移的時(shí)間歷程曲線,如圖12所示。

        圖12 地表位移時(shí)間歷程曲線Fig.12 Time-history curves of ground surface displacement

        通過圖12可以看出,在積極凍結(jié)前5 d地表位移基本不變。之后隨著凍結(jié)時(shí)間增加,地表位移及增長速率皆呈現(xiàn)增長。距對稱面愈遠(yuǎn),地表隆起值及增長速率愈小。

        為得到在凍結(jié)50 d時(shí)不同深度土層的位移變化規(guī)律,考慮圖10中A-A(喇叭口附近)和B-B(交叉區(qū)域)線所在位置變形較大,則從兩處的通道頂部向地面分別選取不同的土層深度,得到以通道頂為坐標(biāo)原點(diǎn)、距通道頂豎直距離為橫坐標(biāo)、土層位移為縱坐標(biāo)的位移隨深度變化關(guān)系,見圖13。

        圖13 地層位移與距通道頂距離關(guān)系Fig.13 Relation between soil displacement and distance from aisle top

        通過圖13可知,A-A、B-B兩截面的通道頂部位移分別在5 mm和2.5 mm以內(nèi),而距通道分別1.5 m和3 m處土層產(chǎn)生凍脹位移則分別增加至7 mm和5.6 mm,到達(dá)地面時(shí),分別衰減至3.7 mm和3.3 mm??梢娛苈?lián)絡(luò)通道下部凍結(jié)管的相互影響,凍結(jié)產(chǎn)生的變形最大區(qū)域不在通道開挖輪廓邊上,而集中于凍結(jié)孔周圍,特別是凍結(jié)孔外側(cè)區(qū)域。

        綜上可知,凍結(jié)管周邊土層受凍結(jié)影響最大且凍結(jié)管越密產(chǎn)生的變形破壞越大。通道喇叭口附近會形成變形集中區(qū),對地表的隆起變形具有顯著影響。

        4.3.2 盾構(gòu)隧道凍結(jié)位移場分析

        通過ANSYS有限元軟件對凍結(jié)過程中隧道進(jìn)行分析計(jì)算后,提取1/4模型隧道的位移、應(yīng)力云圖,如圖14、圖15所示。

        圖14 盾構(gòu)隧道位移云圖Fig.14 Displacements of shield tunnel

        圖15 盾構(gòu)隧道應(yīng)力云圖Fig.15 Stresses of shield tunnel

        由圖14(a)看出,盾構(gòu)隧道受凍結(jié)影響,通道側(cè)的拱腳及拱肩處x方向位移變形最大,達(dá)到-9.4 mm;由圖14(b)知盾構(gòu)隧道在通道側(cè)的拱肩發(fā)生0.8 mm沉降位移,而拱腳則產(chǎn)生5.5 mm隆起位移;z方向位移最大位置也發(fā)生于隧道拱腳位置,達(dá)到-6.9 mm;通過等效位移圖看出,盾構(gòu)隧道位移變形集中于凍結(jié)孔所圍成的區(qū)域,凍結(jié)孔越密集產(chǎn)生的變形位移也越大,最大等效位移在拱腳處達(dá)10.3 mm。

        由圖15(d)看出,距凍結(jié)孔中心240 mm范圍的等效應(yīng)力最大,達(dá)到48 kPa;由圖15中的(a)—(c)知,凍結(jié)孔周邊的主應(yīng)力皆較大,特別是在拱腳區(qū)域的第一主應(yīng)力達(dá)到22 kPa,但仍遠(yuǎn)小于混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,可見凍結(jié)過程中對盾構(gòu)隧道的強(qiáng)度方面影響微小,而主要集中于變形破壞。因此實(shí)際工程中對于盾構(gòu)管片,特別是在拱腳及拱肩側(cè)應(yīng)加強(qiáng)變形控制,必要時(shí)需采取預(yù)防加固措施。

        由圖14(d)等效位移云圖可知,隧道變形在對稱截面最大。因此,分別提取對稱面盾構(gòu)隧道拱頂豎向位移、兩側(cè)收斂位移、拱底隆起位移等數(shù)據(jù),獲得其隨時(shí)間的變化規(guī)律,如圖16所示。

        圖16 盾構(gòu)隧道位移隨時(shí)間歷程曲線Fig.16 Time-history curves of shield tunnel’s displacement

        由圖16可知,盾構(gòu)隧道在凍結(jié)過程中拱頂、拱底及拱腳皆發(fā)生向上的隆起變形,且拱腳豎向位移最大,比拱頂多45%。而拱肩則發(fā)生微小的沉降變形,說明在拱肩附近存在一豎向變形為0的點(diǎn)。盾構(gòu)隧道左右兩側(cè)壁及拱肩在凍結(jié)過程中皆發(fā)生遠(yuǎn)離聯(lián)絡(luò)通道側(cè)的水平位移,拱肩發(fā)生變形位移最顯著,凍結(jié)期結(jié)束其水平位移比右側(cè)壁多85%;同時(shí)可知,隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,各點(diǎn)的位移變化速率皆增加,且隨著凍結(jié)時(shí)間的增長,拱腳與拱頂?shù)呢Q向位移差值逐漸變大。兩側(cè)壁的凈收斂位移及拱肩與側(cè)壁的水平位移差值增大。這說明聯(lián)絡(luò)通道的積極凍結(jié)期過長,易造成既有結(jié)構(gòu)物和周邊地層過大變形,且時(shí)間越長,變形增長速率越快。因此,聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)合理采用控制凍結(jié)等方式來降低凍脹影響,除能節(jié)約工程造價(jià)外,還有利于保證既有結(jié)構(gòu)物及地表建筑物的安全。

        綜上可知,超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程對盾構(gòu)隧道的變形造成很大影響。變形主要集中于盾構(gòu)隧道近通道側(cè)的拱腳及拱肩部位,其次為拱頂及右側(cè)壁。在實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控,合理選擇凍結(jié)工期,必要時(shí)需采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

        5 結(jié)論及展望

        本文以福州地鐵2號線紫陽—五里亭站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工為背景,采用數(shù)值仿真對該工程的凍結(jié)過程進(jìn)行模擬分析,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果得到凍結(jié)過程中聯(lián)絡(luò)通道及周邊區(qū)域溫度和位移變化規(guī)律。主要結(jié)論如下:

        (1)對交叉區(qū)域、前后對稱面及泵站截面3處的溫度場發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析得出,在積極凍結(jié)期前21 d,凍結(jié)管交叉區(qū)域的凍結(jié)壁擴(kuò)散平均速率快,達(dá)到57 mm/d,后29 d平均速率只有27.6 mm/d??拷軜?gòu)隧道側(cè)的泵站區(qū)域溫度場發(fā)展慢,其凍結(jié)壁交圈時(shí)間比通道區(qū)域慢8 d;凍結(jié)管交叉越密集對凍結(jié)壁形成具有促進(jìn)作用,凍結(jié)管密集區(qū)形成的凍結(jié)壁比鄰近普通區(qū)厚0.5 m以上。

        (2)凍結(jié)管中心0.5 m范圍內(nèi)的土體降溫速率快、相變放熱明顯,0 ℃相變轉(zhuǎn)折點(diǎn)持續(xù)時(shí)間越長相變放熱越明顯。

        (3)積極凍結(jié)期喇叭口附近區(qū)域存在寬10 m、高2.5 m的變形集中區(qū),對地面產(chǎn)生變形影響最大。

        (4)凍結(jié)對盾構(gòu)隧道拱肩水平位移和拱腳豎向變形具有顯著的影響,積極凍結(jié)期結(jié)束拱肩的水平位移比盾構(gòu)隧道右側(cè)墻多85%,拱腳豎向位移比拱頂多45%,且凍結(jié)時(shí)間愈長,結(jié)構(gòu)變形及變形增長速率越大。

        以上主要是基于濱海地區(qū)含水率及導(dǎo)熱系數(shù)均較大的軟弱土層中長聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)研究,對于其他土層則具有局限性。并且,長聯(lián)絡(luò)通道在施工中所產(chǎn)生的凍結(jié)管偏斜及沿程冷量損失程度等問題都比常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道中更加突出,本文尚未涉及此方面的研究。為了能更好地確保地下工程施工的安全性,未來需對這些問題開展深入研究。

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