夏琴，商兆濤 ，張紅彬，彭帥,2

（1.蕪湖市軌道（隧道）交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 馬鞍山 243000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

二十一世紀(jì)是地下工程的世紀(jì)，也是我國地下空間開發(fā)的高峰期[1-2]。隨著盾構(gòu)法在越江隧道、城市地鐵隧道和市政公路隧道等工程中應(yīng)用越來越多，盾構(gòu)施工方法應(yīng)用場景不斷拓展。在盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞為施工的重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。為保證施工安全，必須對端頭土體加固，以提高端頭土體強(qiáng)度，降低土體滲透性[3-6]。

人工凍結(jié)技術(shù)不但能夠顯著提高端頭土體強(qiáng)度，而且能夠做到充分止水，是比較理想的盾構(gòu)隧道端頭加固技術(shù)[7-8]。隨著人工凍結(jié)技術(shù)在隧道建設(shè)中應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用的土層條件越來越復(fù)雜。然而，人工凍結(jié)技術(shù)還有許多需要進(jìn)一步研究的問題，如凍結(jié)加固效果評價(jià)，以及對凍融周圍環(huán)境的影響等。

本文以蕪湖過江隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法，開展人工凍結(jié)技術(shù)對盾構(gòu)隧道端頭土體加固效果進(jìn)行分析，著重對凍融對地表沉降影響進(jìn)行分析評價(jià)。研究結(jié)果有利于開展人工凍結(jié)技術(shù)對地表變形預(yù)測，有利于制定人工凍結(jié)技術(shù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制方法，有利于人工凍結(jié)技術(shù)在不同地區(qū)推廣應(yīng)用。

2 工程背景

蕪湖城南過江隧道，為安徽省第一條過江隧道（有“皖江第一隧”之稱），位于安徽省蕪湖市長江皖江段“大拐彎”處，西起江北新城（蕪湖市鳩江區(qū)二壩鎮(zhèn)）緯一路，東至江南主城的大工山路，距離下游的長江大橋約9km，距離商合杭大橋約5.5km。此隧道為連接蕪湖市城南主城區(qū)和無為縣的重要市政功能過江通道。該區(qū)地勢平坦，江面寬約1.5km，見圖1。項(xiàng)目設(shè)計(jì)全長5.965km，其中，左線盾構(gòu)隧道段長3957.77m，右線盾構(gòu)隧道長3967.4m，道路等級為城市快速路，雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為13.3m，外徑14.5m，環(huán)寬2m，車道高度4.5m，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬12.75m，隧道最大縱坡4%；共分三層，上層為排煙通道，中層為行車道，下層為救援車道和管廊。

圖1 擬建蕪湖城南過江隧道位置示意圖

工作井端頭盾構(gòu)隧道埋深約10.43m，地層自上而下依次為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂。盾構(gòu)始發(fā)井端頭加固采用凍結(jié)+三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+800mm厚C15塑性止水墻的綜合加固措施，并設(shè)置應(yīng)急降水井。與工作井相接處采用高壓旋噴樁封閉，并在靠近工作井側(cè)設(shè)置3m凍結(jié)加固區(qū)，三軸攪拌樁加固寬度為44.2m，加固深度為盾構(gòu)隧道頂、底邊緣不小于5m的范圍，在攪拌樁與工作井地連墻接縫位置設(shè)置一排Φ850@600mm的旋噴樁，旋噴樁與地連墻及攪拌樁搭接不小于300mm?？紤]止水效果，在靠近工作井側(cè)設(shè)置3m凍結(jié)加固區(qū)，凍結(jié)加固區(qū)為隧道上、左、右邊緣外不小于5m，下邊緣外不小于4m的范圍，沿隧道縱向厚度不小于3.0m。

3 三維數(shù)值模型建立

本文采用數(shù)值計(jì)算軟件建立計(jì)算模型，假定每層土都是均質(zhì)、各向同性的。本項(xiàng)目主要研究凍結(jié)法加固效果，忽略土體凍脹對地層的影響。

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料可知隧道外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m，兩隧道圓心間距21m。幾何模型豎直向尺寸取為4D+H，縱向尺寸取為5D+H，寬度尺寸取為5D，其中，D指盾構(gòu)直徑，H為隧道中心埋深。則整個(gè)模型長151.5m，寬90m，高72.5m。隧道距右模型右邊界58m，也就是4倍隧道外徑；隧道距下邊界45m，也就是3倍外徑+1.5m；隧道距上邊界13m，此數(shù)值根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙。以兩隧道圓心之間的中點(diǎn)為原點(diǎn)，建立出雙線隧道模型，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

襯砌部分X方向網(wǎng)格數(shù)為2，單個(gè)單元長0.6m；Y方向網(wǎng)格數(shù)為90，單個(gè)單元長1m，全長90m；Z方向網(wǎng)格數(shù)為2，單個(gè)單元長0.6m。開挖部分X方向網(wǎng)格數(shù)為10，單個(gè)單元長1.33m，全長13.3m；Y方向網(wǎng)格數(shù)為90，單個(gè)單元長1m，全長90m；Z方向網(wǎng)格數(shù)為10，單個(gè)單元長1.33m，全長13.3m。圍巖部分的單元的尺寸是X方向長0.625m，Y方向長1.00m，Z方向長1.15m。整個(gè)模型單元總數(shù)量為816480。

3.2 模型參數(shù)及邊界條件

結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果理論分析，模型各土層物理力學(xué)參數(shù)如下表所示。

采用固定邊界條件，沿隧道縱向前后兩個(gè)截面土體沿Y向位移固定，左右截面土體X向位移固定，模型的上部邊界取為自由面，下部邊界X、Y和Z向位移固定。采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。

在地表沿隧道軸線方向每隔2m設(shè)置1個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)設(shè)置9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以觀測地表變形。其中第一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位于洞門拱頂垂直對應(yīng)的地表。

本文先生成自重應(yīng)力場，而后模擬右線隧道洞門鑿除過程地表變形，在此基礎(chǔ)研究采用凍結(jié)法加固始發(fā)端后分析洞門和地表變形情況，以此分析人工凍結(jié)技術(shù)加固效果和對地表的影響。

4 結(jié)果分析

對模型賦參數(shù)后，生成自重應(yīng)力場，如圖3所示。

圖3 自重應(yīng)力場

對右線隧道洞門鑿除后，地表監(jiān)測點(diǎn)Z向位移如圖4所示。從圖中可知，在地表沿軸線方向均發(fā)生沉降。隨著距洞口距離減小，沉降值逐漸增大，最大值為172cm。由此可知，洞門鑿除地表發(fā)生較大沉降。

圖4 洞門鑿除地表監(jiān)測點(diǎn)Z向位移（端頭土體未加固）單位：m

按照實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)對端頭土體進(jìn)行加固，凍結(jié)加固體長度為44.2m，寬度為3m，高度為24.221m。加固土體緊靠工作井處地下連續(xù)墻，距地表的距離為4.68m。對端頭加固后，鑿除洞門，地表監(jiān)測點(diǎn)Z向位移如圖5所示。從圖中可知，隨著監(jiān)測點(diǎn)到隧道洞口距離減小，地表沉降逐漸增大。監(jiān)測點(diǎn)沉降值最大，達(dá)21.6cm。

圖4 洞門鑿除地表監(jiān)測點(diǎn)Z向位移（端頭土體已加固）單位：m

與端頭土體未加固工況相比，人工凍結(jié)技術(shù)加固端頭顯著降低地表位移。這說明人工凍結(jié)技術(shù)加固盾構(gòu)隧道端頭效果明顯，但是不能完全消除洞門鑿除對地表的影響。還需要和其他加固技術(shù)聯(lián)合使用，以降低洞門鑿除對地面變形的影響。

5 結(jié)論

數(shù)值計(jì)算中各土層物理力學(xué)參數(shù)

①對蕪湖過江隧道始發(fā)端頭未采用人工凍結(jié)加固時(shí)，地表最大沉降量為172cm；只采用人工凍結(jié)加固此端頭時(shí)，地表最大沉降量為21.6cm。

②人工凍結(jié)法加固盾構(gòu)隧道端頭可以顯著降低地表沉降，但不能消除洞門鑿除對地表的影響。還需要和其他加固措施一起聯(lián)合使用，才能徹底降低對地表沉降影響。

本研究為蕪湖過江隧道端頭加固方式進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)，為人工凍結(jié)技術(shù)在安徽推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。