上海长江隧道联络通道冻结优化设计研究

杨 超，岳丰田

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056;2.中国矿业大学，江苏 徐州 221008)

0 引言

上海长江隧道位于长江入海口，地质条件复杂，联络通道施工风险大，在冻结设计和施工中，冻土帷幕的温度、厚度和强度是工程安全的保障。这些反应冻土帷幕安全状态的参数需要通过实测获得，因此，通过严密监测冻结过程中冻土帷幕的重要状态参数，既可以为工程安全提供保障，同时又可以为优化施工方案、完善冻结设计提供依据，为理论深入研究提供数据。

1 工程概况

上海长江隧道位于长江入海口，为双孔六车道公路隧道，隧道外径15 m，内径13.7 m，隧道净距15 m，采用2台φ15.34 m泥水平衡盾构施工。东线隧道和西线隧道之间每隔830 m左右设置1个联络通道，共设8个联络通道。联络通道采用圆形断面，其中标准段内径2.74 m，外径3.34 m;喇叭口段内径2.74 m，外径3.94 m。各联络通道所处地层概况如表1所示。

表1 联络通道所处地层概况Table 1 General situation of the formation that the connecting passages are located in

表1中⑤1和⑤3层为软黏性土，具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、低强度等特性，在外力作用下易发生触变和流变;⑤2和⑤3t层为粉性土层，其透水性强，易发生突发性的涌水、涌砂事故。根据联络通道所处地层特性及上海地区地铁联络通道施工经验，经技术、经济比较，8个联络通道均采用水平冻结法加固土体，矿山法施工。

2 冻结设计及施工效果

2.1 冻土帷幕设计

1)冻土帷幕厚度。联络通道冻土帷幕正常段设计厚度2.7 m，喇叭口2.4 m。

2)冻土帷幕平均温度。开挖区外围冻结孔布置圈上冻土帷幕与隧道管片交界面处平均温度≤-8℃，其他部位冻土帷幕平均温度≤-13℃;积极冻结时间45 d。

2.2 冻结孔设计

冻结孔布置分内、外2排孔，采取隧道两侧打孔的方式，孔长度以碰到对侧管片为准，内排孔22个，外排孔18个。冻结孔及测温孔位置如图1和图2所示。

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2.3 冻结施工效果分析

1#联络通道于2007年11月6日开始冻结施工。本文根据冻结过程中测温孔的温度信息选取垂直于联络通道中心线的A，B，C，D，E 5个断面进行冻土帷幕厚度和平均温度的分析［6］。计算断面位置及沿通道纵向测温孔测点温度如图3和图4所示。

图3 冻土帷幕计算截面示意图Fig.3 Calculation cross-section of frozen soil curtain

图4 积极冻结阶段C2孔各测点温度变化曲线Fig.4 Temperatures at monitoring points of C2 hole in active freezing stage VS depth

2.3.1 冻土帷幕厚度分析

在冻结壁厚度计算中，把筒体冻土帷幕看作直墙冻土帷幕，采用双排管公式计算。

图5为沿联络通道纵向冻土帷幕厚度变化，图6为D截面冻土帷幕厚度。由图5和图6可以看出:随着积极冻结的进行，冻土帷幕向内发展速度快，向外偏慢，总厚度增加较快，有效厚度增加较慢。积极冻结55 d(截至2007年12月30日)，喇叭口附近A，B，D，E截面冻土帷幕有效厚度为2 286～2 437 mm(总厚度为2 286～3 483 mm)，喇叭口往通道中部C截面冻土帷幕有效厚度为2 791 mm(总厚度为4 196 mm)。

图5 沿联络通道纵向冻土帷幕厚度变化Fig.5 Thickness of frozen soil curtain in the longitudinal direction of connecting gallery

图6 D截面冻土帷幕厚度Fig.6 Thickness of frozen soil curtain of cross-section D

2.3.2 冻土帷幕平均温度分析

冻土帷幕平均温度此处采用作图法计算，即计算截面冻结壁平均温度为温度曲线包络图面积除以计算截面冻结壁厚度。通过计算得到积极冻结55 d冻土帷幕的平均温度如表2所示。

表2 积极冻结55 d冻土帷幕平均温度Table 2 Average temperature of frozen soil curtain after 55-day active freezing

2.3.3 开挖面温度分析

积极冻结55 d已基本具备开挖条件，通过打探孔及试挖确定冻土帷幕形成良好，于2008年1月2日对联络通道进行正式开挖。为进一步判断冻土帷幕的均匀性及冻结效果，开挖过程中对开挖面上、下、左、右及中心位置土体的温度进行了量测，其温度如图7(a)所示。同时，开挖过程中对冻土进荒径的厚度进行了量测，如图7(b)所示。

由图7(b)冻土进荒径厚度(1.2～1.6 m)及图7(a)开挖面中心温度(0～2℃)可以看出荒径范围内冻土占了很大一部分，同时从现场施工情况来看，冻土强度比较高，开挖困难，造成施工进度慢。

3 冻结优化设计及施工效果

3.1 原设计的不足

根据1#联络通道冻结施工中反馈的信息，产生这种不利影响的主要原因是内排冻结孔偏多，外排冻结孔偏少，使得冻结后期冻土帷幕向外发展速度较慢，积极冻结时间延长;同时，向内发展速度较快，冻土进荒径的范围较大，造成开挖困难、施工进度慢等不利影响。

因此，为避免1#联络通道施工中因布孔方式带来的不利影响，本次对冻结孔的布置方式进行优化研究，以便于2#～8#联络通道的冻结施工。

图7 开挖面温度及冻土进荒径厚度曲线Fig.7 Curves showing relationship between temperature of excavation face and thickness of frozen soil in the largest excavation diameter range

3.2 不同孔间距冻结温度场分析

为增加冻土帷幕向外的发展厚度，同时减小无效的冻土厚度，在原设计的基础上减小外排孔间距，加大内排孔间距，实际操作中采用加大或减少内外圈冻结孔数量来改变孔间距。温度场模拟计算时将联络通道中截面简化为平面模型进行计算。

3.2.1 有限元模型与边界条件

1)有限元模型。地层冻结时冻结管对周围的影响范围为冻结管一侧冻结壁厚度的3～5倍，一般不超过外圈冻结管外侧冻结壁厚度的5～8倍［7］。计算时，考虑到冻结壁厚2.7 m，外圈冻结管向外侧发展1.2 m左右，取联络通道中心向外20 m进行建模，建模时按各排孔等间距布置。内排孔14～22个，步长2;外排孔18～28个，步长2。孔位布置及模型有限元计算网格如图8所示(以内排孔数量14、外排孔数量18为例)。

2)边界条件与热物理参数。边界条件按照1#联络通道的设定，即土体的初始温度21℃，模型边界处具有恒定的温度21℃。土体参数如表3所示。

表3 土体热物理参数Table 3 Thermal-physical parameters of the soil

3.2.2 温度场计算结果分析

为分析不同孔间距下冻土帷幕的有效厚度、平均温度及冻土进荒径厚度，在计算的各种孔间距组合下，以X轴正方向为标准方向每次逆时针旋转10°，设置9条路径;同时以X轴负方向为标准方向每次逆时针旋转10°，设置9条路径;共设置18条路径。通过处理得出各路径冻土帷幕有效厚度、平均温度及冻土进荒径厚度，从而得出最薄弱处冻土帷幕的性状。

1)冻土帷幕有效厚度分析。不同孔数下冻土帷幕有效厚度如图9所示。积极冻结45 d，从有效厚度来看，外排孔一定，内排孔由14增至22，有效厚度增加0.005～0.051 m;内排孔一定，外排孔由18增至28，有效厚度增加0.155～0.201 m;外排孔数量为22～26时，冻土帷幕有效厚度已达3 m左右。

图9 不同孔数下冻土帷幕有效厚度(积极冻结45 d)Fig.9 Effective thickness of frozen soil curtain under different amount of freezing holes(after 45-day active freezing)

2)冻土帷幕平均温度分析。冻土帷幕平均温度变化情况如图10所示。内排孔数量一定时，外排孔数量由18增至28冻土帷幕平均温度下降1℃左右;外排孔数量一定时，内排孔数量由14增至22冻土帷幕平均温度下降0.8℃左右。从平均温度来看，内、外孔间距的改变对平均温度的影响程度基本相同，积极冻结45 d，各种布孔方式下冻土帷幕平均温度均在-15℃以下。

图10 不同孔数下冻结壁平均温度Fig.10 Average temperature of frozen wall under different amount of freezing holes

3)冻土进荒径厚度分析。不同孔间距下冻土进荒径厚度变化情况如图11所示。从冻结效率(有效厚度/冻结总厚度)来看，积极冻结45 d，内排孔14个，冻土帷幕进荒径0.35～0.495 m，冻结效率约89.5%;内排孔16个以上，冻土帷幕进荒径0.528～0.646 m，冻结效率约82%。

图11 不同孔数下冻土进荒径厚度Fig.11 Thickness of frozen soil in the largest excavation diameter range under different amount of freezing holes

3.3 优化方案及冻结效果

根据1#联络通道冻结实测及数值分析结果，对现有冻结孔布孔方式进行优化，即内排孔14个，外排孔24个，积极冻结时间45 d。积极冻结45 d冻土帷幕有效厚度、平均温度见表4。

表4 积极冻结45 d冻土帷幕有效厚度、平均温度Table 4 Effective thickness and average temperature of frozen soil curtain after 45-day active freezing

在新的布孔方式下，5#联络通道积极冻结45 d即具备开挖条件，其实测冻土帷幕有效厚度及平均温度如表10所示(截面位置同1#联络通道)。对比1#和5#联络通道2种布孔方式下温度场分布图(见图12)可以看出，调整后的布孔形成的冻土帷幕更加均匀，冻土进荒径的厚度小，冻结效率高;因此，新的布孔方式更加合理。

图12 积极冻结45 d联络通道中截面温度场云图Fig.12 Cloud of temperature field of connection gallery after 45-day active freezing

4 结论与体会

1)通过对1#联络通道冻土帷幕厚度、平均温度、开挖面温度及冻土进荒径厚度的分析，在现有的布孔方式下积极冻结时间长(延长10 d)，冻土进荒径范围较大(1.2～1.6 m)，造成开挖困难、施工进度慢。

2)通过对不同孔间距下温度场的数值分析，得出在确保冻土帷幕安全的前提下，提高冻结效率。合理的布孔方式为:内排孔数量14或15个，外排孔数量22～26个。

3)根据1#联络通道冻结施工情况及数值分析结果对原冻结孔设计方案进行了调整，即内排孔14个，外排孔24个，积极冻结时间45 d。

4)通过对比分析冻结孔调整前后2种布孔方式下的冻结效果，积极冻结45 d，新的布孔方式下形成的冻土帷幕有效厚度大、平均温度低、无效冻土少、冻结效率高，这为2#～8#联络通道安全、经济地冻结施工提供了重要保障。

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