岭下隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

李海生

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300000)

1 冻结法施工简介

人工冻结技术源于天然冻结现象，德国工程师F·H·POETCH首先提出了冻结法的施工原理[1][3]，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿成功地采用冻结法建造井筒。从此，这项地层加固的特殊技术被广泛地应用到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、矿井，成为岩土工程，尤其是地下工程施工的重要方法之一。冻结法加固地层的原理[4][5]，是利用人工制冷方法，将低温冷媒送入地层，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的连续冻结帷幕以抵抗地压，并隔绝地下水与开挖体之间的联系，然后在这封闭的连续冻结帷幕的保护下，进行开挖和做永久支护的一种特殊地层加固方法[6]。

在盾构隧道联络通道设计及计算方面，张志强等人[7]通过采用三维有限元方法，模拟研究了冻结法施工条件下修建盾构隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。乔卫国等人[8]对冻结盐水温度、冻土温度、地表变形等方面进行了跟踪监测；通过对监测结果进行分析研究，获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻涨压力、卸压孔压力的变化规律。在计算联络通道冻结壁稳定性过程中，仍以现场监测及解析计算为主要方法，这对计算冻结壁的安全稳定性存在一定的局限性。

本文综合考虑岭下隧道复杂泥质地层特征，采用人工冻结技术对越江隧道联络通道周围土体进行冻结，在进行一个多月的冻结后，在联络通道四周形成高强度的冻土帷幕结构，并在该冻土帷幕的保护下进行暗挖法施工，以确保施工安全和减轻对周围水文地质的影响。通过采用FLAC3D软件对越江隧道联络通道冻结壁安全性进行了数值模拟分析，着重研究联络通道开挖后冻结帷幕的变形和应力特性的影响。

2 工程概况

拟建淮南高速岭下隧道长约4.07 km，自浦西规划龙耀路龙吴路交叉口起，向东穿越丰谷路、云锦路、丰溪路、黄浦江、浦东滨江路、济阳路、西营路至成山路长青路交叉口。拟建隧道以盾构掘进方式分别穿越黄浦江和济阳路，为双管单层盾构隧道，隧道外径为11.36 m，钢筋混凝土衬砌厚度0.5 m；在浦西设置X匝道，在浦东设置D1匝道和D2匝道。明挖段根据基坑开挖深度分别采用地下连续墙、钻孔灌注桩加隔水帷幕、型钢水泥搅拌墙作围护结构，矩形暗埋段主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，引道敞开段采用U型结构。部分开挖段拟设置抗拔桩。

3 冻结壁安全性力学计算

3.1 旁通道结构特征

旁通道由与南、北线隧道相交的水平通道组成。按旁通道线路设计，旁通道位置南、北线隧道中心间距为24.46 m，旁通道与南、北线隧道开口处隧道中心标高分别均为-26.612 m、-26.470 m。旁通道为圆形结构，采用两次衬砌，初衬(钢支架、木背板及喷射混凝土)厚度为300 mm。

3.2 冻结壁结构力学计算

3.2.1 旁通道喇叭口上部圆拱冻结壁计算

旁通道喇叭口顶部埋深为30.47 m(其中江水深13.85 m，土层厚度16.62 m)，旁通道喇叭口中心埋深为32.37 m(其中江水深13.85m，土层厚度18.52 m)，水的平均重度取10.0 kN/m3，土的平均重度取18.5 kN/m3。旁通道承受水土压力的侧压系数按0.7计算。计算结果如图1所示。

(a)弯矩图

(b)轴力图

(c)剪力图

(d)位移分布图图1 冻结壁计算模型及内力、位移分布

通过对上部冻结壁的静力计算可知，在均布荷载作用下，冻结壁的稳定性较好，并没有出现较大的弯矩作用和应力集中情况，说明该冻结壁在水土压力作用下能够满足工程需求。

3.2.2 旁通道喇叭口下部仰拱冻结壁计算

通过对下部冻结壁计算可知，计算可知最大弹性位移为0.01 mm，位于通道仰拱底部中心处，如图2所示。通过以上结构力学计算表明旁通道的冻结壁强度和位移均满足《旁通道冻结法技术规程》要求。

(a)弯矩图

(b)轴力图

(c)剪力图

(d)位移分布图图2 冻结壁计算模型及内力、位移分布

4 冻结壁稳定性数值模拟分析

4.1 地层条件

旁通道位于黄浦江下，江面标高+5.47 m(根据详勘报告按黄浦江高潮位)，江底标高为-8.38 m(BLZ1孔)，隧道中心标高约为-26.47 m。考虑微承压含水层的影响，设计按最不利条件考虑(承压水头3.0 m)。旁通道位置各土层物理参数见表1。

表1 地质物理力学参数

数值模拟分析计算采用地层—结构模型，假定冻土为弹性材料，未冻土为弹塑性材料，旁通道钢筋混凝土结构假定为线弹性材料，设计选取-10℃冻土的弹性模量和泊松比分别为150 MPa和0.3。并设定旁通道在开挖前地层处于初始平衡状态，最终得到的分析结果就是开挖后冻土受力和变形状态。模型建立时对实际情况进行部分简化[9]。

4.2 数值模型及边界条件

数值计算中假定冻土与未冻土均为弹塑性材料，本构关系为Mohr-Coulomb，隧道与旁通道钢筋混凝土结构假定为线弹性材料，根据冻土强度试验结果，设计冻土帷幕为-10℃等温体，弹性模量和泊松比分别为为150 MPa和0.3，冻土帷幕抗压强度为3.5 MPa，抗折强度为1.8 MPa；抗剪强度指标为粘聚力1.5 MPa，摩擦角28°。冻结壁承载力验算采用许用应力法，强度检验安全系数按Ⅲ类冻结壁选取[10]：抗压强度为2.0 MPa，抗剪强度3.0 MPa，抗拉强度为1.5 MPa。数值计算模型如图3所示。

图3 旁通道几何模型立面

4.3 计算结果分析

用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形的云图见图4～7。

图4 旁通道中心线竖直方向位移云图

图5 隧道中心线至旁通道顶板竖直方向位移云图

通过对冻结壁的变形量算可知，各方向位移极值分别为：z方向顶部下沉为-3.2 mm，底部变形量为9.6 mm；y方向联络通道两帮收敛量为-4.18 mm。

图6 隧道中心线至旁通道底板竖直方向应力云图

图7 旁通道中部至隧道竖直方向应力云图

图6～图7为冻土结构σzz、σxx、σyy、τxy应力分布。从图中σzz应力分布可以看出，整个冻土帷幕都是受压力的，最大正剪应力τxy主要分布在帷幕喇叭口下部，τxy方向出现95.0 kPa的拉应力；τxz方向出现最大214 kPa的拉应力；τ方向出现最大337 kPa的拉应力。σzz、σxx、σyy、τxy应力的安全系数分别为5.7，6.3，9.4，15.6，考虑到所分析工况的极端性，该冻土结构完全可以满足安全要求。

由以上位移及应力分布可知，冻土帷幕受力最薄弱的位置通常处于帷幕与隧道接触的部位。在冻结施工过程中，由于隧道管片的散热速度快，在帷幕与隧道接触处的温度最高，导致冻结效果最差，强度最低，这就特别需要引起工程中的注意，在设计计算中应充分考虑到冻土帷幕与隧道接触的部位散热快这一因素对冻土强度的影响。

5 结论

在对淮南高速岭下隧道联络通道进行施工力学模拟分析的基础上对冻土帷幕的变形及应力分布情况进行了详细的分析。确定了冻土帷幕的厚度设计值，并指出了容易产生应力集中的位置为冻土帷幕与隧道接触部位，为今后的联络通道数值模拟与人工冻结法施工提供了参考。得出结论为：

(1)通过详细的地质勘查可知，越江隧道联络通道地质条件较差，土质含水量高，不适于土质暴露的开挖方式，宜采用封闭式的冻结法施工，才能能保证隧道的安全稳定。

(2)通过对冻结壁厚度进行设计，并进行内力计算可知，所设计的冻结壁厚度能够满足施工要求。

(3)在冻结过程中，由于冻土帷幕与隧道接触部位冻结效果最差，所以容易产生应力集中，对冻土帷幕的应力分布影响比较大，因此施工中应特别引起注意。

(4)通过数值计算及施工过程来看，冻土帷幕设计为2.5 m左右完全可以满足强度、变形等要求，是满足工程施工的安全要求的，对于同类工程，其分析结果具有一定的参考价值。

[1] 刘瑞锋，张庆贺，胡向东，等. 水平地层冻结法在上海地铁修复工程中的应用[J].安徽建筑工业学院学报，2008,16(3):21-25

[2] 武亚军,李大勇,杨敏.冻结法隧道施工数值仿真模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(2):5851-5856

[3] 刘珣,梁鹏.城市地下工程中人工冻结法的防冻胀优化设计研究[J].武汉科技大学学报,2004,27(4):387-390

[4] 武亚军,杨敏,李大勇.大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析[J].岩土力学,2006,27(3):487-490

[5] 李双洋,张明义,高志华，等.广州某地铁人工冻结法施工热力分析[J].冰川冻土,2006,8(6):823-832

[6] 胡向东,陈蕊.双层越江隧道联络通道冻结法施工技术[J].低温建筑技术,2006,12(5):64-66

[7] 张志强,何川.用冻结法修建地铁联络通道施工力学研究[J].岩土力学与工程学报,2005,24(18):3211-3218

[8] 乔卫国，李大勇. 地铁联络通道冻结监测分析[J].岩土力学,2003,24(4):666-670

[9] 李大勇,王晖,张庆贺.地铁联络通道冻结法施工的安全保证措施[J].建筑技术,2004，(11):821-822

[10] 肖朝昀,胡向东,张庆贺.地铁修复工程中冻结法设计[J].岩土工程学报,2006,28(11):1716-1719