地铁联络通道冻结加固对既有线冻胀控制

吴贤国 ， 王洪涛， 张凯南， 刘惠涛

(1. 华中科技大学 a. 土木工程与力学学院； b. 同济医学院附属同济医院， 湖北 武汉 430074；2. 中建三局基础设施建设投资有限公司， 湖北 武汉 430064)

在地铁初期设计和规划中，考虑到地铁运营中的防灾救援、隧道排水等方面，通常在两条单线区间隧道之间设置一条疏散通道，即联络通道[1]。而联络通道和集水井等附属设施的存在，与主隧道和周围土层形成了非常不利的空间受力方式，影响主隧道的稳定。即在联络通道的施工中，需要对承载力低、透水性强的软土和砂土施工区域进行加固，以防止周围土层环境的影响对联络通道施工的风险。水平冻结法冻结土体是一个冰水相变、冻土体积膨胀、土层中潜在热量消散、土层中水分不断迁移的过程，而联络通道施工时面临以上问题，在工程中表现为冻结孔位置倾斜过度、土层被冻结过度、开挖隧道土体发生蠕变或沉降过大等问题，而水分迁移土体冻胀在冻结质量中占比重最大，因此土体冻胀控制研究即控制土体的冻胀应力，以免发生冻土融沉变形大，冻结过程冻结管倾斜甚至损坏，影响加固质量[2]。

一些学者在现有案例下对地铁联络通道冻结加固对既有线的影响和冻结过程土体冻胀问题以及控制有所研究，岳丰田等[3]在整个施工过程对土体温度和地表变形进行监测，该工程中融沉注浆技术使用效果较好，融沉沉降控制在很小的范围；季昌等[4]结合监测主隧道竖向变形实例导出实际冻胀率、临界冻胀率，分析对主隧道变形的影响并采取相应的施工措施；Zhai等[5]模拟联络通道开挖过程，对渠道施工过程中的风险进行了研究；陈沙等[6]通过研究地层在冻结加固时的变形、应力变化，结合过程中冻胀率的增加分析，得到了冻结施工以及开挖过程对主隧道的影响；Yang等[7]提出了一个耦合冻胀温度和应力场的分析模型，发现了临界盐水温度，在此温度下地面的冻胀起伏达到最大值；张向东等[8]研究了温度对粉质粘土变形特性的影响，发现同一偏应力作用下，温度越低，变形越小，温度与冻结粉质粘土强度大致呈反余切函数关系；高娟等[9]模拟联络通道的开挖以及冻结加固，分析了冻结过程中的土层温度变化以及土层沉降规律。

截止目前为止，联络通道在搅拌加固和水平冻结加固的施工方法下地层冻胀问题对既有线的影响与冻胀问题的控制在国内外研究较少，本文以武汉地铁机场线穿越3号线联络通道施工为工程背景，通过数值仿真分析冻胀融沉对隧道结构的影响，提出冻沉控制的主要措施。

1 工程概况

盘龙城站—宏图大道站区间市机场线工程下穿府河的区间，施工难度极大，机场线联络通道位置在其与地铁3号线并行区间内，并与3号线隧道正交，具体关系如图1所示。

图1 3号线盾构隧道与6#联络通道周围土层分布/m

联络通道主要位于淤泥质黏土、粉质粘土夹粉土、粉细砂层中，淤泥质黏土与粉质黏土夹粉土呈灰、褐灰色，饱和，流塑状态，局部软塑。具一定摇振反应，属中偏高压缩性土。粉细砂呈灰、灰黄色，饱和，稍密～中密状态，属中等压缩性土。联络通道和机场线隧道距离上部3号线隧道约6.0 m。从联络通道与3号线隧道的施工顺序、联络通道的加固施工方法、以及与3号线共同设置联络通道等方面综合考虑，隧道的施工顺序为3号线、机场线。地铁机场线联络通道施工采用的冻结方法为水平冻结法和搅拌桩共同加固土体。

据施工地质以及现场设施人员配备的条件，确定采用“钻凿隧道布水平冻结孔，先冻结隧道周围土体，矿山法开挖隧道施工”的施工方案，即：在要钻凿的联络通道周围布设水平孔，使土体冻结加固形成稳定性强的冻土帷幕，最后依据“新奥法”所给的矿山法基本原理进行联络通道挖凿施工。

2 冻胀对结构的仿真分析

2.1 计算模型和计算参数

众所周知材料具有热胀冷缩的性质，在温度发生变化的情况下体积也会随之发生改变，产生热应变。在材料的热应变受到约束时不能自由发展就会产生热应力。冻胀土可类比一般材料，其冻胀和一般材料受热发生应变有着相似的表现，当土层温度降低时，由于水的冻结体积膨胀，进而影响冻胀土的应变，而冻胀力的产生是冻土膨胀应变被限制所致，只是冻胀与热应变是温度变化趋势不同[10]。可以用土体热膨胀率来表示土体的冻胀率，按结构温度应力的计算方法来进行冻胀模拟。

为了分析6#联络通道冻结加固对既有线隧道的影响，本文采用ANSYS对联络通道周围土体进行模拟，根据对称性，建立左侧一半的结构模型，模型总尺寸为37.2 m×40 m×44.34 m，见图2。三维结构模型中，模型的上边界为自由边界，右边界为对称边界(x轴自由度为0)，其余边界为固定边界。采用Solid187三维10节点四面体单元划分网格，共划分787219个单元，模型网格划分见图3。

图2 三维结构模型

图3 三维结构模型网格划分

计算考虑地层未加固和地层搅拌桩加固两种情况。地层加固后的体积膨胀率取0.6%，地层未加固时的体积膨胀率取1.5%。地层加固和地层未加固两种情况下，计算模型的力学参数见表1。

表1 材料力学参数

2.2 地层未加固情况下冻胀对3号线和机场线的影响分析

在未加固情况下，冻胀引起3号线和机场线隧道的等效应力、第一、二和三主应力云图见图4，5。

图4 地层未加固情况下3号线隧道应力云图

图5 地层未加固情况下机场线隧道应力云图

由图4，5可见：(1)在不考虑对隧道进行加固和采取防冻胀措施的情况下，3号线隧道的第一主应力最大值(最大拉应力)为5.9 MPa，出现在管片左侧腰部的外边缘，第三主应力最小值(最大压应力)为7.7 MPa，出现在管片左侧腰部的内边缘，计算表明其中最大拉应力超过混凝土管片的最大拉应力值，引起混凝土开裂；(2)在不考虑对隧道进行加固和采取防冻胀措施的情况下，机场线隧道的第一主应力最大值(最大拉应力)为10.3 MPa，第三主应力最小值(最大压应力)为17.2 MPa，拉、压应力均较大，管片承载力非常不利，必须采取泄压孔泄压和控制冻土体积等防冻胀措施。

2.3 地层加固情况下冻胀对3号线和机场线的影响评估

在地层加固情况下，冻胀引起3号线和机场线隧道的等效应力、第一、二和三主应力见图6，7。

图6 地层加固情况下3号线隧道应力云图

图7 地层加固情况下机场线隧道应力云图

由图6，7可见：(1)在考虑对土层进行搅拌加固的情况下，3号线隧道的第一主应力最大值(最大拉应力)为2.3 MPa，出现在管片左侧腰部的外边缘，第三主应力最小值(最大压应力)为3.1 MPa，出现在管片左侧腰部的内边缘，其中冻胀引起的最大拉应力超过混凝土的抗拉强度，需要进行管片加固。(2)在考虑对土层进行加固的情况下，机场线隧道的第一主应力最大值(最大拉应力)为4.1 MPa，第三主应力最小值(最大压应力)为6.9 MPa，其中最大拉应力超过混凝土的抗拉强度

由地层在搅拌桩加固和未加固两种情况下的对比分析可知，对地层进行搅拌加固，除了可以提高土层强度以外，还可以减少土中的含水量、抑制水分迁移，对减少冻胀效应有显著作用。但是，地层加固后的冻胀效应仍然对3号线隧道和机场线隧道有较大影响，需要采取防冻胀和隧道结构变形措施。

3 冻胀控制的主要措施

在各地不同工程情况下，地铁联络通道水平冻结法施工下冻胀融沉控制措施主要有：(1)设置泄压孔控制冻胀；(2)改变封闭式冻结为开放冻结控制冻胀；(3)设置冻结边界温度控制孔控制冻胀；(4)改变土性抑制冻胀融沉。

如上措施中适合武汉地铁机场线和三号线隧道的措施为(1)和(2)，该方法具有造价低、工期短，效果好的特点，在许多工程实例中取得了较好的效果。

(1)设置泄压孔控制冻胀。设置泄压孔控制冻胀即在冻土帷幕及附近未冻土中设置泄压孔，通过注入泥水泄压消散作用在结构上的冻结附加力。在冻胀引起地层压缩时，可从泄压孔排除部分土体，在东京湾隧道川崎人工岛和东京外围排水隧道都采取了设置泄压孔控制冻胀，目前设置泄压孔已成为冻结法施工的普遍做法。

(2)改变封闭式冻结为开放冻结控制冻胀。改变封闭式冻结为开放冻结控制胀冻即通过调整部分冻结孔的冻结顺序，使部分冻结孔滞后冻结，因此在大部分水平冻结孔冻土交圈时期(冻胀最严重的时期约占总冻胀量的50%～60%)，冻胀压力有一个释放的通道，有利于避免在全面冻结下联络通道形成较大的冻胀压力。本工程采用此方法，将D16，D17，D23延迟冻结7 d(冻结孔位置见图8)，在大部分冻结孔冻土交圈时期，冻胀压力有释放的通道。上海明珠二期上体场穿越上海地铁一号线工程和上海大连路越江隧道联络通道都采用此方法。

图8 分期冻结示意

4 控制3号线隧道变形措施

除了6#联络通道周围冻土的冻胀和融沉会对上部的3号线造成影响以外，机场线主隧道在开挖时同样对既有线3号线以及周围地层有影响，地层沉降导致围岩松动，稳定性和封闭性减小，最终影响3号线的应力场和位移场，影响3号线的运营安全。为减少机场线隧道和6#联络通道施工对3号线隧道的影响，施工中采取以下措施：

(1)施工区域周围地层预加固。工程上常用的预加固方法有超前锚杆、超前小导管、旋喷加固、超前管棚加固、搅拌桩加固等[11]。本工程采用搅拌桩加固，且地层加固范围应覆盖整个冻结区域，以减少冻胀效应。搅拌桩加固利用水泥作为固化剂，通过搅拌机的搅拌翼片，在翼片直径范围内将软土和固化剂在地基中充分搅拌，降低其含水量，增加颗粒之间的粘结力和足够的水稳定性，使软土固结成具有一定强度和整体性的水泥土桩。搅拌加固后的土体，除了强度提高以外，还会由于含水量的减少而减少土的冻胀、融沉效应。

(2)对3号线隧道结构进行预加固。由于机场线隧道施工和6#联络通道施工对3号线隧道影响大，还需要对3号线隧道采取一些预加固措施。

既有盾构隧道结构加强措施通常有采用钢板加固，工字钢加固，预应力支架加固，采用钢管片或者加环氧树脂、钢板、粘贴碳纤维的混凝土管片等。由于采用钢板、工字钢和预应力支架加固的措施会不可避免地占用3号线内空间从而影响3号线的正常运营，只能采用钢管片或者加环氧树脂、钢板、粘贴碳纤维的混凝土管片对3号线进行预加固。考虑到加环氧树脂、钢板、粘贴碳纤维的混凝土管片的配方和具体制作工艺还需要做专门研究，而钢管片具有比混凝土管片强度和刚度都大得多，抗变形能力强，冻胀和融沉作用下不易裂开，后期在钢管片上开孔进行注浆比较便捷等优点，因此采用钢管片方式对3号线隧道进行加固。

(3)控制冻土的发展范围。由于机场线隧道与3号线隧道相隔仅6 m，距离比较近，联络通道冻结法施工对3号线将造成很大影响。因此在需要保护的结构周围布置温度控制孔，根据冻结壁发展情况，及时调整温度控制孔内的盐水流量和温度，以控制冻结帷幕发展、减少冻胀力。

(4)机场线隧道盾构施工时采取微扰动措施。采用合理设定盾构土仓压力、高密度监测、优化浆液配比、二次补浆、杜绝盾尾漏浆等各技术措施，减少机场线盾构施工对3号线的影响。

5 结 论

本文以武汉机场线盘龙城站—宏图大道站区间下穿3号线6#联络通道施工为背景，对此工程采取数值仿真，分析隧道的应力情况，在此基础上提出相应的控制措施，工程实践取得了良好效果。具体结论如下：

(1)通过ANSYS构建的三维数值模型，得出地层未搅拌加固时3号线隧道的第一主应力最大值超过了混凝土抗拉强度，将引起混凝土开裂，同时机场线隧道的第一主应力最大为10.3 MPa，第三主应力最小值为17.2 MPa，拉、压应力均较大，对管片承载力非常不利；在地层加固时，机场线与3号线隧道的应力均小于地层未加固时的相应应力，但机场线和3号线的第一主应力均大于混凝土的抗拉强度，需采取隧道防冻胀措施。

(2)根据数值仿真分析结果，得出需要采取隧道防冻胀的措施，其中地铁机场线和3号线隧道采取设置泄压孔和采用开放冻结法两种控制冻胀的方法，具有造价低、工期短、效果好的特点。

(3)由于机场线隧道和6#联络通道的开挖同样也会造成3号线隧道的纵向沉降变形，根据3号线隧道所处的位置与其工程实况，采取对施工区域周围地层预加固，对3号线隧道结构进行预加固的防变形措施，控制冻土的发展范围，机场线隧道盾构施工时采取微扰动措施，将3号线隧道变形的影响降到了可控范围。