基于冻融特性的人工冻结区域隧道安全控制体系

周 洁，李泽垚，万 鹏

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；

0 前 言

在软黏土地区地下空间的开发过程中，人工地层冻结法作为一种较好的地层加固方法发挥了重要作用，其主要运用于施工难度很大的地下商业街逃生通道、隧道旁通道及地下泵房、越江/跨海通道隧道等。然而作为具有独特优势的“绿色工法”，但是很多工程实测发现土体冻结作用会产生冻胀融沉，对地铁隧道及周围环境都有一定的影响，严重时具有一定的破坏力，比如管片破损渗漏等；融沉控制不当可导致地铁隧道轴线差异沉降和人工冻结区域长期沉降等[1-2]。陈基炜等[3]通过对比监测数据，发现凡是隧道区间沉降大的地方，地面沉降也大。王如路等[4]也指出，有必要在隧道沿线设立分层沉降监测点，以观测隧道和地层与地面变形的关系，进而采取合理的控制措施。叶耀东等[5]通过对比人民广场某地铁测点的沉降和地面沉降曲线发现，隧道沉降和地面沉降随时间发展趋势具有一致性。王寒梅等[6]也指出：以地铁为代表的线性工程建设对区域地面沉降空间格局影响较大。因此，本文以人工冻融软黏土区地铁隧道的安全状态为出发点，使用comsol数值模拟的方法对冻结施工过程进行三维的数值模拟。根据数值计算结果，并基于软黏土冻融性态指标(冻胀力)，对隧道受力及变形进行评价，确定地铁隧道针对软黏土冻融作用的安全控制等级。

1 冻结方案及模型假定

1.1 基本假定

1)冻结土层为单一的饱和软黏土。

2)视冻土及未冻土为均质材料，且具有各向同性，土体为弹塑性模型且满足摩尔-库伦模型。

3)本文所研究的是上海地区的饱和软黏土，故在冻结过程中，只考虑土体整体热传导与相变潜热性质，不考虑水分迁移的影响。

4)忽略热阻作用的影响。

5)将冻结管设为温度边界，物理性质为常数，土体的热物理性质变化采用线性插值。

1.2 模型参数

在上海市的地铁建设中，隧道直径6 m，埋深10 m，旁通道6 m，冻结帷幕厚度为2.0 m，冻结温度为-30 ℃的工况最为常见。本文以此作为冻结工况进行模拟。计算模型尺寸如图1所示。

图1 计算模型尺寸图

土体的热物理特性包括了冻结温度、导热系数、比热、导温系数以及未冻含水量和含冰量，这些参数都会影响到土体内温度场的分布。根据现场资料以及上海市气象局和相关地质资料，计算参数如表1。

表1 土体热物理参数

模型的建立考虑导热系数、密度、比热随着温度的变化而变化。相关的参数如表2所示。

表2 各项参数表

除此之外，土体冻结过程中会有相变产生。土体的初始温度为15 ℃，地面土体与空气、隧道内部表面与隧道内空气存在热的交换作用；一般当冻土温度达到-10 ℃时满足工程需求，故本模型的设计冻结帷幕平均温度为-10 ℃。

1.3 物理场方程

1.3.1 热方程

在一个土体单元内，质量累积量的改变量、热传导量、热对流量与潜热释放量的总和为零：

(1)

1.3.2 应力场方程

人工地层冻结应力场方程的力学边界主要涉及应力约束和位移约束两种。施工过程的多物理场耦合模型的力学边界设定为：顶端边界为自由约束；左右两侧边界为横向位移约束；内边界为自由约束。

应力平衡方程：

σij,j+fi=0

(2)

式中，σij,为土体的总应力分量(i，j=1，2，3)，MPa；fi为土体的体积力分量，MPa。

变形协调方程(几何方程)：

(3)

式中，εij为土体的应变分量，MPa；ui为土体的位移分量，m。

2 数值模拟结果

2.1 冻胀阶段冻胀力与隧道变形的关系

在数值模拟结果中整理出拱顶所承受的冻胀力与隧道整体位移实时对应关系，得到拱顶所承受的冻胀力与隧道整体变形量变化对应关系，如图2所示。可以看出隧道变形量随冻胀力的增大而增大。

2.2 融沉阶段冻胀力的消散与隧道变形的关系

当冻结施工完成后，地层将进入融沉阶段，在这个阶段由于冻结产生的冻胀力逐渐消散，隧道发生沉降。融沉阶段已经消散的冻胀力与隧道变形量的关系如图3所示，可以看出隧道变形随已消散的冻胀力的增大而增大，增大速率随消散的越多而减小。

图2 拱顶冻胀力与隧道整体变形量变化对应关系图

图3 已经消散的冻胀力与隧道变形量的关系

3 隧道安全控制

3.1 冻胀阶段隧道安全控制等级

在施工过程中，隧道变形将影响隧道的安全使用，隧道变形是隧道安全评价体系中的重要指标。文献[7]中规定：地下管线沉降监测点，以±10 mm作为累计报警值，±3 mm作为日变量报警值。根据数值计算结果，标准工况下当冻胀力达到1.1 MPa时，隧道总变形达到文献[7]中规定的10 mm累计变形预警值。当天隧道冻胀力的变化量为0.35 MPa时，隧道变形量为3 mm时，达到日变量报警值。故本文建议全冻结施工过程中单天冻胀力增长不能超过0.35 MPa。使用冻胀特性指标对隧道变形等级进行划分，将隧道变形为三个等级，其中等级Ⅲ，Ⅱ，冻胀力处于隧道变形允许的范围内，范围分别为0～0.55 MPa，0.55～1.1 MPa，分别表示为小于设计极限值的1/2、超过1/2并在设计极限值之内。等级I超过设计极限值，需及时处理及整治。等级Ⅱ应注意加强隧道变形沉降预警，或进行适当处理；等级Ⅲ可以正常施工。具体内容见表3。

表3 隧道冻胀管理分类表 单位：MPa

注：全施工过程单天冻胀力增长不能超过0.35 MPa。

3.2 融沉阶段隧道安全控制等级

数值计算结果显示，在标准工况下当冻胀力消散达到0.7 MPa时，隧道总变形达到文献[7]中规定的10mm累计变形预警值。当天隧道冻胀力的消散量为0.17 MPa时，隧道变形量为3mm时，达到日变量报警值。故本文建议融沉过程中单天冻胀力消散量不应超过0.17 MPa，否则就会产生危险。使用融沉特性指标对隧道变形等级进行划分，将隧道变形为三个等级，其中等级Ⅲ，Ⅱ，冻胀力消散值在隧道变形的允许范围内。范围分别为0～0.35 MPa，0.35～0.7，分别表示为小于设计极限值的1/2，与超过1/2并在设计极限值之内。等级I超过设计极限值，需及时处理及整治。等级Ⅱ应注意加强隧道变形沉降预警，或进行适当处理；等级Ⅲ可以正常施工。具体内容见表4。

表4 隧道融沉管理等级分类表 单位：MPa

注：融沉过程单天冻胀力增长不能超过0.17 MPa。

4 结 论

1)本文以人工冻结过程中隧道周围软黏土冻胀力为指标，通过数值模拟得到了不同工况下冻胀力的增长或消散与人工冻结区域隧道结构变形之间的关系。

2)本文在考虑人工冻融作用的主要诱因下，基于冻胀力和隧道变形的相互关系；提出以冻胀力为基准的隧道安全控制等级标准。

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