吳賢國 ， 王洪濤， 張凱南， 劉惠濤

(1. 華中科技大學(xué) a. 土木工程與力學(xué)學(xué)院； b. 同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院， 湖北 武漢 430074；2. 中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司， 湖北 武漢 430064)

在地鐵初期設(shè)計和規(guī)劃中，考慮到地鐵運營中的防災(zāi)救援、隧道排水等方面，通常在兩條單線區(qū)間隧道之間設(shè)置一條疏散通道，即聯(lián)絡(luò)通道[1]。而聯(lián)絡(luò)通道和集水井等附屬設(shè)施的存在，與主隧道和周圍土層形成了非常不利的空間受力方式，影響主隧道的穩(wěn)定。即在聯(lián)絡(luò)通道的施工中，需要對承載力低、透水性強的軟土和砂土施工區(qū)域進行加固，以防止周圍土層環(huán)境的影響對聯(lián)絡(luò)通道施工的風(fēng)險。水平凍結(jié)法凍結(jié)土體是一個冰水相變、凍土體積膨脹、土層中潛在熱量消散、土層中水分不斷遷移的過程，而聯(lián)絡(luò)通道施工時面臨以上問題，在工程中表現(xiàn)為凍結(jié)孔位置傾斜過度、土層被凍結(jié)過度、開挖隧道土體發(fā)生蠕變或沉降過大等問題，而水分遷移土體凍脹在凍結(jié)質(zhì)量中占比重最大，因此土體凍脹控制研究即控制土體的凍脹應(yīng)力，以免發(fā)生凍土融沉變形大，凍結(jié)過程凍結(jié)管傾斜甚至損壞，影響加固質(zhì)量[2]。

一些學(xué)者在現(xiàn)有案例下對地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固對既有線的影響和凍結(jié)過程土體凍脹問題以及控制有所研究，岳豐田等[3]在整個施工過程對土體溫度和地表變形進行監(jiān)測，該工程中融沉注漿技術(shù)使用效果較好，融沉沉降控制在很小的范圍；季昌等[4]結(jié)合監(jiān)測主隧道豎向變形實例導(dǎo)出實際凍脹率、臨界凍脹率，分析對主隧道變形的影響并采取相應(yīng)的施工措施；Zhai等[5]模擬聯(lián)絡(luò)通道開挖過程，對渠道施工過程中的風(fēng)險進行了研究；陳沙等[6]通過研究地層在凍結(jié)加固時的變形、應(yīng)力變化，結(jié)合過程中凍脹率的增加分析，得到了凍結(jié)施工以及開挖過程對主隧道的影響；Yang等[7]提出了一個耦合凍脹溫度和應(yīng)力場的分析模型，發(fā)現(xiàn)了臨界鹽水溫度，在此溫度下地面的凍脹起伏達到最大值；張向東等[8]研究了溫度對粉質(zhì)粘土變形特性的影響，發(fā)現(xiàn)同一偏應(yīng)力作用下，溫度越低，變形越小，溫度與凍結(jié)粉質(zhì)粘土強度大致呈反余切函數(shù)關(guān)系；高娟等[9]模擬聯(lián)絡(luò)通道的開挖以及凍結(jié)加固，分析了凍結(jié)過程中的土層溫度變化以及土層沉降規(guī)律。

截止目前為止，聯(lián)絡(luò)通道在攪拌加固和水平凍結(jié)加固的施工方法下地層凍脹問題對既有線的影響與凍脹問題的控制在國內(nèi)外研究較少，本文以武漢地鐵機場線穿越3號線聯(lián)絡(luò)通道施工為工程背景，通過數(shù)值仿真分析凍脹融沉對隧道結(jié)構(gòu)的影響，提出凍沉控制的主要措施。

1 工程概況

盤龍城站—宏圖大道站區(qū)間市機場線工程下穿府河的區(qū)間，施工難度極大，機場線聯(lián)絡(luò)通道位置在其與地鐵3號線并行區(qū)間內(nèi)，并與3號線隧道正交，具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 3號線盾構(gòu)隧道與6#聯(lián)絡(luò)通道周圍土層分布/m

聯(lián)絡(luò)通道主要位于淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉細砂層中，淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土夾粉土呈灰、褐灰色，飽和，流塑狀態(tài)，局部軟塑。具一定搖振反應(yīng)，屬中偏高壓縮性土。粉細砂呈灰、灰黃色，飽和，稍密～中密狀態(tài)，屬中等壓縮性土。聯(lián)絡(luò)通道和機場線隧道距離上部3號線隧道約6.0 m。從聯(lián)絡(luò)通道與3號線隧道的施工順序、聯(lián)絡(luò)通道的加固施工方法、以及與3號線共同設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道等方面綜合考慮，隧道的施工順序為3號線、機場線。地鐵機場線聯(lián)絡(luò)通道施工采用的凍結(jié)方法為水平凍結(jié)法和攪拌樁共同加固土體。

據(jù)施工地質(zhì)以及現(xiàn)場設(shè)施人員配備的條件，確定采用“鉆鑿隧道布水平凍結(jié)孔，先凍結(jié)隧道周圍土體，礦山法開挖隧道施工”的施工方案，即：在要鉆鑿的聯(lián)絡(luò)通道周圍布設(shè)水平孔，使土體凍結(jié)加固形成穩(wěn)定性強的凍土帷幕，最后依據(jù)“新奧法”所給的礦山法基本原理進行聯(lián)絡(luò)通道挖鑿施工。

2 凍脹對結(jié)構(gòu)的仿真分析

2.1 計算模型和計算參數(shù)

眾所周知材料具有熱脹冷縮的性質(zhì)，在溫度發(fā)生變化的情況下體積也會隨之發(fā)生改變，產(chǎn)生熱應(yīng)變。在材料的熱應(yīng)變受到約束時不能自由發(fā)展就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。凍脹土可類比一般材料，其凍脹和一般材料受熱發(fā)生應(yīng)變有著相似的表現(xiàn)，當(dāng)土層溫度降低時，由于水的凍結(jié)體積膨脹，進而影響凍脹土的應(yīng)變，而凍脹力的產(chǎn)生是凍土膨脹應(yīng)變被限制所致，只是凍脹與熱應(yīng)變是溫度變化趨勢不同[10]?？梢杂猛馏w熱膨脹率來表示土體的凍脹率，按結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的計算方法來進行凍脹模擬。

為了分析6#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固對既有線隧道的影響，本文采用ANSYS對聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進行模擬，根據(jù)對稱性，建立左側(cè)一半的結(jié)構(gòu)模型，模型總尺寸為37.2 m×40 m×44.34 m，見圖2。三維結(jié)構(gòu)模型中，模型的上邊界為自由邊界，右邊界為對稱邊界(x軸自由度為0)，其余邊界為固定邊界。采用Solid187三維10節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格，共劃分787219個單元，模型網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 三維結(jié)構(gòu)模型

圖3 三維結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

計算考慮地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況。地層加固后的體積膨脹率取0.6%，地層未加固時的體積膨脹率取1.5%。地層加固和地層未加固兩種情況下，計算模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 地層未加固情況下凍脹對3號線和機場線的影響分析

在未加固情況下，凍脹引起3號線和機場線隧道的等效應(yīng)力、第一、二和三主應(yīng)力云圖見圖4，5。

圖4 地層未加固情況下3號線隧道應(yīng)力云圖

圖5 地層未加固情況下機場線隧道應(yīng)力云圖

由圖4，5可見：(1)在不考慮對隧道進行加固和采取防凍脹措施的情況下，3號線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為5.9 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的外邊緣，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為7.7 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的內(nèi)邊緣，計算表明其中最大拉應(yīng)力超過混凝土管片的最大拉應(yīng)力值，引起混凝土開裂；(2)在不考慮對隧道進行加固和采取防凍脹措施的情況下，機場線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為10.3 MPa，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為17.2 MPa，拉、壓應(yīng)力均較大，管片承載力非常不利，必須采取泄壓孔泄壓和控制凍土體積等防凍脹措施。

2.3 地層加固情況下凍脹對3號線和機場線的影響評估

在地層加固情況下，凍脹引起3號線和機場線隧道的等效應(yīng)力、第一、二和三主應(yīng)力見圖6，7。

圖6 地層加固情況下3號線隧道應(yīng)力云圖

圖7 地層加固情況下機場線隧道應(yīng)力云圖

由圖6，7可見：(1)在考慮對土層進行攪拌加固的情況下，3號線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為2.3 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的外邊緣，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為3.1 MPa，出現(xiàn)在管片左側(cè)腰部的內(nèi)邊緣，其中凍脹引起的最大拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，需要進行管片加固。(2)在考慮對土層進行加固的情況下，機場線隧道的第一主應(yīng)力最大值(最大拉應(yīng)力)為4.1 MPa，第三主應(yīng)力最小值(最大壓應(yīng)力)為6.9 MPa，其中最大拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度

由地層在攪拌樁加固和未加固兩種情況下的對比分析可知，對地層進行攪拌加固，除了可以提高土層強度以外，還可以減少土中的含水量、抑制水分遷移，對減少凍脹效應(yīng)有顯著作用。但是，地層加固后的凍脹效應(yīng)仍然對3號線隧道和機場線隧道有較大影響，需要采取防凍脹和隧道結(jié)構(gòu)變形措施。

3 凍脹控制的主要措施

在各地不同工程情況下，地鐵聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工下凍脹融沉控制措施主要有：(1)設(shè)置泄壓孔控制凍脹；(2)改變封閉式凍結(jié)為開放凍結(jié)控制凍脹；(3)設(shè)置凍結(jié)邊界溫度控制孔控制凍脹；(4)改變土性抑制凍脹融沉。

如上措施中適合武漢地鐵機場線和三號線隧道的措施為(1)和(2)，該方法具有造價低、工期短，效果好的特點，在許多工程實例中取得了較好的效果。

(1)設(shè)置泄壓孔控制凍脹。設(shè)置泄壓孔控制凍脹即在凍土帷幕及附近未凍土中設(shè)置泄壓孔，通過注入泥水泄壓消散作用在結(jié)構(gòu)上的凍結(jié)附加力。在凍脹引起地層壓縮時，可從泄壓孔排除部分土體，在東京灣隧道川崎人工島和東京外圍排水隧道都采取了設(shè)置泄壓孔控制凍脹，目前設(shè)置泄壓孔已成為凍結(jié)法施工的普遍做法。

(2)改變封閉式凍結(jié)為開放凍結(jié)控制凍脹。改變封閉式凍結(jié)為開放凍結(jié)控制脹凍即通過調(diào)整部分凍結(jié)孔的凍結(jié)順序，使部分凍結(jié)孔滯后凍結(jié)，因此在大部分水平凍結(jié)孔凍土交圈時期(凍脹最嚴(yán)重的時期約占總凍脹量的50%～60%)，凍脹壓力有一個釋放的通道，有利于避免在全面凍結(jié)下聯(lián)絡(luò)通道形成較大的凍脹壓力。本工程采用此方法，將D16，D17，D23延遲凍結(jié)7 d(凍結(jié)孔位置見圖8)，在大部分凍結(jié)孔凍土交圈時期，凍脹壓力有釋放的通道。上海明珠二期上體場穿越上海地鐵一號線工程和上海大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道都采用此方法。

圖8 分期凍結(jié)示意

4 控制3號線隧道變形措施

除了6#聯(lián)絡(luò)通道周圍凍土的凍脹和融沉?xí)ι喜康?號線造成影響以外，機場線主隧道在開挖時同樣對既有線3號線以及周圍地層有影響，地層沉降導(dǎo)致圍巖松動，穩(wěn)定性和封閉性減小，最終影響3號線的應(yīng)力場和位移場，影響3號線的運營安全。為減少機場線隧道和6#聯(lián)絡(luò)通道施工對3號線隧道的影響，施工中采取以下措施：

(1)施工區(qū)域周圍地層預(yù)加固。工程上常用的預(yù)加固方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、旋噴加固、超前管棚加固、攪拌樁加固等[11]。本工程采用攪拌樁加固，且地層加固范圍應(yīng)覆蓋整個凍結(jié)區(qū)域，以減少凍脹效應(yīng)。攪拌樁加固利用水泥作為固化劑，通過攪拌機的攪拌翼片，在翼片直徑范圍內(nèi)將軟土和固化劑在地基中充分?jǐn)嚢?，降低其含水量，增加顆粒之間的粘結(jié)力和足夠的水穩(wěn)定性，使軟土固結(jié)成具有一定強度和整體性的水泥土樁。攪拌加固后的土體，除了強度提高以外，還會由于含水量的減少而減少土的凍脹、融沉效應(yīng)。

(2)對3號線隧道結(jié)構(gòu)進行預(yù)加固。由于機場線隧道施工和6#聯(lián)絡(luò)通道施工對3號線隧道影響大，還需要對3號線隧道采取一些預(yù)加固措施。

既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)加強措施通常有采用鋼板加固，工字鋼加固，預(yù)應(yīng)力支架加固，采用鋼管片或者加環(huán)氧樹脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片等。由于采用鋼板、工字鋼和預(yù)應(yīng)力支架加固的措施會不可避免地占用3號線內(nèi)空間從而影響3號線的正常運營，只能采用鋼管片或者加環(huán)氧樹脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片對3號線進行預(yù)加固。考慮到加環(huán)氧樹脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片的配方和具體制作工藝還需要做專門研究，而鋼管片具有比混凝土管片強度和剛度都大得多，抗變形能力強，凍脹和融沉作用下不易裂開，后期在鋼管片上開孔進行注漿比較便捷等優(yōu)點，因此采用鋼管片方式對3號線隧道進行加固。

(3)控制凍土的發(fā)展范圍。由于機場線隧道與3號線隧道相隔僅6 m，距離比較近，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工對3號線將造成很大影響。因此在需要保護的結(jié)構(gòu)周圍布置溫度控制孔，根據(jù)凍結(jié)壁發(fā)展情況，及時調(diào)整溫度控制孔內(nèi)的鹽水流量和溫度，以控制凍結(jié)帷幕發(fā)展、減少凍脹力。

(4)機場線隧道盾構(gòu)施工時采取微擾動措施。采用合理設(shè)定盾構(gòu)土倉壓力、高密度監(jiān)測、優(yōu)化漿液配比、二次補漿、杜絕盾尾漏漿等各技術(shù)措施，減少機場線盾構(gòu)施工對3號線的影響。

5 結(jié) 論

本文以武漢機場線盤龍城站—宏圖大道站區(qū)間下穿3號線6#聯(lián)絡(luò)通道施工為背景，對此工程采取數(shù)值仿真，分析隧道的應(yīng)力情況，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的控制措施，工程實踐取得了良好效果。具體結(jié)論如下：

(1)通過ANSYS構(gòu)建的三維數(shù)值模型，得出地層未攪拌加固時3號線隧道的第一主應(yīng)力最大值超過了混凝土抗拉強度，將引起混凝土開裂，同時機場線隧道的第一主應(yīng)力最大為10.3 MPa，第三主應(yīng)力最小值為17.2 MPa，拉、壓應(yīng)力均較大，對管片承載力非常不利；在地層加固時，機場線與3號線隧道的應(yīng)力均小于地層未加固時的相應(yīng)應(yīng)力，但機場線和3號線的第一主應(yīng)力均大于混凝土的抗拉強度，需采取隧道防凍脹措施。

(2)根據(jù)數(shù)值仿真分析結(jié)果，得出需要采取隧道防凍脹的措施，其中地鐵機場線和3號線隧道采取設(shè)置泄壓孔和采用開放凍結(jié)法兩種控制凍脹的方法，具有造價低、工期短、效果好的特點。

(3)由于機場線隧道和6#聯(lián)絡(luò)通道的開挖同樣也會造成3號線隧道的縱向沉降變形，根據(jù)3號線隧道所處的位置與其工程實況，采取對施工區(qū)域周圍地層預(yù)加固，對3號線隧道結(jié)構(gòu)進行預(yù)加固的防變形措施，控制凍土的發(fā)展范圍，機場線隧道盾構(gòu)施工時采取微擾動措施，將3號線隧道變形的影響降到了可控范圍。