霍永鵬 伍 旺 張生權(quán) 鄭鵬飛 晏啟祥

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東 深圳 518083)

0 引言

長度超過600 m的地鐵左右線隧道之間需要設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，用以滿足運(yùn)營通風(fēng)、事故疏散、消防救援等運(yùn)營防災(zāi)需要[1]。由于地鐵聯(lián)絡(luò)通道與主隧道形成的交叉結(jié)構(gòu)剛度差異較大，應(yīng)力集中的交叉部位成為受力薄弱環(huán)節(jié)，在建設(shè)過程中存在涌水、突泥、塌方等施工風(fēng)險(xiǎn)。凍結(jié)法是用化學(xué)制冷物質(zhì)產(chǎn)生低溫鹽水，并通過不斷循環(huán)使得目標(biāo)土體形成凍結(jié)帷幕結(jié)構(gòu)，以此來加固地層并確保安全。由于具有強(qiáng)度高、防滲性強(qiáng)、地層適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[4]，凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中得到廣泛應(yīng)用。

對(duì)于采用凍結(jié)法修建地鐵聯(lián)絡(luò)通道，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其施工力學(xué)特性做了大量研究。張志強(qiáng)等[2]用ANSYS模擬研究了采用凍結(jié)法修建地鐵主隧道和聯(lián)絡(luò)通道的施工力學(xué)行為，但未考慮土體相變過程中的熱力耦合響應(yīng)特性。陳沙等[3]采用FLAC3D三維熱力耦合模型研究了凍脹作用下的結(jié)構(gòu)受力，但未對(duì)凍結(jié)與非凍結(jié)兩種工況進(jìn)行橫向比較。王暉等[4]研究了凍脹力之下的隧道受力，但由于采用三維實(shí)體單元模擬管片，只列出應(yīng)力值而未能求解出彎矩、軸力、剪力等內(nèi)力值，研究成果難以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中得到直接應(yīng)用。吳文濤等[5]在數(shù)值模擬過程中采用了D-P屈服準(zhǔn)則，得到了各施工步驟對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，但未將地鐵聯(lián)絡(luò)通道、交叉部位、主隧道區(qū)分開來進(jìn)行討論與比較。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要按凍結(jié)法施工步序進(jìn)行模型數(shù)據(jù)監(jiān)測，且單獨(dú)分析凍結(jié)狀態(tài)下的力學(xué)行為，將凍結(jié)與非凍結(jié)兩種工況進(jìn)行橫向直觀比較的研究尚未發(fā)現(xiàn)。對(duì)于力學(xué)研究對(duì)象，則大多限于交叉部位，將地鐵聯(lián)絡(luò)通道、交叉部位、主隧道區(qū)分開來進(jìn)行獨(dú)立分析的研究很少。因此，本文通過建立ABAQUS溫度場模型來研究凍土帷幕發(fā)展過程，在此基礎(chǔ)上又借助MIDAS模型對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行32次開挖。此外，本文橫向比較凍結(jié)與非凍結(jié)兩種工況，并對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道、交叉部位、主隧道三類部位進(jìn)行獨(dú)立分析，得出的施工力學(xué)特性可為類似工程提供參考。

1 工程概況

成都地鐵10號(hào)線雙流西站—空港二站區(qū)間全長8 232.584 m，隧道頂部埋深在8.1 m～41.8 m之間，穿越地層主要以砂卵石、強(qiáng)(中)風(fēng)化泥巖為主。其中1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道位于區(qū)間里程YDK11+444.000處，埋深為20.7 m，所處地層為中密卵石土層，上方地面為成都雙流機(jī)場停機(jī)坪。聯(lián)絡(luò)通道施工擬采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體，隧道內(nèi)暗挖構(gòu)筑”的全隧道內(nèi)施工方案。即先用凍結(jié)管將聯(lián)絡(luò)通道外圍土體冷凍為高強(qiáng)度凍土帷幕，再用礦山法開挖地鐵聯(lián)絡(luò)通道。

2 數(shù)值模型

2.1 室內(nèi)凍土試驗(yàn)

土體的熱物理參數(shù)在凍結(jié)過程中存在較大變化，為提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，由室內(nèi)凍土試驗(yàn)[6]和相關(guān)地質(zhì)資料確定土體物理參數(shù)(見表1)。

表1 圍巖及支護(hù)計(jì)算參數(shù)

2.2 凍結(jié)模型

土體的凍結(jié)過程包括冰水相變、潛熱釋放和水分遷移等，是一個(gè)復(fù)雜的三維、時(shí)變和相變物理力學(xué)問題。如圖1所示，為確定凍土帷幕的發(fā)展范圍，根據(jù)凍結(jié)管實(shí)際布置方式建立三維熱—力耦合模型，并通過3個(gè)監(jiān)測面對(duì)凍結(jié)期溫度場的分布規(guī)律進(jìn)行研究。三維熱—力耦合模型的控制微分方程由式(1)和式(2)聯(lián)合得到：

(1)

其中，qv為單位體積的材料在相變過程放出或吸收的熱量,J/m3；λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)；ρ為密度,kg/m3；c為比熱,J/(kg·℃)；t為溫度,℃。

(2)

其中，α為熱膨脹系數(shù)，本文取0.018 ℃-1；Δt為溫度變化值，℃。

ABAQUS數(shù)值模型的整體尺寸為30 m×40 m×20 m(見圖2)，設(shè)置為各相同性彈性體，其外邊界采用絕熱邊界。土體和凍結(jié)管均采用C3D8RT單元(溫度—位移耦合單元)，土體及隧道襯砌的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 凍土帷幕范圍 m

凍結(jié)帷幕擴(kuò)展過程如圖2所示，隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，凍結(jié)管周圍土體的溫度逐漸下降，凍土范圍不斷向外擴(kuò)展并在第15天開始交圈，35 d時(shí)完成交圈，45 d時(shí)凍結(jié)壁最薄弱處的平均厚度達(dá)到2.36 m，超過凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)厚度。圖2為凍結(jié)發(fā)展過程的示意圖，表2為凍結(jié)完成后的凍土帷幕范圍。

2.3 開挖模型

為便于橫向比較凍結(jié)法施工與常規(guī)施工，用MIDAS-GTS建立30 m×40 m×20 m的分步開挖模型(見圖3)。土體采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型，混凝土采用線彈性模型，各物理力學(xué)參數(shù)仍按表1確定。凍土帷幕的幾何形狀尺寸由溫度場模型求解結(jié)果(如表2所示)確定，聯(lián)絡(luò)通道埋深為20.7 m，開挖寬度為3.5 m，混凝土襯砌厚度為0.3 m，沿其軸線方向劃分為32個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，采用施工階段助手模擬地鐵聯(lián)絡(luò)通道開挖過程。

3 隧道結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)變形

地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工后，由主隧道與聯(lián)絡(luò)通道共同組成受橫、縱向內(nèi)力控制作用的受力復(fù)雜的空間交叉結(jié)構(gòu)[7]，且交叉部位結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)明顯不同于其他部位。因此，本文選取圖4所示的三個(gè)部位(地鐵聯(lián)絡(luò)通道、主隧道、交叉部位)，基于地層—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)行為研究。

圖4a)為地鐵聯(lián)絡(luò)通道的拱頂沉降值，地鐵聯(lián)絡(luò)通道拱頂沉降值實(shí)測最大為5.33 mm。數(shù)值模擬值在整體上與現(xiàn)場實(shí)測值的變化趨勢一致，最大沉降模擬值為6.43 mm，未超過警戒值，數(shù)值模擬結(jié)果合理。

表3結(jié)構(gòu)變形情況，從表3可以看出：由常規(guī)施工改為凍結(jié)法施工后，地鐵聯(lián)絡(luò)通道和交叉部位的豎直方向和水平方向的收斂值明顯減小。

表3 結(jié)構(gòu)變形

3.2 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表4為凍結(jié)與非凍結(jié)兩種工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，以及由常規(guī)施工轉(zhuǎn)為凍結(jié)施工后結(jié)構(gòu)內(nèi)力的下降幅度。從表4可以看出，由常規(guī)施工轉(zhuǎn)為凍結(jié)施工后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力值在總體上大幅減小。此外，不同部位內(nèi)力值的降幅差異明顯：交叉部位的降幅最大，地鐵聯(lián)絡(luò)通道次之，主隧道內(nèi)力降幅最小。值得一提的是，交叉部位的彎矩值大幅下降，凍結(jié)狀態(tài)僅為非凍結(jié)狀態(tài)的40%左右，結(jié)構(gòu)安全性大大提升，施工風(fēng)險(xiǎn)大大降低。同時(shí)，不同類型內(nèi)力的降幅也不盡相同，總體上看彎矩降幅明顯大于軸力降幅。考慮到混凝土是一種抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度的脆性材料，凍結(jié)法施工明顯改善了結(jié)構(gòu)的受力性能。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值如圖5所示，相較于常溫施工，凍結(jié)法施工時(shí)結(jié)構(gòu)的各類應(yīng)力值都有所減小。然而，不同類型的應(yīng)力的降低幅度不同，第一主應(yīng)力的降幅最大，主隧道、聯(lián)絡(luò)通道、交叉部位的降幅分別為23.15%，22.97%，20.36%，第一主應(yīng)力降幅均大于20%。同時(shí)，地鐵聯(lián)絡(luò)通道的第三主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、Mises應(yīng)力的降幅(11.72%，17.76%，12.75%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主隧道(8.19%，4.73%，6.16%)和交叉部位(0.01%，2.47%，6.37%)。由此可見，相較于其他部位，凍結(jié)法對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)力的改善作用更大。

表4 隧道內(nèi)力

4 結(jié)論與建議

本文以成都地鐵10號(hào)線某隧道區(qū)間地鐵聯(lián)絡(luò)通道人工凍土工程為例，采用三維溫度場模型和分步開挖模型的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

1)由常規(guī)施工方案改為凍結(jié)法施工方案后，襯砌結(jié)構(gòu)的豎直方向收斂值減小5 mm左右，而水平方向收斂值無明顯變化。相較于地鐵主隧道，凍土帷幕對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道和交叉部位的控制作用更強(qiáng)。

2)在結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面，凍結(jié)法對(duì)交叉部位受力性能的改善作用最為明顯，地鐵聯(lián)絡(luò)通道次之，地鐵主隧道又次之。同時(shí)，采用凍結(jié)法后各部位彎矩的降幅約60%，明顯大于軸力降幅(平均約10%)。凍結(jié)狀態(tài)下交叉部位的彎矩值僅為非凍結(jié)狀態(tài)的40%，結(jié)構(gòu)的受力性能明顯改善，施工風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

3)相較于常規(guī)施工，凍結(jié)法施工的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均有所減小，其中降幅最大的第一主應(yīng)力下降達(dá)20%。同時(shí)，凍土帷幕對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道襯砌的應(yīng)力改善作用明顯大于對(duì)地鐵主隧道和交叉部位的應(yīng)力改善作用。

4)地鐵工程的地鐵聯(lián)絡(luò)通道開挖應(yīng)采取合理的地層加固措施，凍土帷幕在砂卵石地層中能夠很好地控制地表沉降和結(jié)構(gòu)變形。同時(shí)做好施工準(zhǔn)備和施工組織，加強(qiáng)施工數(shù)據(jù)監(jiān)測、反饋與分析，嚴(yán)格控制開挖步距，襯砌及時(shí)封閉成環(huán)，以此確保施工安全。