越江隧道聯絡通道凍結法施工力學模擬分析

李開文，毛 勇，孫 闖，朱澤奇

（1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，昆明 650000；2.遼寧工程技術大學，遼寧阜新 123000；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

越江隧道聯絡通道凍結法施工力學模擬分析

李開文1，毛 勇1，孫 闖2，朱澤奇3

（1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，昆明 650000；2.遼寧工程技術大學，遼寧阜新 123000；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

為直觀了解凍土帷幕的力學特性，掌握隧道聯絡通道開挖過程對凍土帷幕的影響，保證開挖過程的安全，采用大型有限差分軟件FLAC3D，對聯絡通道的開挖過程進行了數值模擬。從數值分析的角度對凍土帷幕的應力與變形進行了分析和安全評價，詳細研究了凍土帷幕中應力與位移的分布情況，確定了凍土帷幕厚度設計安全值為2.5 m（可以滿足施工要求），并指出了容易產生應力集中的位置為凍土帷幕與隧道接觸部位。由于該部位在凍結過程中散熱快，凍結效果差，所以施工中應該值得注意，同時也為今后的聯絡通道數值模擬與人工凍結法施工提供了參考。

聯絡通道；凍結法；數值模擬；凍土帷幕；FLAC3D

1 概 述

人工凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水凍結成冰，將天然巖土凍結為凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技術，其實質是利用人工制冷技術臨時改變巖土性質以固結地層［1］。隨著我國大規模修建地鐵和越江隧道熱潮的興起，人工凍結法應用的重心也逐步由煤礦鑿井向城市地下工程領域轉移［2］，從上海地鐵1號線聯絡通道施工開始，上海地鐵2號線、4號線、大連路越江隧道、復興路隧道等工程中，人工凍結法相繼被使用。不僅如此，該方法也用于某些由于地層異常復雜、場地狹小等原因而無法采用盾構推進的隧道施工中［3］。

本工程綜合考慮地層特點和工程特征，采用人工凍結法對越江隧道聯絡通道周圍土體進行凍結，形成高強度的凍土帷幕結構，在該凍土帷幕的保護下進行礦山暗挖法施工，以確保施工安全和減輕對周圍水文地質環境的影響；采用功能強大的巖土工程分析軟件FLAC3D對隧道聯絡通道的整個開挖過程進行了仿真模擬，著重研究聯絡通道開挖后凍結帷幕的變形和應力特性的影響。

2 工程概況

本工程為上海市越江隧道旁通道工程。旁通道位于北線隧道里程為NK2＋102.100，南線隧道里程為SK2＋094.577，盾構隧道中心距約24.460 m，旁通道正上方位于黃浦江上。隧道內徑為10 400 mm，管片厚度為480 mm。旁通道位置上、下行盾構隧道中心線間距為12.5 m，旁通道與上、下行隧道開口處隧道中心標高分別均為－26.470 m、－26.672 m。聯絡通道結構與地址柱狀圖如圖1所示。

圖1 聯絡通道結構與地質剖面圖（單位：m）Fig.1 Structure of the connected aisle and its geological profile

旁通道與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構成，水平通道為圓形結構，通道采用兩次襯砌，其中通道初襯（鋼支架噴射混凝土）厚度為280 mm（喇叭口為300 mm），通道的開挖輪廓長約10.46 m，開挖直徑為3.6 m，局部（喇叭口處）開挖直徑為4.2 m。旁通道所處位置的土層為位于⑤1粉質黏土層中，下部有⑤3－1夾粉砂夾粉質黏土層、⑤3－2砂質粉土微承壓含水層，其中⑤3－2與⑦2層連通。地質物理參數如表1所示。

表1 地質物理力學參數Tab le 1 Physicalmechanical parameters

3 聯絡通道凍結法施工

3.1 凍土帷幕設計

凍結壁頂面所受土壓力按上覆土體重量和超載計算，側面承受水土壓力按側壓系數0.7計算，設計按最不利條件考慮承壓水頭3.0 m，旁通道喇叭口頂部埋深為30.47 m（其中江水深13.85 m，土層厚度16.62 m），旁通道喇叭口中心埋深為32.37 m（其中江水深13.85 m，土層厚度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。旁通道全部位于⑤3－1粉質黏土層中，旁通道上部凍結壁位于⑤1及⑤3－1粉質黏土層中，旁通道下部凍結壁位于⑤3－1夾灰色粉砂夾粉質黏土層中，⑤3－1夾為微承壓含水層，而旁通道位置隧道中心埋藏深，并且位于黃浦江底，因此設計旁通道外圍凍結壁厚度為2.5 m，喇叭口處的凍結壁厚度不小于2.2 m。在南線布置凍結孔16個，北線布置凍結孔20個，共36個。凍土帷幕及凍結孔布置如圖2所示。

3.2 凍結法施工

先拆除左線鋼管片，進行凍結加固。待凍土帷幕形成后，從右線拆除鋼管片，向左線掘進，待通道右部掘進一定距離并做好初期支護后，將鉆機及冷凍設備移至右線中，從右線向左線再次鉆進凍結孔，待凍土帷幕形成之后，開挖通道至右線并貫通。在結構層與支護層之間設防水層，結構層內表面設防火層。

圖2 凍土帷幕及凍結孔布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout of freezing soil curtain and freeze-tubes

4 聯絡通道施工模擬分析

4.1 FLAC3D軟件介紹

本文選用的數值模擬軟件是美國IATSCA咨詢公司開發的FLAC3D，它是一個用于工程力學計算的三維顯式差分程序。FLAC3D是以有限差分為計算原理，在離散元原理基礎之上發展起來的一種計算方法。它介于有限元和離散元算法之間，求解過程采用快速拉格朗日算法［4］。

4.2 模擬計算基本假設

在聯絡通道模型計算中進行了如下幾點假設。

（1）計算區域假設：如圖3所示，整個幾何模型尺寸長寬高為32.0 m（沿主隧道軸線方向）× 66.0 m（沿旁通道軸線方向）×37.0 m（沿豎直方向），總共劃分了58 368個單元，64 781個節點；隧道中心坐標為（－12.23，0，0），坐標原點取在聯絡通道中心，垂直隧道向右側為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，沿隧道軸線向外為z軸正方向。

（2）數值計算中假定凍土與未凍土均為彈塑性材料，本構關系為Mohr-Coulomb，隧道與旁通道鋼筋混凝土結構假定為線彈性材料，根據凍土強度試驗結果［5］，設計凍土帷幕為－10℃等溫體，彈性模量和泊松比分別為150 MPa和0.3，凍土帷幕抗壓強度為3.5 MPa，抗折強度為1.8 MPa；抗剪強度指標為黏聚力1.5 MPa，摩擦角28°。凍結壁承載力驗算采用許用應力法，強度檢驗安全系數［6］按Ⅲ類凍結壁選取：抗壓強度為2.0 MPa，抗折強度為3.0 MPa，抗拉強度為1.5 MPa。

（3）假設工程所在位置各地層均水平分布，并設定旁通道在開挖前地層處于初始平衡狀態，最終得到的分析結果就是開挖后凍土受力和變形狀態，模型建立時對實際情況進行部分簡化。

（4）假設開挖從右向左進行，開挖完成后一次性進行支護結構的構筑，即考慮最不利工況，偏于安全。

4.3 計算結果分析

凍結施工后凍土帷幕必須滿足設計強度與變形的要求，因此檢驗凍結效果的好壞也應該從凍結帷幕中應力與位移的分布情況來考察。本文著重對凍土帷幕中位移和應力分布進行研究，主要分析在聯絡通道開挖后，凍土帷幕結構的應力場及位移情況，進而可對凍結法施工進行安全性評估。

圖3 聯絡通道幾何模型Fig.3 Geometric model of connected aisle

圖4 凍土帷幕y方向位移（單位：m）Fig.4 Displacement in y direction of freezing soil curtain（unit in m）

圖5 凍土帷幕z方向位移（單位：m）Fig.5 Displacement in z direction of freezing soil curtain（unit in m）

圖6 凍土帷幕σzz應力（單位：Pa）Fig.6 Stressσzzof freezing soil curtain（unit in Pa）

圖7 凍土帷幕σxx應力（單位：Pa）Fig.7 Stressσxxof freezing soil curtain（unit in Pa）

圖4 至圖5為凍土帷幕位移云圖，各方向位移極值分別為：z方向頂部下沉為－3.6 mm，底部隆起10.6 mm；y方向聯絡通道兩旁收斂量為－4.68 mm。

圖6至圖9為凍土帷幕σzz，σxx，σyy，τxy應力分布。從圖中σzz應力分布可以看出，整個凍土帷幕都是受壓力的，最大正剪應力τxy主要分布在帷幕喇叭口下部，而最大負剪應力主要分布在帷幕喇叭口下部，而拉應力只在通道中部有少量分布，τxy方向出現96.0 kPa的拉應力；τxz方向出現最大215 kPa的拉應力；τ方向出現最大377 kPa的拉應力。σzz，σxx，σyy，τxy應力的安全系數分別為5.7，6.3，9.4，15.6，考慮到所分析工況的極端性，該凍土帷幕完全可以滿足安全要求。具體應力極值及其產生的位置見表2。

由以上位移及應力分布可知，凍土帷幕受力最薄弱的位置通常處于帷幕與隧道接觸的部位。在凍結施工過程中，由于隧道管片的散熱速度快，在帷幕與隧道接觸處的溫度最高，導致凍結效果最差，強度最低，這就特別需要引起工程中的注意，在設計計算中應充分考慮到凍土帷幕與隧道接觸的部位散熱快這一因素對凍土強度的影響。

圖8 凍土帷幕σyy應力（單位：Pa）Fig.8 Stressσyyof freezing soil curtain（unit in Pa）

圖9 凍土帷幕τxy應力（單位：Pa）Fig.9 Stressτxyof freezing soil curtain（unit in Pa）

表2 應力極值及其產生的位置Table 2 Extremum of stress and its position

5 結 論

本文在對上海越江隧道聯絡通道進行施工力學模擬分析的基礎上對凍土帷幕的變形及應力分布情況進行了詳細的分析，得出結論如下：

（1）在凍結過程中，由于凍土帷幕與隧道接觸部位凍結效果最差，所以容易產生應力集中，對凍土帷幕的應力分布影響比較大，因此施工中應特別引起注意；

（2）通過數值計算及施工過程來看，凍土帷幕設計為2.5 m左右完全可以滿足強度、變形等要求，且滿足工程施工的安全要求。對于同類工程，其分析結果具有一定的參考價值。

［1］ 劉 珣，梁 鵬.城市地下工程中人工凍結法的防凍脹優化設計研究［J］.武漢科技大學學報，2004，27（4）：387－390.（LIU Xun，LIANG Peng.Optimum Design of Anti-frost Heave in Artificial Freezing Method of Civil Underground Engineering.［J］Journal of Wuhan U-niversity of Science and Technology，2004，27（4）：387－390.（in Chinese））

［2］ 武亞軍，楊 敏，李大勇.大連路隧道聯絡通道凍土帷幕數值分析［J］.巖土力學，2006，27（3）：487－490.（WU Ya-jun，YANG Min，LIDa-yong.Numerical Analysis of Freezing Soil Curtain of Tunnel Connected Aisle［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（3）：487－490.（in Chinese））

［3］ 胡向東，肖朝昀，毛良根.雙層越江隧道聯絡通道凍結法溫度場影響因素［J］.地下空間與工程學報，2009，1（5）：7－12.（HU Xiang-dong，XIAO Zhao-yun，MAO Liang-gen.The Influencing Factor of the Temperature Field of Cross-Passage Construction by Freezing Method in Double-Deck Road Tunnels［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，1（5）：7－12.（in Chinese））

［4］ 武亞軍，李大勇，楊敏.凍結法隧道施工數值仿真模擬［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（2）：5851－5856.（WU Ya-jun，LIDa-yong，YANGMin.Numerical Simulation of Tunnel with Freezing Method Construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（2）：5851－5856.（in Chinese））

［5］ 胡向東，程 樺.上海軌道交通四號線凍土物理力學性能試驗研究報告［R］.合肥：安徽建筑工業學院，2006.（HU Xiang-dong，CHENG Hua.Research Report on the Physical and Mechanical Properties of Shanghai Rail Transit Line 4［R］.Hefei：Anhui Architecture Industry Institute，2006.（in Chinese））

［6］ 李雙洋，張明義，高志華，等.廣州某地鐵人工凍結法施工熱力分析［J］.冰川凍土，2006，8（6）：823－832.（LIShuang-yang，ZHANGMing-yi，GAO Zhi-hua.Thermal and Mechanical Analysis of the Artificial Freezing Method Applied to a Subway Tunnel in Guangzhou［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2006，8（6）：823－ 832.（in Chinese））

［7］ 李大勇，陳福全，張慶賀.地鐵聯絡通道凍結施工的三維數值模擬［J］.巖土力學，2004，25（2）：472－474.（LIDa-yong，CHEN Fu-quan，ZHANG Qing-he，et al.3-D Numerical Simulation of Frozen Construction of a Connected Aisle in Metro［J］.Rock and SoilMechanics，2004，25（2）：472－474.（in Chinese））

［8］ 肖朝昀，胡向東，張慶賀.地鐵修復工程中凍結法設計［J］.巖土工程學報，2006，28（11）：1716－1719.（XIAO Zhao-yun，HU Xiang-dong，ZHANG Qing-he.Design of Freezing Method for Recovering Collapse Tunnels in ShanghaiMetro［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（11）：1716－1719.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

M echanical Simulation of Freezing M ethod Applied to the Construction of Connected Aisle in a Cross-River Tunnel

LIKai-wen1，MAO Yong1，SUN Chuang2，ZHU Ze-qi3
（1.Nonferrous Metals Industry Survey and Design Institute，Kunming 650000，China；2.Liaoning Technology University，Fuxin 123000，China；3.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

To ensure the safety of the excavation of connected aisle in a cross-river tunnel by directly looking into themechanical features of freezing soil curtain and the impact of the excavation on the curtain，large finite difference software FLAC3Dis employed to numerically simulate the excavation process.Through the simulation，the stress and deformation of the freezing curtain are analyzed and its safety is evaluated.Moreover，the stress and displacement distributions of the curtain are further analyzed in detail.The designed thickness of the freezing soil curtain is determined to be safe at 2.5 m，which meets the construction requirements.It is also pointed out that the contact location between the freezing soil curtain and the tunnel should be given more concern as it is easy to see stress concentration because of quick heat dissipation during the freezing with unsatisfactory freezing effect.The study can serve as a reference for the artificial freezing technique and the numerical simulation of connected aisles.

connected aisle；freezingmethod；numerical simulation；freezing soil curtain；FLAC3D

U452.2

A

1001－5485（2011）07－0057－05

2010-08-10

國家自然科學基金重大研究計劃重點項目（90715042）

李開文（1962-），男，云南昆明人，高級工程師，主要從事巖土工程設計工作，（電話）13888082708（電子信箱）lkw1963＠163.com。