城際鐵路盾構聯絡通道凍結法施工技術

劉啟清，黃 君，翁國亮，田書廣，李景陽

(1.廣東廣珠城際軌道交通有限責任公司，廣東 廣州 510230；2.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；4.天津新亞太工程建設監理有限公司，天津 300143)

為確保地鐵在運營期間的安全，常在區間隧道之間設置一條聯絡通道，在高溫氣候地區，聯絡通道常用地面旋噴樁加固，而在土質松軟地區，聯絡通道常用凍結法加固[1-4]。近些年，隨著冷凍施工技術不斷成熟，聯絡通道的開鑿多采用凍結法施工來加固通道周圍的土體。凍結法屬于一種物理加固方法，其成本比其他施工方法小、隔水性好、噪音小，對周邊環境無污染、周圍建筑無影響，對凍結深度和范圍也都沒有過多的限制，因此近幾年在地下工程中的應用愈來愈廣泛，尤其是在土質較松軟的含水地層中施工具有無可取代性[5-9]。

現有研究多是對凍結法施工中溫度場、應力變形等進行數值模擬分析與評價，或是與現場監測的對比分析，未考慮開挖前對通道內土體預加固后拱頂和拱底的受力狀態的改變、凍土帷幕最薄弱處的位置及對主隧道管片受力狀態的影響。

因此，本文以珠機城際橫琴隧道金融島車站—3號工作井區間橫通道為例，在既有文獻研究的基礎上，采用數值模擬與現場監測相結合的手段，對凍結帷幕的變形特性、應力分布特性、開挖造成隧道周圍管片應力的重新分布、主隧道受力狀態等情況進行研究。

1 工程概況

金融島車站—3號工作井區間內共建有3#、4#和5#3條聯絡通道，區間內地質復雜、巖面起伏大且位于馬騮洲水道下方，施工難度較大，決定在3#和4#聯絡通道工程中采用“隧道內鉆孔凍結法加固，礦山法暗挖構筑”的施工方案，即在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結周圍地層，使聯絡通道外圍土體凍結，形成強度高、封閉性能好的凍土帷幕，然后采用礦山法在凍土地層中進行聯絡通道的開挖構筑施工，地層凍結和開挖構筑施工均在區間隧道內進行。

本文以3#聯絡通道(與泵房合建)為研究對象，3#聯絡通道位于淤泥質黏土、粉質黏土層以及少量全風化花崗巖中，左線隧道里程為DK8+189.350。右線隧道里程為YDK8+219.707。初期支護厚度為250 mm，二次襯砌厚度為450 mm，開挖長度為8.5 m，平均埋深為26.8 m。凍結法加固聯絡通道示意如圖1。

為提高開挖過程中掌子面土體的自穩性，在橫通道掌子面范圍內打設6根超前水平注漿管，進行地層預加固。聯絡通道斷面為馬蹄形，通道采用二次襯砌，聯絡通道所處的位置主要為淤泥和粉質黏土，巖土力學參數見表1，襯砌混凝土及鋼支架力學參數見表2。由于聯絡通道中的土體經過預加固，故在完成初始應力疊加后，模擬聯絡通道開挖前，將該部分土體按照襯砌混凝土的參數重新賦值。

表1 巖土力學參數

表2 襯砌混凝土和鋼支架力學參數

2 聯絡通道數值模擬

2.1 模型構建

以原有的工程地質資料為依托，將工程CAD圖導入Rhino軟件建模。根據圣維南原理，模型選取的足夠大以保證邊界基本不受開挖擾動的影響。數值計算模型的范圍為：沿隧道軸線方向長度為83 m，高程方向為65 m，垂直隧道軸線方向取135 m。采用Kubrix劃分網格單元,共劃分 124 061 個單元，包含 23 601 個節點。模型坐標原點在(0,0,0)點，沿隧道軸線向內為x軸正方向，垂直隧道向上為z軸正方向，垂直隧道軸線向內為y軸正方向。

模型上表面為自由面,模型前、后、左、右側面施加水平法向約束，模型底面施加豎向法向約束。聯絡通道開挖時為監測周圍凍土帷幕的變形，分別在z方向聯絡通道拱頂與拱底位置各設置5個監測點監測拱頂沉降和拱底隆起；x方向即聯絡通道兩側方向共設有5個監測點，監測聯絡通道周邊收斂變形。所以模型建立時也在上述相同位置設置監測點。三維計算模型見圖2。

圖2 三維數值計算模型

2.2 模型假設

為了更好地模擬施工，抓住主要問題，同時又不影響模擬結果，對模型作了以下假設：

1)不考慮水泵房對聯絡通道及隧道的影響，但在模擬時會拓寬下部凍結壁的寬度；

2)凍土與未凍土均為各向同性體，凍土帷幕預計厚度為2.5 m；

3)凍土與未凍土均為弾塑性材料，符合Mohr-Coulomb破壞準則；聯絡通道內的加固土體、鋼筋混凝土支護結構等均為線彈性材料；

4)根據凍土試驗結果，-10 ℃ 凍土帷幕的抗壓強度為5.0 MPa，抗拉強度為2.5 MPa，抗剪強度為2.1 MPa；

5)設定聯絡通道在開挖前地層處于初始平衡狀態[10-13]，即隧道開挖完成并求解平衡后，將所有的位移和速度清零，最終得到的分析結果就是開挖后凍土受力和變形狀態。

2.3 施工過程模擬

1)聯絡通道采用臺階法施工，整個施工過程需要3個循環，單個循環進尺3 m；

2)開挖聯絡通道毛洞應力釋放率為30%，施作聯絡通道初期支護后應力釋放率為70%；

3)進入下一個循環，單個循環具體過程：上臺階開挖3 m、應力釋放(30%)，初噴混凝土并安裝鋼拱架、應力釋放(70%)，下臺階開挖3 m、應力釋放(30%)，初噴混凝土并安裝鋼拱架、應力釋放(70%)。

3 結果分析

3.1 聯絡通道開挖對隧道管片的影響

圖3 管片應力云圖

由于盾構隧道聯絡通道的施工需要拆除區間隧道的部分管片，極易導致盾構管片發生過大的變形，使得隧道結構受損[14]；且聯絡通道內土體開挖，勢必會引起周圍應力的重新分布，對管片也會造成一定的影響。管片的最大主應力和最大剪應力見圖3。可知：①聯絡通道開挖后會使部分管片處于受拉狀態，且拉應力多分布在開口環的對側；②剪應力多分布在管片兩側，最大正剪應力分布在開口環處。③聯絡通道的開挖影響隧道管片的受力狀況，在凍土帷幕與隧道管片接觸部位出現應力集中,是最薄弱的地方，因此聯絡通道開挖過程應注意開口處管片變形的監測，對聯絡通道洞門處的管片及時進行加固防止管片破壞。

3.2 凍結帷幕強度與變形分析

凍土帷幕的強度是聯絡通道安全施工的重要保障，因此凍土帷幕必須滿足設計強度與變形要求。開挖引起的凍土帷幕應力重新分布和位移是檢驗凍結效果最直觀的指標，利用數值模擬得出開挖后聯絡通道的應力與應變，與現場監測值進行對比，得出凍結帷幕的強度和變形特性，進而對施工提供指導。

凍土帷幕z方向的位移見圖4。可知:位移云圖顯示z方向凍土上部最大沉降為11.42 mm，底部最大隆起為3.27 mm。現場實測得出的拱頂最大沉降和拱底最大隆起與模擬值基本一致，位移變化趨勢基本相同，說明數值模擬結果具有一定的合理性，而且凍土帷幕的整體縱向位移也符合工程的安全性要求。

圖4 凍土帷幕Z方向的位移

凍土帷幕y方向位移云圖見圖5。可知:y方向的土體向聯絡通道中心收斂，喇叭口處上部的土體收斂最大，其值為2.71 mm。

圖5 凍土帷幕y方向位移云圖(單位：m)

聯絡通道左右側凍土帷幕x方向的位移見圖6。由圖6(a)可知，x方向的土體也出現了向聯絡通道中心收斂的情況，而且聯絡通道中心部位的土體收斂最大，其值為8.93 mm。由圖6(b)、圖6(c) 可知:現場監測結果與模擬結果基本一致，聯絡通道周邊均向中心收斂，沿y方向聯絡通道越靠近中心收斂值越大，且變形符合工程的安全性要求。

圖6 凍土帷幕x方向的位移

圖7 凍土帷幕應力云圖(單位：m)

凍土帷幕應力云圖見圖7。可知：凍土帷幕大部分處于受壓的狀態，拉應力只出現在喇叭口處；最大剪應力分布在聯絡通道與隧道的接口處，最大剪應力為716.36 kPa，由于拱頂和拱底處經過注漿預加固處理，故剪應力分布較少。抗壓、抗拉和抗剪的安全系數分別為2.55，3.16，2.14，考慮到所分析工況的極端性，此凍土帷幕完全可以滿足安全要求。

綜上所述，數值模擬結果與現場監測數據具有高度的吻合性，說明了數值模擬的合理可行性。拱頂和拱底的剪應力分布較少，說明開挖前對通道內土體預加固能有效改善聯絡通道的受力狀態；就凍土帷幕整體變形量和受力情況而言，喇叭口處是整個凍土帷幕最薄弱處，由于喇叭口位于凍土帷幕與管片的交界處，且導熱系數較大、散熱速度快，因此主隧道管片的散熱對附近土體的凍結效果有很大的削弱作用[15]，施工過程中需特別注意。

4 聯絡通道凍結法施工工程應用

基于上述數值模擬及現場監測數據的對比分析結果，綜合考慮凍結帷幕的應力分布和變形特性以及聯絡通道開挖過程中對隧道管片的影響，得到本工程聯絡通道應用凍結法施工時需注意的問題：

1)本次工程采用鹽水循環系統，聯絡通道四周全部凍結。凍結管主要從聯絡通道的一側隧道內打孔布置，在泵房下沉部位需要從聯絡通道的另一側隧道內打孔布置凍結管。通過不同角度的上仰、水平和下探的方式實現對擬凍結范圍的凍結管布置，凍結管布置完畢之后要及時布置測溫孔和卸壓孔。

2)管片破除前需從現場取土在試驗室內完成現場土的低溫物理學參數的測定工作，確定達到預定強度，方可破除管片。

3)管片破除后，在土方開挖前要對聯絡通道洞門進行加固，采用超前雙排小導管注漿加固。對開口區域管片加固完成后，切割前在開門中心位置沿通道方向探孔，探孔深度2 m。根據小管出水情況及壓力變化，判斷加固效果，無異常情況方可繼續施工。

4)右線先進行始發掘進所以先破除盾構右線管片，待聯絡通道初支開挖和二襯完成后，再進行左線管片破除。現場進行測量放樣，對破除區域內的管片采用水鉆對既有管片進行破除。

5)破除時先破除上部管片，再進行下部管片的破除。上部管片破除后，即可進行開口施工。

5 結論

1)聯絡通道應力、位移的數值模擬結果和現場監測數據均比較一致，說明了數值模擬的科學性和合理性，一定程度上可反映實際工程的應力和應變規律。

2)在對聯絡通道開挖前，需對通道內土體進行注漿加固，以便有效改善聯絡通道拱頂及拱底的受力狀態。

3)聯絡通道與主隧道的開口環處容易產生應力集中，施工時應作加固處理。

4)由于管片的散熱問題，在凍結時喇叭口處需做好特殊處理，如鋪設保溫層、采用雙排凍結管加強凍結效果。

5)聯絡通道開挖易導致主隧道處于受拉狀態，且拉應力多分布在開口環的對側。