人工地層凍結(jié)法地鐵聯(lián)絡(luò)通道安全性研究

裴浩翔

摘 要：人工地層凍結(jié)法廣泛應(yīng)用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道開挖中，該工法能提高凍結(jié)管附近圍巖的強度，形成一個密封的凍結(jié)帷幕，起到開挖支護和隔斷地下水的作用。本文以杭州地鐵育三區(qū)間為工程背景，采用數(shù)值模擬方法對聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)帷幕進行強度校核，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，得到凍結(jié)帷幕強度整體上滿足工程開挖支護要求。值得注意的是，拱頂處凍結(jié)帷幕強度安全系數(shù)較低，在施工過程中應(yīng)重點關(guān)注。本文提出的方法對今后凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道或相關(guān)類似工程中應(yīng)用具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：聯(lián)絡(luò)通道;人工地層凍結(jié)法;凍結(jié)帷幕;強度校核

中圖分類號：TU231文獻標(biāo)識碼：A

人工地層凍結(jié)法具有強度高，隔水性好，無污染，施工方便，地層可還原等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于煤礦，隧道建設(shè)中。在城市地鐵工程中，人工地層凍結(jié)法廣泛用于聯(lián)絡(luò)通道的開挖。國內(nèi)學(xué)者對聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)施工技術(shù)進行了大量研究，[1-5]提出了很多具有實踐指導(dǎo)意義的方法。凍結(jié)管的布置形式，鹽水循環(huán)溫度對凍結(jié)法的溫度場有很大的影響，[6-7]針對凍結(jié)法的研究主要是地層溫度場及位移場的分布，[8-10]通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬等手段評估凍結(jié)效果，[11-12]凍結(jié)效果的評價主要依據(jù)實測的凍結(jié)帷幕的平均溫度。

聯(lián)絡(luò)通道是軟土地層中地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工控制的重點，聯(lián)絡(luò)通道的開挖會引起地表沉降及地下水的流動。利用人工地層凍結(jié)法可以有效控制地表沉降及地下水流動，減少安全事故的發(fā)生。前人做了不少有關(guān)凍結(jié)溫度場及凍脹融沉變形的研究，無論是現(xiàn)場實測、模型試驗，還是數(shù)值計算均取得了不少成果。本文結(jié)合杭州地鐵育三區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道復(fù)雜粉質(zhì)粘土地層特征，采用人工凍結(jié)法對聯(lián)絡(luò)通道進行地層加固，在積極凍結(jié)45天后，對凍結(jié)帷幕的強度進行校核，確保聯(lián)絡(luò)通道開挖施工安全。

1 工程概況

育三區(qū)間位于杭州市西湖區(qū)古墩路上。除地面橋梁接坡處地形略有起伏外，現(xiàn)場地勢較平坦，地面標(biāo)高3.35～4.97m。上、下行線出育英路站后采用V字坡進入三墩站，最大縱坡為24‰，最小縱坡為5‰。區(qū)間隧道埋深為6.3m-17.6m。沿線兩側(cè)分布有各種民用商業(yè)建筑，以多層建筑物、高層建筑為主，且距離區(qū)間軸線凈距較小。育三區(qū)間設(shè)置一個聯(lián)絡(luò)通道兼泵站合建，其上行線里程：SDK34+707.500，下行線里程：XDK35+148.411。通道處左右區(qū)間中心間距為13米。本區(qū)段聯(lián)絡(luò)通道處的土層主要為：①人工填土。②淤泥質(zhì)土。③粉質(zhì)粘土。④砂質(zhì)粘土等。聯(lián)絡(luò)通道采用人工凍結(jié)法加固地層、礦山暗挖法施工以確保施工安全，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計圖見圖1。

Fig1 The design of the connected tunnel using artificial ground freezing method

聯(lián)絡(luò)通道位于古墩路下方，周邊地下埋設(shè)有各類管線，因此聯(lián)絡(luò)通道開挖引起的地層沉降必須控制在許可的范圍內(nèi)，聯(lián)絡(luò)通道及泵站處管線詳情見表1：

2 凍結(jié)帷幕的強度校核

基于設(shè)計要求的凍結(jié)帷幕平均厚度，采用二維荷載-結(jié)構(gòu)模型對凍結(jié)帷幕實施安全校核，分析采用Ansys有限元軟件。采用梁單元模擬凍結(jié)帷幕，其中梁單元的高度參數(shù)設(shè)置為凍結(jié)帷幕厚度，彈性模量和泊松比分別為粉質(zhì)粘土形成凍土的彈性模量和泊松比，彈性模量為236.0 MPa，泊松比為0.21，梁單元構(gòu)成的輪廓為凍結(jié)帷幕輪廓線加上凍結(jié)帷幕厚度的一半;采用地層彈簧模擬凍結(jié)帷幕周邊的彈性抗力，通過設(shè)置地層彈性抗力系數(shù)進行模擬，本地層彈性抗力系數(shù)為28.0 MN/m3。粉質(zhì)粘土凍結(jié)帷幕的抗拉、抗壓和剪切強度指標(biāo)分別為1.57MPa，8.46MPa，[13]1.71MPa。[14]數(shù)值分析模型見圖2。

考慮最不利的工況組合進行校核，這種工況組合的凍結(jié)帷幕厚度假設(shè)為設(shè)計凍結(jié)帷幕厚度2m，且埋深為10.9m，計算截面為左右線區(qū)間隧道的中心截面。該工況主要包含頂部的砂土和粉質(zhì)粘土，凍土主要位于粉質(zhì)粘土當(dāng)中。凍結(jié)帷幕承受的地層荷載主要有頂部豎向土壓力、側(cè)向土壓力及底部地層反力。頂部凍結(jié)帷幕豎向土壓力為：

p1=∑ni=1γihi+20（1）

式中，γi為頂部各層土的容重，hi為不同土質(zhì)的地層厚度，20kPa為地面超載;人工填土的重度為17.5kN/m3，厚度為35m;淤泥質(zhì)土重度為17.4kN/m3，厚度為1.6m;粉質(zhì)粘土重度為18kN/m3，厚度為1.7m;砂土的重度γ1為18.7kN/m3，厚度為0.8m，砂質(zhì)粘性土重度為18.6kN/m3，厚度為3.3m。側(cè)向土壓力q= K0 p1，粉質(zhì)粘土側(cè)壓力系數(shù)K0為0.40;凍土帷幕底部土壓力可近似為p2= p1+πγ2H2，其中，粉質(zhì)粘土凍結(jié)帷幕的重度γ2為20.0kN/m3，厚度H2為凍結(jié)帷幕厚度2m。通過計算，獲得凍土帷幕的荷載如圖2所示。

Fig2 The loading figure

將圖2所示的荷載，施加在二維荷載-結(jié)構(gòu)模型中，通過有限元分析，可得到凍結(jié)帷幕的彎矩、軸力和剪力分布如圖3所示：

Fig3 The internal force of the frozen area

依據(jù)所獲得的凍結(jié)帷幕彎矩、軸力和剪力，可計算出凍結(jié)帷幕的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。其中正應(yīng)力為：

其中，W=b×h2/6，A=b×h，b為凍結(jié)帷幕寬度，平面問題取為1.0m;h為設(shè)計凍結(jié)帷幕厚度2m。凍結(jié)帷幕應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

由表2可見，凍結(jié)帷幕的最大拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力，最大剪應(yīng)力分別小于凍土的容許拉應(yīng)力1.57MPa，容許壓應(yīng)力846MPa，容許剪應(yīng)力1.71MPa，這說明，凍結(jié)帷幕厚度滿足強度設(shè)計要求。數(shù)值計算得到的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于容許壓應(yīng)力和容許剪應(yīng)力。最大拉應(yīng)力發(fā)生在凍結(jié)帷幕的拱頂位置，略小于容許拉應(yīng)力，存在一定的安全隱患，強度安全系數(shù)較低。因此在凍結(jié)施工過程中，應(yīng)對凍結(jié)帷幕拱頂位置進行局部加強。在凍結(jié)設(shè)計時，可以在拱頂處增加布置兩根凍結(jié)管，從而增加拱頂凍結(jié)帷幕厚度，增加截面模量，減小截面應(yīng)力。同時在施工過程中，應(yīng)做好現(xiàn)場監(jiān)控量測工作，對聯(lián)絡(luò)通道地表沉降，徑向收斂位移，拱頂位移實施監(jiān)測。

3 結(jié)論

根據(jù)凍結(jié)帷幕的二維荷載-結(jié)構(gòu)模型，在最不利荷載組合條件下，通過數(shù)值計算，獲得了凍結(jié)帷幕的內(nèi)力，將凍結(jié)帷幕視為矩形截面梁，通過不同軸力與彎矩的組合形式，計算得到其最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。通過與砂質(zhì)粘土凍結(jié)帷幕抗拉、抗壓和抗剪強度指標(biāo)進行對比，表明凍結(jié)帷幕整體上滿足強度安全要求。值得注意的是，拱頂處凍結(jié)帷幕強度安全系數(shù)較低，在凍結(jié)施工過程中，應(yīng)對拱頂處最大拉應(yīng)力發(fā)生的位置進行局部加強。

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