地鐵聯絡通道凍結法施工有限元分析★

霍永鵬 伍 旺 張生權 鄭鵬飛 晏啟祥

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，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置聯絡通道，用以滿足運營通風、事故疏散、消防救援等運營防災需要[1]。由于地鐵聯絡通道與主隧道形成的交叉結構剛度差異較大，應力集中的交叉部位成為受力薄弱環節，在建設過程中存在涌水、突泥、塌方等施工風險。凍結法是用化學制冷物質產生低溫鹽水，并通過不斷循環使得目標土體形成凍結帷幕結構，以此來加固地層并確保安全。由于具有強度高、防滲性強、地層適應性好等優點[4]，凍結法在地鐵聯絡通道施工中得到廣泛應用。

對于采用凍結法修建地鐵聯絡通道，國內外學者針對其施工力學特性做了大量研究。張志強等[2]用ANSYS模擬研究了采用凍結法修建地鐵主隧道和聯絡通道的施工力學行為，但未考慮土體相變過程中的熱力耦合響應特性。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構受力，但未對凍結與非凍結兩種工況進行橫向比較。王暉等[4]研究了凍脹力之下的隧道受力，但由于采用三維實體單元模擬管片，只列出應力值而未能求解出彎矩、軸力、剪力等內力值，研究成果難以在實際工程設計中得到直接應用。吳文濤等[5]在數值模擬過程中采用了D-P屈服準則，得到了各施工步驟對應的結構內力，但未將地鐵聯絡通道、交叉部位、主隧道區分開來進行討論與比較。

從上述研究可以發現，目前國內外學者主要按凍結法施工步序進行模型數據監測，且單獨分析凍結狀態下的力學行為，將凍結與非凍結兩種工況進行橫向直觀比較的研究尚未發現。對于力學研究對象，則大多限于交叉部位，將地鐵聯絡通道、交叉部位、主隧道區分開來進行獨立分析的研究很少。因此，本文通過建立ABAQUS溫度場模型來研究凍土帷幕發展過程，在此基礎上又借助MIDAS模型對地鐵聯絡通道進行32次開挖。此外，本文橫向比較凍結與非凍結兩種工況，并對地鐵聯絡通道、交叉部位、主隧道三類部位進行獨立分析，得出的施工力學特性可為類似工程提供參考。

1 工程概況

成都地鐵10號線雙流西站—空港二站區間全長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(中)風化泥巖為主。其中1號聯絡通道位于區間里程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場停機坪。聯絡通道施工擬采用“隧道內水平凍結加固土體，隧道內暗挖構筑”的全隧道內施工方案。即先用凍結管將聯絡通道外圍土體冷凍為高強度凍土帷幕，再用礦山法開挖地鐵聯絡通道。

2 數值模型

2.1 室內凍土試驗

土體的熱物理參數在凍結過程中存在較大變化，為提高模擬結果的準確性，由室內凍土試驗[6]和相關地質資料確定土體物理參數(見表1)。

表1 圍巖及支護計算參數

2.2 凍結模型

土體的凍結過程包括冰水相變、潛熱釋放和水分遷移等，是一個復雜的三維、時變和相變物理力學問題。如圖1所示，為確定凍土帷幕的發展范圍，根據凍結管實際布置方式建立三維熱—力耦合模型，并通過3個監測面對凍結期溫度場的分布規律進行研究。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為導熱系數,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，本文取0.018 ℃-1；Δt為溫度變化值，℃。

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

表2 凍土帷幕范圍 m

凍結帷幕擴展過程如圖2所示，隨著凍結時間的推移，凍結管周圍土體的溫度逐漸下降，凍土范圍不斷向外擴展并在第15天開始交圈，35 d時完成交圈，45 d時凍結壁最薄弱處的平均厚度達到2.36 m，超過凍結壁的設計厚度。圖2為凍結發展過程的示意圖，表2為凍結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法施工與常規施工，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—庫侖本構模型，混凝土采用線彈性模型，各物理力學參數仍按表1確定。凍土帷幕的幾何形狀尺寸由溫度場模型求解結果(如表2所示)確定，聯絡通道埋深為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個循環進尺，采用施工階段助手模擬地鐵聯絡通道開挖過程。

3 隧道結構變形與內力分析

3.1 隧道結構變形

地鐵聯絡通道施工后，由主隧道與聯絡通道共同組成受橫、縱向內力控制作用的受力復雜的空間交叉結構[7]，且交叉部位結構的受力特點明顯不同于其他部位。因此，本文選取圖4所示的三個部位(地鐵聯絡通道、主隧道、交叉部位)，基于地層—結構模型進行力學行為研究。

圖4a)為地鐵聯絡通道的拱頂沉降值，地鐵聯絡通道拱頂沉降值實測最大為5.33 mm。數值模擬值在整體上與現場實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，數值模擬結果合理。

表3結構變形情況，從表3可以看出：由常規施工改為凍結法施工后，地鐵聯絡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 結構變形

3.2 隧道結構內力

表4為凍結與非凍結兩種工況下結構的內力值，以及由常規施工轉為凍結施工后結構內力的下降幅度。從表4可以看出，由常規施工轉為凍結施工后，結構內力值在總體上大幅減小。此外，不同部位內力值的降幅差異明顯：交叉部位的降幅最大，地鐵聯絡通道次之，主隧道內力降幅最小。值得一提的是，交叉部位的彎矩值大幅下降，凍結狀態僅為非凍結狀態的40%左右，結構安全性大大提升，施工風險大大降低。同時，不同類型內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度遠高于抗拉強度的脆性材料，凍結法施工明顯改善了結構的受力性能。

3.3 隧道結構應力

不同工況下的結構應力值如圖5所示，相較于常溫施工，凍結法施工時結構的各類應力值都有所減小。然而，不同類型的應力的降低幅度不同，第一主應力的降幅最大，主隧道、聯絡通道、交叉部位的降幅分別為23.15%，22.97%，20.36%，第一主應力降幅均大于20%。同時，地鐵聯絡通道的第三主應力、最大剪應力、Mises應力的降幅(11.72%，17.76%，12.75%)遠遠大于主隧道(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，凍結法對地鐵聯絡通道應力的改善作用更大。

表4 隧道內力

4 結論與建議

本文以成都地鐵10號線某隧道區間地鐵聯絡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，對結構受力特性進行了研究，得到了以下結論：

1)由常規施工方案改為凍結法施工方案后，襯砌結構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，凍土帷幕對地鐵聯絡通道和交叉部位的控制作用更強。

2)在結構內力方面，凍結法對交叉部位受力性能的改善作用最為明顯，地鐵聯絡通道次之，地鐵主隧道又次之。同時，采用凍結法后各部位彎矩的降幅約60%，明顯大于軸力降幅(平均約10%)。凍結狀態下交叉部位的彎矩值僅為非凍結狀態的40%，結構的受力性能明顯改善，施工風險大大降低。

3)相較于常規施工，凍結法施工的各項結構應力值均有所減小，其中降幅最大的第一主應力下降達20%。同時，凍土帷幕對地鐵聯絡通道襯砌的應力改善作用明顯大于對地鐵主隧道和交叉部位的應力改善作用。

4)地鐵工程的地鐵聯絡通道開挖應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構變形。同時做好施工準備和施工組織，加強施工數據監測、反饋與分析，嚴格控制開挖步距，襯砌及時封閉成環，以此確保施工安全。