李海峰

軟土地層淺埋暗挖通道凍結(jié)法施工數(shù)值模擬

李海峰

摘 要：結(jié)合天津地鐵2號線2號出入口通道工程，介紹了在天津含水軟土地層條件下，采用凍結(jié)法的淺埋暗挖施工技術(shù)。應(yīng)用有限元軟件ANSYS，對施工進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，施工過程中洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，凍結(jié)法淺埋暗挖施工方法可行，并可實現(xiàn)洞內(nèi)施工安全和地面沉降的控制要求，解決了明挖施工對城市交通的干擾。

關(guān)鍵詞：隧道工程；軟土；淺埋暗挖；凍結(jié)法；數(shù)值模擬

李海峰：中國鐵建十三局集團有限公司，高級工程師，天津 300300

在沿海地區(qū)，地下水位線多位于地下1 m左右，地下75 m范圍內(nèi)的地層主要由濱?！獪\海相的黏性土與砂性土組成，尤其是40 m以內(nèi)以飽和軟弱黏性土為主，在這種軟弱地層中的淺埋暗挖隧道施工存在的問題較多，面臨的風(fēng)險較大。同時，由于經(jīng)濟性、地層的復(fù)雜多變以及特殊的環(huán)境條件，在未來一個相當(dāng)長時期內(nèi)，對地層有較強適應(yīng)性和高度靈活性的淺埋暗挖法仍會在城市地鐵隧道中得到不斷完善使用。凍結(jié)法對地層的適應(yīng)性較強，凍結(jié)加固面強度和形狀可靈活選擇，作為一種成熟的施工方法，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)和煤礦建設(shè)中。

1　工程概況

天津地鐵2號線津赤路站是天津市地鐵快速路網(wǎng)工程，車站全長206.1 m，全部位于直線上，共設(shè)3個出入口，2座風(fēng)道設(shè)在主體結(jié)構(gòu)兩端的南側(cè)，1、3號出入口設(shè)在衛(wèi)國道南側(cè)人行道與車站主體之間。2號出入口設(shè)在衛(wèi)國道北側(cè)，出入口通道橫向正交穿越衛(wèi)國道。2號出入口通道為矩形結(jié)構(gòu)，埋深淺，所處地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂層，土質(zhì)不均，多呈層狀或互層狀，結(jié)構(gòu)外緣距北塘排污河約5 m。明挖法施工中不可避免對城市交通、生產(chǎn)和生活產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，淺埋暗挖法修建則必須對地層進(jìn)行加固后方可施工，施工難度較大。綜合考慮各種因素，2號出入口通道采用暗挖凍結(jié)法施工。

2　凍結(jié)法施工

在國內(nèi)城市地鐵建設(shè)中，凍結(jié)法施工工藝在上海、北京、深圳等城市被廣泛應(yīng)用于聯(lián)絡(luò)通道或盾構(gòu)端頭井地層加固等部位。凍結(jié)法加固地層能否成功，與凍結(jié)施工參數(shù)的選擇以及凍結(jié)機組是否能夠保證連續(xù)正常運轉(zhuǎn)相關(guān)。在聯(lián)絡(luò)通道地層凍結(jié)加固中，如果凍結(jié)壁(凍土帷幕)與聯(lián)絡(luò)通道洞口周圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)凍結(jié)不好，會引起凍結(jié)壁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間漏水；如果凍結(jié)壁承載力不足，或凍結(jié)壁厚度和溫度沒有達(dá)到設(shè)計要求，在打開洞門時會引起凍結(jié)壁嚴(yán)重變形甚至破壞，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。

2.1凍結(jié)法施工方案設(shè)計

在衛(wèi)國道兩側(cè)設(shè)凍結(jié)工作坑，工作坑斷面尺寸為7.1 m×15 m，將2號出入口通道從中間分成2段，使用2臺鉆機對凍結(jié)孔南、北兩側(cè)同時鉆進(jìn)施工。首先進(jìn)行南側(cè)通道凍結(jié)，北側(cè)通道凍結(jié)滯后南側(cè)15天開始凍結(jié)。南、北橫通道均一次凍結(jié)全長，最大凍結(jié)長度為45 m。2號出入口通道施工步序如圖1所示。

2.2凍結(jié)壁計算

假定凍結(jié)壁為整塊板塊承受水土壓力，凍結(jié)壁厚度的計算公式為：

式（1）中，h為凍結(jié)壁厚度，m；k為安全系數(shù)，取2.0；β為系數(shù)，取1.2；P為凍結(jié)壁承受的水土壓力，MPa；D為開挖直徑，m；σ為凍結(jié)壁的抗拉強度，MPa。

將有關(guān)參數(shù)代入式（1）可得到凍結(jié)壁厚度為：

2.3凍結(jié)孔布置與凍結(jié)壁形成預(yù)計

凍結(jié)孔布置和凍結(jié)壁形成預(yù)計如圖2、3所示。凍結(jié)孔沿通道呈放射狀鉆進(jìn)，通道凍結(jié)孔開孔位置間距見圖2，開孔角度錐度為7‰～8‰。根據(jù)粉黏土凍結(jié)壁的擴展速度，向內(nèi)為20 mm/天，向外18 mm/天，相鄰2凍結(jié)孔之間為28 mm/天，設(shè)計凍結(jié)壁最遲交圈時間為33天。

圖1　2號出入口通道凍結(jié)施工步序

圖2　凍結(jié)孔布置圖 （單位：mm）

圖3　凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)形成圖 (單位：mm)

2.4凍結(jié)施工流程

凍結(jié)施工工藝流程如圖4所示。

3　施工模擬計算分析

采用ANSYS10.0大型有限元計算程序，對淺埋暗挖凍結(jié)法施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為減少邊界約束效應(yīng)，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離不小于4倍洞跨徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按不小于4倍隧道高度考慮。隧道埋深按4.7 m，整個計算模型尺寸為60 m ×30 m，計算模型如圖5所示。土體和加固區(qū)采用plane42單元模擬，支撐采用beam3單元模擬。支撐、加固區(qū)布置和開挖步序同圖1。

3.1計算參數(shù)選取

3.1.1地層計算參數(shù)選取

地層計算參數(shù)按表1選取，所有地層均滿足M-C屈服準(zhǔn)則。

3.1.2支護(hù)和凍結(jié)壁計算參數(shù)選取

初期支護(hù)及臨時支護(hù)為C20混凝土噴層，支護(hù)和凍結(jié)壁的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

3.1.3開挖方案及施工荷載釋放系數(shù)

計算中，開挖施工步序按設(shè)計情況考慮。對于上臺階施工，當(dāng)開挖荷載釋放35%時，施作拱部初期支護(hù)；在下臺階施工過程中，當(dāng)開挖荷載釋放40%時，施作下部初期支護(hù)。

3.2計算結(jié)果

3.2.1位移計算結(jié)果

各施工步序地層豎向位移如圖6所示，水平位移如圖7所示。由圖6、7可見，最大豎向位移為7.5 mm，最大水平位移為9.5 mm，最大水平收斂為15.7 mm。凍結(jié)后周邊地層位移較小，因此洞室相對穩(wěn)定。

圖4　凍結(jié)施工流程圖

圖5　有限元計算模型

表1　地層物理力學(xué)指標(biāo)

表2　計算參數(shù)

圖6　各施工步序豎向位移計算結(jié)果 （單位：mm）

圖7　各施工步序水平位移計算結(jié)果 （單位：mm）

圖8　各施工步序彎矩計算結(jié)果 （單位：N·m）

圖9　各施工步序軸力計算結(jié)果 （單位：N）

3.2.2內(nèi)力計算結(jié)果

各施工步序下初期支護(hù)的彎矩及軸力如圖8、9所示，由圖8、9可見，彎矩最大值為116.65 kN·m，最大彎矩處軸力值為185.39 kN。經(jīng)驗算，滿足以30 cm厚的C20噴射混凝土、工I16鋼架作為初期支護(hù)的強度要求。

3.2.3地表沉降計算結(jié)果

各施工步序下地表沉降曲線如圖10，其最大地表沉降為7.53 mm。參照上海市對城市隧道施工的相關(guān)規(guī)定，暗挖隧道施工過程中，地表最大沉降值不應(yīng)超過30 mm，以此可見施工過程中地表沉降滿足要求。

圖10　地表沉降曲線

4　結(jié)束語

天津地鐵2號線津赤路站2號通道采用淺埋暗挖凍結(jié)法施工，通過對凍結(jié)過程的嚴(yán)格控制，達(dá)到了設(shè)計要求，為天津地區(qū)目前較為成功的凍結(jié)加固方案。凍結(jié)法工藝可有效隔絕地下水，其抗?jié)B性能好，適用于含水量高、土質(zhì)松散、不穩(wěn)定的地層，凍結(jié)壁的形狀和強度可根據(jù)施工及地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍結(jié)結(jié)束后不影響地下結(jié)構(gòu)。在凍結(jié)施工過程中應(yīng)避免凍結(jié)系統(tǒng)停機以保證凍結(jié)的連續(xù)性并加強施工監(jiān)測，才能使施工安全得到有效的保障。

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責(zé)任編輯 朱開明

Numerical Simulation of Shallow Buried Tunneling Frozen Method for Construction in Soft Soil Layer

Li Haifeng

Abstract:Taking into consideration of entrance and exit No. 2 construction project on Tianjin metro line 2, the paper introduces the freezing method under the condition of aqueous soft soil layer in Tianjin by adopting the shallow buried tunneling construction technology. By using the finite element software ANSYS, numerical simulation analysis is made on the construction. The results show that the structure is stabile in the cavern construction process, and the freezing method for shallow buried tunneling is feasible, and it can meet the requirement of the construction safety and surface settlement control, and eliminate interruption of open cut construction to the urban surface traffi c.

Keywords:tunnel engineering, soft soil, shallow buried tunneling, freezing method, numerical simulation

收稿日期2014-11-10

中圖分類號：U455.49