某地鐵工程長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法加固設(shè)計(jì)與有限元分析*

王 祥 陳發(fā)達(dá) 徐文勝 覃亞偉， 吳賢國(guó) 馮宗寶

(1. 貴陽市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司， 550091， 貴陽； 2. 武漢華中科大檢測(cè)科技有限公司， 430074，武漢;3. 華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 430074， 武漢∥第一作者， 高級(jí)工程師)

凍結(jié)法加固土體的施工方法的主要作用是解決松軟土層的封水加固問題，目前在地鐵施工中得到廣泛應(yīng)用。如何保證凍土壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是目前凍結(jié)法施工中亟待解決的問題。

國(guó)內(nèi)外對(duì)凍結(jié)法加固土體的理論及其施工方法的研究較多，如對(duì)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)的三維模擬分析。文獻(xiàn)[1]對(duì)復(fù)雜條件下的凍土帷幕進(jìn)行了數(shù)值分析，指出帷幕中的最薄弱位置，驗(yàn)證了凍結(jié)帷幕的厚度安全性。文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)闡述了聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法施工期間，地層凍脹和融沉防治、凍土帷幕質(zhì)量控制及開挖和構(gòu)筑等關(guān)鍵工序的施工技術(shù)。文獻(xiàn)[3]從數(shù)值分析的角度對(duì)凍土帷幕的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析和安全評(píng)價(jià),詳細(xì)研究了凍土帷幕的應(yīng)力與位移分布情況。文獻(xiàn)[4]利用有限元方法分析了地鐵聯(lián)絡(luò)通道在采用凍結(jié)法的情況下凍土壁的承載能力。文獻(xiàn)[5]基于信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚黏土層中采用凍結(jié)法施工的煤礦井井筒外壁的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度等的安全監(jiān)測(cè)。

目前，研究工作主要集中在對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的仿真模擬這一層面，而針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道在水平凍結(jié)加固的方法下地層凍脹對(duì)凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性問題的研究在國(guó)內(nèi)外還較少，缺乏對(duì)凍結(jié)聯(lián)絡(luò)通道從設(shè)計(jì)到施工全過程的系統(tǒng)性研究。本文以武漢軌道交通機(jī)場(chǎng)線(以下簡(jiǎn)稱“機(jī)場(chǎng)線”)盤龍城站—宏圖大道站區(qū)間下穿武漢地鐵3號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“3號(hào)線”)處設(shè)置的聯(lián)絡(luò)通道為工程背景，對(duì)水平凍結(jié)法加固土體進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際情況，確定土體中的各類參數(shù)取值；利用COMSOL Multiphysics有限元軟件對(duì)鉆孔兩端產(chǎn)生的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析；采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限元方法對(duì)凍結(jié)壁的厚度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，提出合理的施工方案，為該工程的實(shí)際施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

機(jī)場(chǎng)線盤龍城站—宏圖大道站區(qū)間下穿府河，是該線路最長(zhǎng)、最深、最復(fù)雜的區(qū)間隧道。該隧道分布在地鐵線兩側(cè)，其聯(lián)絡(luò)通道同機(jī)場(chǎng)線和3號(hào)線區(qū)間隧道并行。

機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道主要位于粉質(zhì)黏土夾粉土、粉細(xì)砂層中，采用凍結(jié)法進(jìn)行土體加固。在場(chǎng)區(qū)最大勘探深度范圍內(nèi)，通過鉆探資料、原位測(cè)試及土工試驗(yàn)的成果分析，上部為填土層，下部主要為黏性土、黏性土夾碎石。機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道土層性質(zhì)如表1所示。

表1 機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道土體參數(shù)取值

2 聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)加固設(shè)計(jì)和分析

2.1 聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

2.1.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

綜合考慮凍結(jié)孔的布置形式、施工難度及凍結(jié)效果，以及冷凍站的布置，采用從機(jī)場(chǎng)線區(qū)間隧道的兩側(cè)對(duì)稱布置凍結(jié)孔(均采用主孔的布局方式)，兩側(cè)區(qū)間隧道內(nèi)各布置1個(gè)冷凍站。

參考2號(hào)線和上海相關(guān)凍土試驗(yàn)資料，凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)取為：軸心抗壓強(qiáng)度為3.5 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa，抗剪強(qiáng)度為1.5 MPa(-10 ℃)。該聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)時(shí)間約為45 d。開挖區(qū)域外的凍結(jié)孔、循環(huán)凍結(jié)壁和隧道段溫度不高于-5 ℃，其他部分設(shè)計(jì)的凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃。凍結(jié)壁厚度一般取2.2 m，喇叭口處取1.9 m。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔為154個(gè)(左、右線隧道內(nèi)各布置77個(gè)凍結(jié)孔)。

2.1.2 冷凍機(jī)的選擇

凍結(jié)需冷量Q的計(jì)算公式為：

Q=1.3 πdHK

式中:

H——凍結(jié)管道的全長(zhǎng)；

d——冷凍管道的直徑；

K——冷凍管道的散熱系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，Q為15.7×104kJ/h,故在區(qū)間隧道左、右兩側(cè)各選用JYSLGF300III型冷凍機(jī)。

2.1.3 凍結(jié)系統(tǒng)的輔助設(shè)備

在機(jī)場(chǎng)線左、右兩條線路中布置2臺(tái)IS200-150-315型鹽水泵，用來給凍結(jié)孔加灌鹽水。該鹽水泵流量為420 m3/h，電機(jī)的功率為55 kW。在機(jī)場(chǎng)線左、右兩條線路中另布置2臺(tái)10SH-19型鹽水泵，用來重復(fù)利用管道的冷卻水。該鹽水泵流量為360 m3/h，電機(jī)的功率為30 kW。選用NBL-100型冷卻塔1臺(tái)。

2.2 長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)通道溫度場(chǎng)分析

2.2.1 聯(lián)絡(luò)通道有限元模型的建立

COMSOL Multiphysics軟件的精確、快速的計(jì)算性能以及強(qiáng)大的分析能力，可以實(shí)現(xiàn)繁雜物理場(chǎng)高精度的數(shù)值模擬[6]。其基本步驟如下：初步建立幾何模型→定義物理參數(shù)→劃分有限元網(wǎng)格并進(jìn)行求解→對(duì)模型進(jìn)行可視化后處理。

凍結(jié)管的間距不同會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)帶來不同的影響規(guī)律，其需按照工期和凍結(jié)要求計(jì)算。本文凍結(jié)管的間距為500 mm。采用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行建模時(shí)，必須根據(jù)凍結(jié)孔實(shí)際開孔位置、測(cè)斜資料確定計(jì)算深度處的凍結(jié)孔、測(cè)溫孔相對(duì)于聯(lián)絡(luò)通道中心點(diǎn)的距離和方位。為了準(zhǔn)確分析整個(gè)溫度場(chǎng)的全貌，本文選取了圖1所示的A、B兩個(gè)控制截面，計(jì)算該截面上的凍結(jié)壁厚度和平均溫度。其中，A截面在左線隧道與聯(lián)絡(luò)通道交界面(喇叭口)處，B截面在聯(lián)絡(luò)通道的中部。圖1中聯(lián)絡(luò)通道A-A截面的有限元模型網(wǎng)格劃分見圖2。

本工程未進(jìn)行土體的熱物理參數(shù)測(cè)試，系根據(jù)武漢市相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)選取，見表2。根據(jù)測(cè)溫資料，土體的原始地溫取16 ℃，結(jié)冰溫度取-1 ℃。

表2 聯(lián)絡(luò)通道土體熱物理參數(shù)

2.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

提取凍結(jié)45 d后機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道A-A和B-B截面處的溫度場(chǎng)云圖和凍土帷幕形狀，見圖3—圖4。

由圖3—圖4可見，A-A截面凍結(jié)壁的有效厚度為2.0 m，且在有效厚度內(nèi)凍結(jié)壁的平均溫度為-14.2 ℃；B-B截面凍結(jié)壁的有效厚度為2.5 m，且在有效厚度內(nèi)凍結(jié)壁平均溫度為-13.2 ℃。由此可見，在未考慮凍結(jié)孔偏斜的情況下，A-A、B-B兩個(gè)控制截面上的凍結(jié)壁厚度和平均溫度在凍結(jié)45 d時(shí)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

根據(jù)提供的聯(lián)絡(luò)通道的初步位置和地質(zhì)資料，隧道中心埋深取-24.34 m。

2.3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解

由計(jì)算結(jié)果可見，聯(lián)絡(luò)通道直墻底部出現(xiàn)的最大彎距為-0.8×103kN·m，其拱腳處出現(xiàn)的最大軸力為-0.85×103kN。

凍土強(qiáng)度以凍土平均溫度為-10 ℃時(shí)的黏土強(qiáng)度為準(zhǔn)(即σ壓(壓應(yīng)力)=3.5 MPa、σ拉(拉應(yīng)力)=1.8 MPa)。當(dāng)凍結(jié)壁厚度為2.2 m時(shí)，最危險(xiǎn)截面的σ壓為1.38 MPa，安全系數(shù)為2.5；σ拉為0.6 MPa，安全系數(shù)為3.0。由此可見，凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。

2.3.2 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

聯(lián)絡(luò)通道側(cè)向受到的水平向土壓P取0.013H0MPa(H0為埋深，以m計(jì)),其拱部受到的豎向均布荷載和梯形荷載分別為0.30 MPa和(0.30+0.013H0)MPa，其底部受到的豎向荷載為0.344 MPa。凍土的彈性模量為300 MPa,泊松比為0.23，體積質(zhì)量為1 890 kg/m3。模型下部按固定邊界處理。

基于模型結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性，取其一半為研究對(duì)象，建立凍結(jié)壁有限元模型，見圖5。

凍結(jié)壁的等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布見圖6。由圖6可見，凍結(jié)壁的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近立柱支座右側(cè)角點(diǎn)處，拱頂?shù)撞恳嗍堑刃?yīng)力較大的區(qū)域；凍結(jié)壁的最大拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力)出現(xiàn)在靠近立柱支座左側(cè)角點(diǎn)處；凍結(jié)壁的最大壓應(yīng)力(第三主應(yīng)力)出現(xiàn)在靠近立柱支座右側(cè)角點(diǎn)處，拱頂?shù)撞恳嗍堑刃?yīng)力較大的區(qū)域。

凍土強(qiáng)度以凍土平均溫度為-10 ℃時(shí)的黏土強(qiáng)度(σ壓=3.5 MPa、σ拉=1.8 MPa)為準(zhǔn)。最危險(xiǎn)截面處凍土的σ壓為1.56 MPa，安全系數(shù)2.2；凍土的σ拉為0.63 MPa，安全系數(shù)為2.9。由此可見，凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。

3 聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工技術(shù)

3.1 水平凍結(jié)孔施工

在左、右線隧道對(duì)稱布置凍結(jié)孔，兩側(cè)凍結(jié)孔均為主孔，這縮短了單根凍結(jié)管的長(zhǎng)度，減小了凍結(jié)孔的偏斜，使得施工速度加快，克服了長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)法施工速度慢、偏斜不易控制的難題。

凍結(jié)孔的施工順序?yàn)椋憾ㄎ?、開孔→孔口管的安裝→孔口安裝設(shè)備→打孔→測(cè)量→封閉孔端部→打壓試驗(yàn)。

3.2 鉆孔防偏技術(shù)

運(yùn)用防偏移技術(shù)，可以為凍結(jié)孔的施工帶來便利：

1) 為了施工時(shí)凍結(jié)孔的方向易于檢測(cè)和校正，可以預(yù)先設(shè)置定位孔，并將其布置在隧道兩側(cè)。

2) 在進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)，需確定各個(gè)預(yù)設(shè)門洞的具體位置。在兩側(cè)通道的中心線偏離未超過200 mm的情況下，不需對(duì)凍結(jié)孔的位置予以相應(yīng)的調(diào)整。

3) 在工程初始階段，需注意地層掘進(jìn)中的參數(shù)波動(dòng)。若發(fā)現(xiàn)水文地質(zhì)條件出現(xiàn)了非正常情況，則需依照實(shí)際情況進(jìn)行施工應(yīng)對(duì)。

4) 冷凍管是保證工程質(zhì)量的重要一環(huán)，不僅需要保證冷凍管材料的質(zhì)量，還要確保冷凍管以直線的形式進(jìn)入土層。在施工中，應(yīng)采用堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、性質(zhì)良好的工作平臺(tái)。

5) 為了保證冷凍管的順直，必須確定好位于孔口段的冷凍管位置，而且還要在施工的開始階段多次檢測(cè)冷凍管的方位，使得偏差不會(huì)影響到工程的安全進(jìn)行。

6) 需注意冷凍管連接時(shí)的同心度和冷凍管的順直這兩個(gè)方面。

3.3 水平凍結(jié)法施工

1) 凍結(jié)站布置和設(shè)備安裝。凍結(jié)站的覆蓋面積約120 m2，站內(nèi)的設(shè)備主要有冷凍機(jī)、鹽水箱、鹽水泵、箱式變電站、水泵及冷卻塔等。這些設(shè)備的具體安裝方法可以參考相應(yīng)設(shè)備的使用說明書。

2) 管路連接。管路采用法蘭連接。為了保證隧道通行順暢，將隧道內(nèi)的鹽水管架設(shè)在坡道上。集配液管與凍結(jié)管之間采用高壓膠管來連接。將位于聯(lián)絡(luò)通道四周的凍結(jié)管每2個(gè)串聯(lián)為1組，其他凍結(jié)管則是每3～4個(gè)串聯(lián)成1組，最后將這些管道與集配液管相連。

3) 溶解CaCl2，對(duì)制冷設(shè)備充氟、加油。該工程使用的鹽水相對(duì)體積質(zhì)量是1.26，將整個(gè)凍結(jié)系統(tǒng)管道裝滿水，在鹽水箱內(nèi)裝一半水，將CaCl2加入到鹽水箱中進(jìn)行分解，打開鹽水泵使水一直溶解CaCl2，直到溶液的質(zhì)量濃度滿足要求。對(duì)制冷設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè)和N2清洗，確保系統(tǒng)無泄漏，然后對(duì)該設(shè)備抽真空后充氟及添加燃油。

4) 積極凍結(jié)。本工程設(shè)計(jì)的冷凍時(shí)間約為一個(gè)半月。特別是冷凍孔的單孔流量要超過5 m3/h；經(jīng)過1周的積極凍結(jié)使鹽水溫度低于-18 ℃；經(jīng)過半個(gè)月的積極凍結(jié)使鹽水溫度低于-24 ℃；工程初始階段鹽水溫度需低于-28 ℃。在鹽水溫度和鹽水流量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，需相應(yīng)延長(zhǎng)積極冷凍時(shí)間。圖7為鹽水預(yù)計(jì)溫度隨時(shí)間變化曲線。

4 結(jié)語

1) 通過有限元軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)線聯(lián)絡(luò)通道溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，在未考慮凍結(jié)孔偏斜的情況下，A-A、B-B兩個(gè)控制截面上的凍結(jié)壁厚度和平均溫度在凍結(jié)45 d時(shí)均滿足設(shè)計(jì)要求。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了凍結(jié)工藝設(shè)計(jì)的合理性，并能較好地指導(dǎo)各環(huán)節(jié)的施工工藝。

2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算得出，凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。經(jīng)過仿真分析證明凍土帷幕和凍結(jié)工藝設(shè)計(jì)合理，并能指導(dǎo)和調(diào)整各環(huán)節(jié)的施工工藝。

3) 在左、右線隧道對(duì)稱布置凍結(jié)孔，兩側(cè)凍結(jié)孔均為主孔，縮短了單根凍結(jié)管的長(zhǎng)度，減小了凍結(jié)孔的偏斜，加快了施工進(jìn)度。鉆孔時(shí)應(yīng)采用防偏技術(shù)，可使溫度場(chǎng)得到有效控制，以取得良好的凍結(jié)效果。