某越江隧道超深联络通道冻结工程的数值模拟分析

高书豹，夏阳，曹小为

(中国矿业大学力学与建筑工程学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)

武汉地铁二号线越江圆隧道段采用盾构法施工。两条隧道之间的联络通道均位于长江底下，采用水平冻结法加固，矿山法开挖施工。其中3#联络通道设置在隧道的最低点，和隧道排水泵站结合建设，即建设联络通道和泵站结合的结构形式。江底砂性土层中的水平冻结法带泵房的联络通道施工，在国内尚属首次，在国外也属于新技术[1-2]。在江底设置带泵房的联络通道，由于其结构复杂、施工环境多变使得设计与施工变得非常困难。在高承压水砂性土层施工中，可能发生水砂突涌和地层沉降甚至江水涌入，工程风险极大。为保证施工安全，必须对处在江底的带泵房的联络通道冻结工程的设计与施工开展研究。通过ANSYS数值模拟软件对3#联络通道进行冻结帷幕分析计算，保证冻结施工的安全性。

ANSYS融结构、热、流体、电磁、声学分析于一体，能进行多物理场耦合分析，具有极为出色的计算精度、可靠性和稳定性。能够进行非线性(几何非线性、材料非线性、单元非线性、边界非线性)和热-结构耦合等方面的数值分析模拟[3]。目前应用ANSYS对联络通道冻结温度场的进行计算验证，取得了良好的效果。

由于联络通道和隧道的排水泵站合并建设，造成冻结工程设计的结构复杂，造成冻结设计和施工难度增大，为保证施工的安全，必须对冻结设计进行安全性验算。

1 工程概述

1.1 工程概况

武汉轨道交通二号线一期工程江汉路站～积玉桥站越江区间隧道，区间长3 092 m，净直径4 500 mm，采用盾构法施工。为了满足区间防灾和排水的要求，区间内共设置五条联络通道。其中3#联络通道线间距13.0 m，联络通道位置隧道中心标高左线为-23.486 m，右线为-23.737 m，江底标高为-6.000～3.900 m，长江武汉段历史最高水位29.73 m，历史最低水位8.87 m。3#联络通道由与隧道钢管片相连的喇叭口、水平通道构成及泵站构成。通道的开挖轮廓高约为7.63 m，宽约为3.8 m，联络通道开挖区标高范围为-21.186 m～-28.816 m。具体尺寸见图1、图2。设计采用水平冻结法加固地层、采用矿山暗挖法施工以确保施工安全，施工过程中做好必要的保护措施，加强监测，以减轻对周围地面环境的影响。

图1 3#联络通道结构立面图

图2 3#联络通道结构剖面图

1.2 工程难点

拟建场地的地下水类型主要为上层滞水和层间承压水。上层滞水主要赋存于人工填土层中，地下水位不连续，无统一的自由水面，水量不丰，与地铁隧道关系不大;承压水主要赋存于第四系全新统冲积粉细砂中，与粉砂、粉土和粉质粘土互层构成统一含水层，顶板埋深20.5～22.5 m，承压水头较高，承压水头一般为10.96～13.24 m，水量丰富。

联络通道位于长江下，埋深达50 m，施工地压较大。施工位置所处的土层为粉细砂层，孔隙水压力大，与长江水有直接水力联系，施工中容易出现突水、涌泥的现象，施工风险较高。施工区域位于含砾中砂层、中风化泥质砂岩中，对钻孔影响较大，容易发生钻进困难，成孔质量差。土层中可能含有瓦斯气体，施工时需要采取预防措施，防止瓦斯事故发生。结构截面为变截面，给钢筋、模板等的施工增加了难度。

1.3 冻结帷幕参数

(1)冻结帷幕平均温度设计为-10℃，相应的冻土强度的设计指标(-10℃)为：抗压3.5 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa。此指标可根据实际试验结果再进行优化。

(2)在与管片胶合处冻结帷幕平均温度为-5℃。

(3)联络通道及泵站工程的冻结帷幕厚度设计为3.1 m。

(4)积极冻结期盐水温度为-28℃以下。

(5)联络通道设计积极冻结时间约为45 d达到设计加固效果后，方可进行开挖工作。

(6)维护冻结期盐水温度为-25～-28℃，维护冻结时间为达到设计加固效果后至主体结构施工完成。

2 冻结帷幕受力的数值计算

2.1 计算参数

联络通道外围冻土帷幕有效厚度为3.1 m，冻土帷幕平均温度为不大于-10℃。

参照中国矿业大学《江底联络通道及泵房冻土物理、力学性质试验成果统计表》设计取-10℃冻土的弹性模量和泊松比分别为300 MPa和0.3，粉细砂冻土强度指标取值为：抗压7.1 MPa，抗拉4.9 MPa，抗剪2.0 MPa，中粗砂冻土强度指标取值为：抗压6.61 MPa，抗拉3.65 MPa，抗剪2.74 MPa。

冻土壁承载力验算采用许用应力法，强度检验安全系数取：抗压2.0，抗拉3.0，抗剪2.0。

冻土帷幕顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土压力静止侧压力系数取0.7计算，土的平均重度取18.5 kN/m3[4]。

2.2 水平通道和喇叭口冻土帷幕承载力验算

喇叭口和水平通道冻土帷幕力学分析采用均质线弹性平面应变模型(见图3、图4)。其力学特性参数取冻土帷幕平均温度下的冻土力学特性值[4-5]。

图3 通道冻土帷幕有限元计算模型

图4 联络通道有限元模型荷载分布

3#联络通道覆土厚度22.036 m，长江最高水位至江底约33.4 m，设计冻结壁厚度3.1 m，该通道下部有泵站，冻结帷幕呈倒锥形限制了底板的变形，通道主要处于含砾中粗砂中，底部处在中风化泥质粉砂岩中。

用有限元法进行冻土帷幕的受力分析与变形计算[6]，计算结果见图5。从计算结果可以看出，底板变形被限制后应力明显减小，最危险点出现在顶拱和直墙的连接处，计算的应力值小于强度值，满足设计安全系数的要求，冻土帷幕的总体承载能力可以满足施工要求(见表1)。

通过以上计算，说明冻结壁强度和变形满足设计要求。

通过有限元计算，通道部分和泵房部分的冻结壁强度和位移均满足《联络通道冻结法技术规程》，设计采用的冻结帷幕厚度安全可靠。

3 结论

通过ANSYS数值模拟软件对武汉地铁二号线越江隧道3#联络通道冻结工程进行的分析研究可知：

(1)冻土顶板与侧墙连接处存在最大压应力，冻土底板与侧墙连接处存在最大拉应力，最大剪应力，顶板中间位置存在最大位移处。

图5 有限元计算结果

表1 联络通道冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数

(2)冻结壁的强度和刚度均满足设计要求，冻结帷幕设计安全可靠。

(3)可以采用ANSYS模拟软件和理论计算相结合的方法，对冻结帷幕进行验算。

[1] 蔡炜，岳广学.地铁工程联络通道与废水泵房合并施工对隧道变形的影响[J].北京交通大学学报，2009，34(4)：123-126.

[2] 禇衍坡，朱邦永，张颖君，等.冻结法在越江隧道修复工程中的应用[J].隧道建设，2010，30(5)：596-599.

[3] 龚曙光.ANSYS参数化变成与命令手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] DG/TJ08-902-2006.旁通道冻结法技术规程[S].

[5] 刘训华.复杂地层越江隧道联络通道冻结施工风险分析[J].现代城市轨道交通，2011(5)：43-46.

[6] 刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].4版.北京：高等教育出版社，2003.