盾构横通道冻结法施工数值模拟及现场应用研究

郭正伟

（中铁建南方建设投资有限公司 广东深圳 518000）

1 引言

为确保地下铁路在运营期间的安全，常在区间隧道之间设置一条横通道，在高温气候地区，横通道常用地面旋喷桩加固。而在地质松软地区，横通道常用冷冻法加固［1-6］。近些年，随着冷冻施工技术不断成熟，横通道的开凿多采用冻结法施工来加固通道周围的土体。冻结法属于一种物理加固方法，其成本比其他施工方法相对较小，隔水性好，噪声小、对周边环境无污染、周围建筑无影响、对冻结深度和范围也都没有过多的限制，因此近几年在地下工程中的应用愈来愈广泛，尤其是在土质较松软的含水地层施工中具有无可取代性［7-13］。

本文以珠机城际横琴隧道3#井～金融岛站区间横通道为例，结合冻结法设计及施工工艺，采用理论计算、数值模拟及监控量测等方法，对冻结帷幕的应力应变特性、开挖造成隧道周围管片应力的重新分布等情况进行深入研究。

2 工程概况

珠机城际横琴隧道3#井～金融岛站区间共设3个横通道，其中左线DK8+680.523（右线YDK8+723.674）设置为4#横通道（无泵房）。

4#横通道为圆拱结构，最大净宽3.1 m，通道最大净高3.25m。横通道的衬砌为双层复合衬砌：初衬为钢拱架和C25P6喷射混凝土结构，厚度250 mm；二次衬砌为C50P10钢筋防水混凝土结构，初衬和二衬之间设一道防水层。

4#横通道所处的地层主要为粉质黏土层，部分区域为淤泥、中砂和全风化岩层，所处位置为马骝洲水道下方，含水丰富，地层渗透系数大，拟采用冻结法加固地层，台阶法施工，辅助工法采用掌子面预注浆。以保证施工安全和减少对地面环境的影响。横通道结构如图1和图2所示。

图1 3#井～金融岛站区间4#横通道结构

图2 4#横通道横加固横断面图

图中，3#井～金融岛站区间4#横通道采用冻结法进行帷幕加固，洞身范围采用注浆预加固土体，图中阴影部分为冷冻加固区域。

3 冻结法加固设计及冻结效果分析

3.1 设计要求

（1）冻结帷幕设计参数

①冻结帷幕厚度为2.5 m。

②冻结壁平均温度不高于-10℃，与管片交界处冻结帷幕平均温度不高于-5℃。

③冻结壁抗压强度为5 MPa，抗拉强度为1.8 MPa，抗剪强度为1.5 MPa（-10℃），满足施工要求。

（2）冻结孔布置要求

冻结孔布置在隧道左右线两侧。4#横通道共布置冻结孔63个，冻结孔总长度605.875 m；其中横通道地板线以下设置单侧冻结孔，地板线以上设置透孔，冻结孔的布置如图3所示。

图3 冻结法开孔位置（左线隧道）

（3）测温孔布置要求

4#横通道共布置测温孔10个，主要用于测量冻结帷幕范围的温度变化，其具体布置如图3所示。

（4）卸压孔布置

在冻结帷幕封闭区域内布置4个卸压孔，左、右线各2个，如图3所示。

（5）横通道开挖时应具备条件

①冻结帷幕的平均温度和厚度均达到设计值；

②已安装正线隧道内支撑和防护门；

③在两隧道管片上冻结壁内侧设泄压孔或打探孔、泄压孔和探孔无水、流出；

④冻结设备运转正常并有备用设备；

⑤其他所需材料、设备已经准备就绪。

3.2 冻结效果分析

冻结效果从冻结帷幕厚度的确定、冻土平均温度及探孔情况三个方面分析。

（1）冻结帷幕厚度

测温孔C2～BC12内各设有3～6个测点。冻土发展速度是通过监测测温孔温度变化所求得，各测温孔从正式开始记录温度到降至零度的数据如表1所示。

表1 各测点冻土发展速度

通过对表1中数据分析，取冻土的最慢发展速度为保守取值，即BC7，以最慢发展速度V＝25.5 mm／d按62 d外圈冻土发展半径r＝1 580 mm。按冻结发展半径为1 580 mm作图，得到冻结62 d冻结帷幕发展图，如图4所示。

图4 4#横通道冻结帷幕模拟图

（2）冻土平均温度及冻结帷幕与管片交界面平均温度

①冻土平均温度根据公式法计算

式中，t为冻土平均温度（℃）；tb为盐水温度；l为最大孔间距；E为冻土厚度（取冻土最薄弱处厚度）；tB为井帮温度。

代入监测数据通过计算得到：冻土平均温度为t＝-13.1℃，满足设计要求。

②冻结帷幕与管片交界面平均温度

根据 C2、C3、BC2、BC4、BC5、BC7、BC8、BC10冻结62 d第三个点测温数据得知，冻结帷幕与管片交界面平均温度均在-8℃以下，满足设计要求。

（3）打设探孔及探孔温度测量

在开挖面内打设3个探孔，经过测温和24 h不间断观察，发现地层稳定，冻结效果良好，无漏水、漏沙现象，满足设计要求。

根据以上分析及相关计算得到：横通道冻结帷幕最薄有效厚度为3.061m，满足设计要求不小于2.5m；平均冻土温度-13.1℃，满足平均温度-10℃的设计要求；维护冻结盐水温度-29.3℃（≤-28℃），满足设计要求；冻结运转数据均满足冻结参数要求；已冻结设备运转正常且备用设备齐全，满足开挖条件。

4 冻结法施工工艺

（1）冻结孔施工前注浆加固

①水平注浆加固

为了提高开挖过程中掌子面土体的自稳性，在横通道掌子面范围内打设4根超前水平注浆管，进行地层预加固。

②二次注浆加固

横通道加固前应对横通道中线左右各5环管片外侧进行二次补充注浆加固。在管片上预留注浆孔安装逆浆阀，浆液选择单液浆，水灰比1∶1，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。

（2）冻结孔施工（见图5）

图5 冻结孔施工顺序

（3）冻结施工（见图6）

（4）开挖施工与临时支架安装

当测温孔数据、卸压孔压力、打设探孔情况等均满足设计要求时，方可进行开挖施工（见图7）。

图6 冻结施工现场

图7 开挖构筑施工工艺流程

（5）喷射混凝土施工

按设计配合比进行混凝土的搅拌，搅拌后的混凝土满足要求后方可进行混凝土喷射施工。

（6）钢筋加工与安装

钢筋加工严格按照设计图纸进行施工，搭接长度、搭接接头、搭接处受力钢筋截面积以及钢筋与管片的接触部位均应满足设计要求。

（7）模板施工

模板尺寸、模板支撑应根据现场施工情况按设计要求进行选择并保证立完模后牢固可靠。

（8）现浇混凝土施工

混凝土浇筑应尽可能连续，振捣时应均匀，浇筑完后应避免出现气泡、表面泛浆等质量缺陷，混凝土强度达到设计要求后方可拆模。

（9）防水施工

钢管片与支护层的接缝处设置遇水膨胀橡胶条，并埋设注浆管。遇水膨胀橡胶条沿着临时支护断面内侧直接粘到隧道管片上，然后再在管片上安装环绕成圈的注浆管，并将注浆口引出结构层外，最后进行防水板施工。

（10）注浆施工

注浆以少量多次为原则，根据现场情况动态调整，当横通道沉降及隧道变形稳定后停止注浆。

5 冻结法数值模拟分析及现场监测验证

5.1 数值模型构建

以原有的工程地质资料为依托，将工程CAD图导入Rhino软件建模。根据圣维南原理，模型选取的足够大以保证边界基本不受开挖扰动的影响，数值计算模型的范围为：沿隧道轴线方向长度为83 m，高程方向65 m，垂直隧道轴线方向取135 m。采用Kubrix划分网格单元，共划分124 061个单元，包含23 601个节点。模型坐标原点在（0，0，0）点，X轴正方向沿隧道轴线向里，Z轴正方向垂直隧道向上，Y轴正方向垂直隧道轴线向里。

模型上表面为自由面，模型前、后、左、右侧边界施加水平法向约束，模型底面加竖向法向约束。横通道开挖时为监测周围冻土帷幕的变形，分别在Z方向横通道拱顶与拱底位置各设置5个监测点监测拱顶沉降和拱底隆起；X方向即横通道两侧周边方向各设5个监测点，监测横通道周边收敛变形。所以模型建立时也在上述相同位置设置监测点。数值模型如图8所示，横通道的局部断面模型如图9所示。

图8 三维数值计算模型

图9 横通道断面图

5.2 结果分析

冻土帷幕的强度是横通道安全施工的重要保障，因此冻土帷幕必须满足设计强度与变形要求。开挖引起的冻土帷幕应力重新分布和位移情况是检验冻结效果最直观的指标，利用数值模拟得出开挖后横通道的应力与应变，与现场监测值进行对比，得出冻结帷幕的强度和变形特性，进而对施工提供指导与依据。

图10是冻土帷幕Z方向拱顶位移实测值和模拟值的对比图，从图中可以看出，模拟云图显示Z方向冻土上部最大沉降为11.42 mm，现场实测得出的拱顶最大沉降与模拟值基本一致，位移变化趋势基本相同，说明数值模拟结果具有一定的合理性，而且冻土帷幕的整体纵向位移也符合工程的安全性要求。

图10 Z方向拱顶位移模拟值与监测值对比

图11 是冻土帷幕的最大剪应力分布，从图中可以看出最大正剪应力分布在横通道与隧道的接口处，最大剪应力为716.36 kPa，由于拱顶和拱底处经过注浆预加固处理，故剪应力分布较少。剪应力的安全系数为2.14，考虑到所分析工况的极端性，此冻土帷幕完全可以满足安全要求。

图11 冻土帷幕最大剪应力云图

综上所述，数值模拟结果与现场监测数据具有高度的吻合性，说明了数值模拟的合理可行性。拱顶和拱底的剪应力分布较少，说明开挖前对通道内土体预加固能有效改善横通道的受力状态；就冻土帷幕整体变形量和受力情况而言，喇叭口处是整个冻土帷幕最薄弱处，由于喇叭口位于冻土帷幕与管片的交界处，且导热系数较大、散热速度快，因此主隧道管片的散热对附近土体的冻结效果有很大的削弱作用，施工过程中需特别注意。

基于上述数值模拟及现场监测数据的对比分析结果，综合考虑冻结帷幕的应力分布和变形特性以及横通道开挖过程中对隧道管片的影响，得到本工程横通道应用冻结法施工时需注意的问题如下：

（1）本次工程采用盐水循环系统，横通道四周全部冻结。从横通道的一侧隧道内布置冻结管，冻结孔布置完毕之后要及时布置测温孔和卸压孔。

（2）管片破除前需从现场取土在实验室内完成现场土的低温物理学参数的测定工作，确定达到预定强度，方可破除管片。

（3）管片破除后，在土方开挖前要对横通道洞门进行加固，采用超前双排小导管注浆加固。对开口区域管片加固完成后，切割前在开门中心位置沿通道方向探孔，探孔深度2 m。根据小管出水情况及压力变化，判断加固效果，无异常情况方可继续施工。

（4）由于右线先进行始发掘进，因此破除右线管片进行横通道开挖，破除时先破除上部管片，再破除下部管片。等初支完成后再破除左线管片，进而进行二衬施工。

6 结论

（1）采用文中所述的冻结加固方案后，加固效果明显，且满足设计要求。

（2）横通道无论应力还是位移大小，其数值模拟结果和现场监测数据均比较一致，说明了数值模拟的科学性和合理性，一定程度上可代表实际工程的应力和应变规律。

（3）在对横通道开挖前，需对通道内土体进行注浆加固，以便有效改善横通道拱顶及拱底的受力状态。

（4）横通道与主隧道的开口环处容易产生应力集中，施工时应作加固处理。横通道开挖易导致主隧道处于受拉状态，且拉应力多分布在开口环的对侧。

（5）由于管片的散热问题，在冻结时喇叭口处需做好特殊处理，如铺设保温层、采用双排冻结管加强冻结效果。