人工地层冻结法地铁联络通道安全性研究

裴浩翔

摘 要：人工地层冻结法广泛应用于地铁联络通道开挖中，该工法能提高冻结管附近围岩的强度，形成一个密封的冻结帷幕，起到开挖支护和隔断地下水的作用。本文以杭州地铁育三区间为工程背景，采用数值模拟方法对联络通道的冻结帷幕进行强度校核，根据数值计算结果，得到冻结帷幕强度整体上满足工程开挖支护要求。值得注意的是，拱顶处冻结帷幕强度安全系数较低，在施工过程中应重点关注。本文提出的方法对今后冻结法在地铁联络通道或相关类似工程中应用具有一定的参考价值。

关键词：联络通道;人工地层冻结法;冻结帷幕;强度校核

中图分类号：TU231文献标识码：A

人工地层冻结法具有强度高，隔水性好，无污染，施工方便，地层可还原等优点，被广泛应用于煤矿，隧道建设中。在城市地鐵工程中，人工地层冻结法广泛用于联络通道的开挖。国内学者对联络通道的冻结施工技术进行了大量研究，[1-5]提出了很多具有实践指导意义的方法。冻结管的布置形式，盐水循环温度对冻结法的温度场有很大的影响，[6-7]针对冻结法的研究主要是地层温度场及位移场的分布，[8-10]通过现场监测获得的数据，结合理论分析、数值模拟等手段评估冻结效果，[11-12]冻结效果的评价主要依据实测的冻结帷幕的平均温度。

联络通道是软土地层中地铁盾构区间施工控制的重点，联络通道的开挖会引起地表沉降及地下水的流动。利用人工地层冻结法可以有效控制地表沉降及地下水流动，减少安全事故的发生。前人做了不少有关冻结温度场及冻胀融沉变形的研究，无论是现场实测、模型试验，还是数值计算均取得了不少成果。本文结合杭州地铁育三区间联络通道复杂粉质粘土地层特征，采用人工冻结法对联络通道进行地层加固，在积极冻结45天后，对冻结帷幕的强度进行校核，确保联络通道开挖施工安全。

1 工程概况

育三区间位于杭州市西湖区古墩路上。除地面桥梁接坡处地形略有起伏外，现场地势较平坦，地面标高3.35～4.97m。上、下行线出育英路站后采用V字坡进入三墩站，最大纵坡为24‰，最小纵坡为5‰。区间隧道埋深为6.3m-17.6m。沿线两侧分布有各种民用商业建筑，以多层建筑物、高层建筑为主，且距离区间轴线净距较小。育三区间设置一个联络通道兼泵站合建，其上行线里程：SDK34+707.500，下行线里程：XDK35+148.411。通道处左右区间中心间距为13米。本区段联络通道处的土层主要为：①人工填土。②淤泥质土。③粉质粘土。④砂质粘土等。联络通道采用人工冻结法加固地层、矿山暗挖法施工以确保施工安全，联络通道冻结设计图见图1。

Fig1 The design of the connected tunnel using artificial ground freezing method

联络通道位于古墩路下方，周边地下埋设有各类管线，因此联络通道开挖引起的地层沉降必须控制在许可的范围内，联络通道及泵站处管线详情见表1：

2 冻结帷幕的强度校核

基于设计要求的冻结帷幕平均厚度，采用二维荷载-结构模型对冻结帷幕实施安全校核，分析采用Ansys有限元软件。采用梁单元模拟冻结帷幕，其中梁单元的高度参数设置为冻结帷幕厚度，弹性模量和泊松比分别为粉质粘土形成冻土的弹性模量和泊松比，弹性模量为236.0 MPa，泊松比为0.21，梁单元构成的轮廓为冻结帷幕轮廓线加上冻结帷幕厚度的一半;采用地层弹簧模拟冻结帷幕周边的弹性抗力，通过设置地层弹性抗力系数进行模拟，本地层弹性抗力系数为28.0 MN/m3。粉质粘土冻结帷幕的抗拉、抗压和剪切强度指标分别为1.57MPa，8.46MPa，[13]1.71MPa。[14]数值分析模型见图2。

考虑最不利的工况组合进行校核，这种工况组合的冻结帷幕厚度假设为设计冻结帷幕厚度2m，且埋深为10.9m，计算截面为左右线区间隧道的中心截面。该工况主要包含顶部的砂土和粉质粘土，冻土主要位于粉质粘土当中。冻结帷幕承受的地层荷载主要有顶部竖向土压力、侧向土压力及底部地层反力。顶部冻结帷幕竖向土压力为：

p1=∑ni=1γihi+20（1）

式中，γi为顶部各层土的容重，hi为不同土质的地层厚度，20kPa为地面超载;人工填土的重度为17.5kN/m3，厚度为35m;淤泥质土重度为17.4kN/m3，厚度为1.6m;粉质粘土重度为18kN/m3，厚度为1.7m;砂土的重度γ1为18.7kN/m3，厚度为0.8m，砂质粘性土重度为18.6kN/m3，厚度为3.3m。侧向土压力q= K0 p1，粉质粘土侧压力系数K0为0.40;冻土帷幕底部土压力可近似为p2= p1+πγ2H2，其中，粉质粘土冻结帷幕的重度γ2为20.0kN/m3，厚度H2为冻结帷幕厚度2m。通过计算，获得冻土帷幕的荷载如图2所示。

Fig2 The loading figure

将图2所示的荷载，施加在二维荷载-结构模型中，通过有限元分析，可得到冻结帷幕的弯矩、轴力和剪力分布如图3所示：

Fig3 The internal force of the frozen area

依据所获得的冻结帷幕弯矩、轴力和剪力，可计算出冻结帷幕的正应力和剪应力。其中正应力为：

其中，W=b×h2/6，A=b×h，b为冻结帷幕宽度，平面问题取为1.0m;h为设计冻结帷幕厚度2m。冻结帷幕应力计算结果见表2。

由表2可见，冻结帷幕的最大拉应力，最大压应力，最大剪应力分别小于冻土的容许拉应力1.57MPa，容许压应力846MPa，容许剪应力1.71MPa，这说明，冻结帷幕厚度满足强度设计要求。数值计算得到的压应力和剪应力远小于容许压应力和容许剪应力。最大拉应力发生在冻结帷幕的拱顶位置，略小于容许拉应力，存在一定的安全隐患，强度安全系数较低。因此在冻结施工过程中，应对冻结帷幕拱顶位置进行局部加强。在冻结设计时，可以在拱顶处增加布置两根冻结管，从而增加拱顶冻结帷幕厚度，增加截面模量，减小截面应力。同时在施工过程中，应做好现场监控量测工作，对联络通道地表沉降，径向收敛位移，拱顶位移实施监测。

3 结论

根据冻结帷幕的二维荷载-结构模型，在最不利荷载组合条件下，通过数值计算，获得了冻结帷幕的内力，将冻结帷幕视为矩形截面梁，通过不同轴力与弯矩的组合形式，计算得到其最大拉应力、最大压应力和最大剪应力。通过与砂质粘土冻结帷幕抗拉、抗压和抗剪强度指标进行对比，表明冻结帷幕整体上满足强度安全要求。值得注意的是，拱顶处冻结帷幕强度安全系數较低，在冻结施工过程中，应对拱顶处最大拉应力发生的位置进行局部加强。

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