下穿运营地铁车站的区间隧道冻结暗挖施工数值模拟

林 济

上海市机械施工集团有限公司 上海 200070

在有限的地下空间中，新建建筑如何在不破坏既有建筑结构的前提下完成施工成为了一项新的挑战。传统的大开挖法虽然施工简便，但在建筑结构及周边环境条件日益复杂的今天，已经不能满足所有工况的施工要求。冻结加固矿山暗挖技术能在不破坏既有建筑上部结构的情况下，对既有建筑地下结构部分进行处理，既能保护既有建筑的安全，又能为新建建筑的施工提供条件，是一种在软土地区解决地下施工障碍的新技术。

目前，国内外对冻结加固矿山暗挖技术的研究主要集中在冻结壁的设计分析、支护结构计算、温度场作用下冻胀融沉的验算等方向[1-3]，对开挖施工过程的模拟较少。本文采用MIDAS/GTS软件对上海轨道交通18号线区间下穿运营中轨道交通10号线国权路站的冻结暗挖施工进行全过程数值模拟，研究施工全过程中暗挖土体的位移变化规律。

1 工程概况

上海轨道交通18号线国权路站—复旦大学站区间隧道下穿运营中的轨道交通10号线国权路站，区间与车站底板最小竖向净距2 m。轨道交通10号线国权路站围护结构为地下连续墙，盾构难以穿越，设计采用水平冻结法对国权路车站底板下土体进行加固，然后采用矿山法暗挖，凿除原有10号线地下连续墙，并形成一次支护，盾构从支护体内穿越，如图1所示。

图1 上海轨道交通18号线区间与国权路车站位置示意

本工程冻结暗挖段基本概况如下：

1）暗挖隧道直径为7.3 m，上、下行线隧道净间距为6.84 m，暗挖隧道覆土厚度为18.4 m。

2）冻结壁设计厚度为2 m，冻结温度为-10 ℃，冻结壁长度38 m。

3）开挖长度为36 m，单次开挖进尺1 m，分左上、左下、右上、右下4块依次开挖，单次开挖半圆形土体，每开挖1 m即施工一榀环形钢拱架及临时支撑。

4）环形支护钢拱架为HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢，临时支撑的主要支撑为20a#（200 mm×100 mm×7 mm）工字钢，次要支撑为10#（100 mm×63 mm×4.5 mm）工字钢（图2）。

图2 冻结暗挖断面

2 工程地质情况

根据上海轨道交通18号线一期工程详勘阶段国权路站的岩土工程勘察报告，工程地层参数如表1所示。

表1 地层参数

3 数值计算模型

3.1 数值模拟假设及参数设定

本文采用MIDAS/GTS软件对冻结暗挖施工进行数值模拟，对土体和冻结体做以下几点假设：

1）根据地勘报告，冻结暗挖隧道所处地层变化平缓，土层厚度较为均匀，故假定土层厚度均匀。

2）矿山暗挖法开挖的影响范围为单侧15 m。

3）冻结施工完成后冻结壁为-10 ℃的等温体，且各处厚度皆等于2 m。

4）假设冻结壁所包围的被开挖土体同样为-10 ℃的等温体，强度等于冻土。

5）假设冻土与未冻土均为弹塑性体，采用摩尔-库仑本构模型及实体单元模拟。

环形支护钢拱架以及临时钢支撑均为弹性体，通过弹性本构及梁单元进行模拟，其各自物理力学参数取值如表2所示。

表2 力学参数取值

3.2 开挖影响范围研究

取水平方向影响范围为3倍开挖宽度，竖直方向影响范围为5倍开挖深度，建立的模型长（x方向）85.44 m、宽（y方向）38.00 m，深度方向（z方向）为60.00 m，长度与深度均较大。

数值计算中，地表为自由边界条件；模型前后边界的y方向位移限制为零，x及z方向自由；模型左右两侧边界的x方向位移限制为零，y及z方向自由；模型底部边界的x、y、z方向位移限制为零，其他方向自由。

先模拟左上土体开挖，开挖进尺取0.5 m，共模拟6次开挖进尺，开挖长度为3 m，研究开挖引起的周边土体位移影响范围，计算结果如图3所示。

图3 土体位移等值线图

由图3可看出，最外侧等值线以外的土体位移很小，可忽略不计，所以取左上土体开挖的x方向影响范围为开挖直径的1.5～2.0倍，z方向影响范围为开挖高度的3～4倍。左上开挖直径7.3 m，开挖高度3.65 m，则取影响范围为15 m。

据此，重新建立模型，模型长（x方向）51.44 m、宽（y方向）38 m，深（z方向）为50 m。模型节点总数为21 100个，单元总数为41 198个，模型如图4所示。

图4 计算模型

初次建立的模型完成单次开挖模拟耗时0.5～1.0 h，总计算时长约5 h，时间非常长；新建模型单次开挖模拟时间大大缩短，为5～10 min。由此看出，开挖影响范围的选择非常重要，合适的尺寸可以在保证计算精度及可靠性的基础上加快计算速度。

3.3 开挖进尺研究

设计给定的开挖进尺为1 m，本文以左侧隧道开挖为例，对1、2、3 m的开挖进尺分别进行模拟，研究不同开挖进尺对冻结壁收敛的影响，计算结果如图5～图7所示。

图5 开挖进尺为1 m时z方向位移云图

图6 开挖进尺为2 m时z方向位移云图

从图5～图7可知，开挖进尺分别为1、2、3 m时，冻土壁顶部最大下沉量分别为-7.5、-18.7、-32.4 mm，底部最大抬起量分别为3.7、7.9、11.9 mm。随着开挖进尺的增大，冻土壁的收敛变形也随之增大。在设计文件中，设计要求冻土壁的收敛报警值为±20 mm。根据本文的数值模拟，开挖进尺为2 m时，冻土壁收敛变形已逼近报警值。所以，为了保证施工安全，防止偶然因素发生，设计要求开挖进尺不超过1 m。

图7 开挖进尺为3 m时z方向位移云图

4 开挖过程模拟

4.1 开挖工况

根据实际开挖顺序，对上、下行线开挖区域进行编号，均各自分为6个区域，如图8所示，开挖顺序如图9所示。

图8 开挖区域编号示意

图9 开挖顺序

开挖长度36 m，单次开挖进尺1 m，则根据开挖顺序对所有的被开挖土体分别进行了编号，按照y方向排序，分别为左上1～36、左下1～36、右上1～36、右下1～36。

4.2 多工况连续计算分析

采用多工况连续计算的方法对开挖过程进行模拟。先模拟左上1～7土体开挖过程，图10、图11为左上1和左上7的计算结果。

图10 左上1开挖z方向位移云图

图11 左上7开挖z方向位移云图

将左上1～7土体开挖结果进行整理，并对后续工况进行了预测，结果如图12、图13所示。

图12 左上开挖1～7最大隆起量及预测曲线

图13 左上开挖1～7最大沉降量及预测曲线

根据计算结果可知，沉降隆起量会随着开挖的逐步进行而逐渐增大，且呈现不可控趋势，而在实际施工中，左、右隧道累积竖向位移均小于±10 mm，累积收敛变形均小于±5 mm，因此多工况连续计算的方法与实际不符。这是由于在多工况连续计算中，位移和应力是逐次累加的，上一工况的位移和应力将作为下一工况的初始应力和位移状态。冻土作为一种较硬的介质，性状类似硬岩，局部冻土体的开挖所导致的应力重分布是一个缓慢而持续的过程，应力释放并不会在瞬间传递到未开挖的土体上，而有限元计算软件中的施工阶段是通过瞬时“杀死”被开挖土体单元来实现对开挖土体的模拟，这种矛盾导致了如下的结果——随着开挖步序的进行，位移及收敛逐渐增大，又进一步叠加至下一步的工况中。所以除第一步开挖工况外，后续工况的计算结果不能反映实际工况及位移变形。这种多工况连续计算的模拟方式较为适合基坑开挖的模拟，不适用于冻结加固后的矿山法暗挖施工模拟。

4.3 修正计算分析

针对上面的问题，在开挖进尺较小的情况下，在每个开挖工况模拟前均对初始应力状态进行修正，将初始位移归零，抵消前序工况位移及应力对本次工况的叠加影响。表3和图14为采用修正计算方法的计算结果与现场实测数据对比。从表3和图14可知，模拟计算的位移变化趋势与实际基本吻合，能够反映施工过程中暗挖土体的位移变化规律。

同时，对于左上及右上土体的开挖，土体隆起的主要位置为开挖土体正下方未开挖土体顶部的两侧，隆起的极值为8.5～31.8 mm；土体沉降的主要位置为前方开挖面的上部，沉降的极值为-6.2～-2.1 mm，如图15所示。

对于左下及右下土体的开挖，土体隆起的主要位置为前方开挖面未开挖土体顶部的两侧，隆起极值为9.0～10.3 mm；土体沉降的主要位置为前方稍远处未开挖土体的左右两侧，沉降极值为-1.2～-0.2 mm，如图16所示。

表3 计算结果与实测数据对比

图14 最大沉降量对比

图15 上部土体开挖z方向 位移云图

图16 下部土体开挖z方向位移云图

从计算结果来看，在进行上半部分开挖时，底部未开挖土体的隆起量较大，在施工中应加强监测。

5 结语

1）冻结暗挖计算的水平方向影响范围可取开挖直径的1.5～2.0倍，竖直方向影响范围可取开挖高度的3～4倍。

2）多工况连续计算的模拟方式不适用于冻结加固矿山法暗挖施工模拟，应在每一步开挖工况模拟前对初始应力状态进行修正。

3）本工程单次开挖的最大进尺不得超过1 m。

4）进行上半部分开挖时，底部未开挖土体的隆起量较大，为防止对竖向支撑产生影响，应在施工中加强监测。

[1] 武亚军,杨建波,李大勇.隧道联络通道及泵站冻结法施工数值分析 [J].土木工程学报,2011(增刊2):144-147.

[2] 武亚军,李大勇,杨敏.冻结法隧道施工数值仿真模拟[J].岩石力学 与工程学报,2005,24(增刊2):5851-5856.

[3] 李海峰.软土地层浅埋暗挖通道冻结法施工数值模拟[J].现代城市 轨道交通,2015(2):38-41.