地铁联络通道冻结法施工有限元分析★

霍永鹏 伍 旺 张生权 郑鹏飞 晏启祥

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东 深圳 518083)

0 引言

长度超过600 m的地铁左右线隧道之间需要设置联络通道，用以满足运营通风、事故疏散、消防救援等运营防灾需要[1]。由于地铁联络通道与主隧道形成的交叉结构刚度差异较大，应力集中的交叉部位成为受力薄弱环节，在建设过程中存在涌水、突泥、塌方等施工风险。冻结法是用化学制冷物质产生低温盐水，并通过不断循环使得目标土体形成冻结帷幕结构，以此来加固地层并确保安全。由于具有强度高、防渗性强、地层适应性好等优点[4]，冻结法在地铁联络通道施工中得到广泛应用。

对于采用冻结法修建地铁联络通道，国内外学者针对其施工力学特性做了大量研究。张志强等[2]用ANSYS模拟研究了采用冻结法修建地铁主隧道和联络通道的施工力学行为，但未考虑土体相变过程中的热力耦合响应特性。陈沙等[3]采用FLAC3D三维热力耦合模型研究了冻胀作用下的结构受力，但未对冻结与非冻结两种工况进行横向比较。王晖等[4]研究了冻胀力之下的隧道受力，但由于采用三维实体单元模拟管片，只列出应力值而未能求解出弯矩、轴力、剪力等内力值，研究成果难以在实际工程设计中得到直接应用。吴文涛等[5]在数值模拟过程中采用了D-P屈服准则，得到了各施工步骤对应的结构内力，但未将地铁联络通道、交叉部位、主隧道区分开来进行讨论与比较。

从上述研究可以发现，目前国内外学者主要按冻结法施工步序进行模型数据监测，且单独分析冻结状态下的力学行为，将冻结与非冻结两种工况进行横向直观比较的研究尚未发现。对于力学研究对象，则大多限于交叉部位，将地铁联络通道、交叉部位、主隧道区分开来进行独立分析的研究很少。因此，本文通过建立ABAQUS温度场模型来研究冻土帷幕发展过程，在此基础上又借助MIDAS模型对地铁联络通道进行32次开挖。此外，本文横向比较冻结与非冻结两种工况，并对地铁联络通道、交叉部位、主隧道三类部位进行独立分析，得出的施工力学特性可为类似工程提供参考。

1 工程概况

成都地铁10号线双流西站—空港二站区间全长8 232.584 m，隧道顶部埋深在8.1 m～41.8 m之间，穿越地层主要以砂卵石、强(中)风化泥岩为主。其中1号联络通道位于区间里程YDK11+444.000处，埋深为20.7 m，所处地层为中密卵石土层，上方地面为成都双流机场停机坪。联络通道施工拟采用“隧道内水平冻结加固土体，隧道内暗挖构筑”的全隧道内施工方案。即先用冻结管将联络通道外围土体冷冻为高强度冻土帷幕，再用矿山法开挖地铁联络通道。

2 数值模型

2.1 室内冻土试验

土体的热物理参数在冻结过程中存在较大变化，为提高模拟结果的准确性，由室内冻土试验[6]和相关地质资料确定土体物理参数(见表1)。

表1 围岩及支护计算参数

2.2 冻结模型

土体的冻结过程包括冰水相变、潜热释放和水分迁移等，是一个复杂的三维、时变和相变物理力学问题。如图1所示，为确定冻土帷幕的发展范围，根据冻结管实际布置方式建立三维热—力耦合模型，并通过3个监测面对冻结期温度场的分布规律进行研究。三维热—力耦合模型的控制微分方程由式(1)和式(2)联合得到：

(1)

其中，qv为单位体积的材料在相变过程放出或吸收的热量,J/m3；λ为导热系数,W/(m·℃)；ρ为密度,kg/m3；c为比热,J/(kg·℃)；t为温度,℃。

(2)

其中，α为热膨胀系数，本文取0.018 ℃-1；Δt为温度变化值，℃。

ABAQUS数值模型的整体尺寸为30 m×40 m×20 m(见图2)，设置为各相同性弹性体，其外边界采用绝热边界。土体和冻结管均采用C3D8RT单元(温度—位移耦合单元)，土体及隧道衬砌的物理力学参数见表2。

表2 冻土帷幕范围 m

冻结帷幕扩展过程如图2所示，随着冻结时间的推移，冻结管周围土体的温度逐渐下降，冻土范围不断向外扩展并在第15天开始交圈，35 d时完成交圈，45 d时冻结壁最薄弱处的平均厚度达到2.36 m，超过冻结壁的设计厚度。图2为冻结发展过程的示意图，表2为冻结完成后的冻土帷幕范围。

2.3 开挖模型

为便于横向比较冻结法施工与常规施工，用MIDAS-GTS建立30 m×40 m×20 m的分步开挖模型(见图3)。土体采用摩尔—库仑本构模型，混凝土采用线弹性模型，各物理力学参数仍按表1确定。冻土帷幕的几何形状尺寸由温度场模型求解结果(如表2所示)确定，联络通道埋深为20.7 m，开挖宽度为3.5 m，混凝土衬砌厚度为0.3 m，沿其轴线方向划分为32个循环进尺，采用施工阶段助手模拟地铁联络通道开挖过程。

3 隧道结构变形与内力分析

3.1 隧道结构变形

地铁联络通道施工后，由主隧道与联络通道共同组成受横、纵向内力控制作用的受力复杂的空间交叉结构[7]，且交叉部位结构的受力特点明显不同于其他部位。因此，本文选取图4所示的三个部位(地铁联络通道、主隧道、交叉部位)，基于地层—结构模型进行力学行为研究。

图4a)为地铁联络通道的拱顶沉降值，地铁联络通道拱顶沉降值实测最大为5.33 mm。数值模拟值在整体上与现场实测值的变化趋势一致，最大沉降模拟值为6.43 mm，未超过警戒值，数值模拟结果合理。

表3结构变形情况，从表3可以看出：由常规施工改为冻结法施工后，地铁联络通道和交叉部位的竖直方向和水平方向的收敛值明显减小。

表3 结构变形

3.2 隧道结构内力

表4为冻结与非冻结两种工况下结构的内力值，以及由常规施工转为冻结施工后结构内力的下降幅度。从表4可以看出，由常规施工转为冻结施工后，结构内力值在总体上大幅减小。此外，不同部位内力值的降幅差异明显：交叉部位的降幅最大，地铁联络通道次之，主隧道内力降幅最小。值得一提的是，交叉部位的弯矩值大幅下降，冻结状态仅为非冻结状态的40%左右，结构安全性大大提升，施工风险大大降低。同时，不同类型内力的降幅也不尽相同，总体上看弯矩降幅明显大于轴力降幅。考虑到混凝土是一种抗压强度远高于抗拉强度的脆性材料，冻结法施工明显改善了结构的受力性能。

3.3 隧道结构应力

不同工况下的结构应力值如图5所示，相较于常温施工，冻结法施工时结构的各类应力值都有所减小。然而，不同类型的应力的降低幅度不同，第一主应力的降幅最大，主隧道、联络通道、交叉部位的降幅分别为23.15%，22.97%，20.36%，第一主应力降幅均大于20%。同时，地铁联络通道的第三主应力、最大剪应力、Mises应力的降幅(11.72%，17.76%，12.75%)远远大于主隧道(8.19%，4.73%，6.16%)和交叉部位(0.01%，2.47%，6.37%)。由此可见，相较于其他部位，冻结法对地铁联络通道应力的改善作用更大。

表4 隧道内力

4 结论与建议

本文以成都地铁10号线某隧道区间地铁联络通道人工冻土工程为例，采用三维温度场模型和分步开挖模型的方法，对结构受力特性进行了研究，得到了以下结论：

1)由常规施工方案改为冻结法施工方案后，衬砌结构的竖直方向收敛值减小5 mm左右，而水平方向收敛值无明显变化。相较于地铁主隧道，冻土帷幕对地铁联络通道和交叉部位的控制作用更强。

2)在结构内力方面，冻结法对交叉部位受力性能的改善作用最为明显，地铁联络通道次之，地铁主隧道又次之。同时，采用冻结法后各部位弯矩的降幅约60%，明显大于轴力降幅(平均约10%)。冻结状态下交叉部位的弯矩值仅为非冻结状态的40%，结构的受力性能明显改善，施工风险大大降低。

3)相较于常规施工，冻结法施工的各项结构应力值均有所减小，其中降幅最大的第一主应力下降达20%。同时，冻土帷幕对地铁联络通道衬砌的应力改善作用明显大于对地铁主隧道和交叉部位的应力改善作用。

4)地铁工程的地铁联络通道开挖应采取合理的地层加固措施，冻土帷幕在砂卵石地层中能够很好地控制地表沉降和结构变形。同时做好施工准备和施工组织，加强施工数据监测、反馈与分析，严格控制开挖步距，衬砌及时封闭成环，以此确保施工安全。