软土地层浅埋暗挖通道冻结法施工数值模拟

李海峰

软土地层浅埋暗挖通道冻结法施工数值模拟

李海峰

摘 要：结合天津地铁2号线2号出入口通道工程，介绍了在天津含水软土地层条件下，采用冻结法的浅埋暗挖施工技术。应用有限元软件ANSYS，对施工进行了数值模拟分析。结果表明，施工过程中洞室结构稳定，冻结法浅埋暗挖施工方法可行，并可实现洞内施工安全和地面沉降的控制要求，解决了明挖施工对城市交通的干扰。

关键词：隧道工程；软土；浅埋暗挖；冻结法；数值模拟

李海峰：中国铁建十三局集团有限公司，高级工程师，天津 300300

在沿海地区，地下水位线多位于地下1 m左右，地下75 m范围内的地层主要由滨海—浅海相的黏性土与砂性土组成，尤其是40 m以内以饱和软弱黏性土为主，在这种软弱地层中的浅埋暗挖隧道施工存在的问题较多，面临的风险较大。同时，由于经济性、地层的复杂多变以及特殊的环境条件，在未来一个相当长时期内，对地层有较强适应性和高度灵活性的浅埋暗挖法仍会在城市地铁隧道中得到不断完善使用。冻结法对地层的适应性较强，冻结加固面强度和形状可灵活选择，作为一种成熟的施工方法，在国内外被广泛应用于城市建设和煤矿建设中。

1　工程概况

天津地铁2号线津赤路站是天津市地铁快速路网工程，车站全长206.1 m，全部位于直线上，共设3个出入口，2座风道设在主体结构两端的南侧，1、3号出入口设在卫国道南侧人行道与车站主体之间。2号出入口设在卫国道北侧，出入口通道横向正交穿越卫国道。2号出入口通道为矩形结构，埋深浅，所处地层主要为粉质黏土、粉土、粉细砂层，土质不均，多呈层状或互层状，结构外缘距北塘排污河约5 m。明挖法施工中不可避免对城市交通、生产和生活产生严重干扰，浅埋暗挖法修建则必须对地层进行加固后方可施工，施工难度较大。综合考虑各种因素，2号出入口通道采用暗挖冻结法施工。

2　冻结法施工

在国内城市地铁建设中，冻结法施工工艺在上海、北京、深圳等城市被广泛应用于联络通道或盾构端头井地层加固等部位。冻结法加固地层能否成功，与冻结施工参数的选择以及冻结机组是否能够保证连续正常运转相关。在联络通道地层冻结加固中，如果冻结壁(冻土帷幕)与联络通道洞口周围围护结构冻结不好，会引起冻结壁与围护结构之间漏水；如果冻结壁承载力不足，或冻结壁厚度和温度没有达到设计要求，在打开洞门时会引起冻结壁严重变形甚至破坏，严重威胁结构安全。

2.1冻结法施工方案设计

在卫国道两侧设冻结工作坑，工作坑断面尺寸为7.1 m×15 m，将2号出入口通道从中间分成2段，使用2台钻机对冻结孔南、北两侧同时钻进施工。首先进行南侧通道冻结，北侧通道冻结滞后南侧15天开始冻结。南、北横通道均一次冻结全长，最大冻结长度为45 m。2号出入口通道施工步序如图1所示。

2.2冻结壁计算

假定冻结壁为整块板块承受水土压力，冻结壁厚度的计算公式为：

式（1）中，h为冻结壁厚度，m；k为安全系数，取2.0；β为系数，取1.2；P为冻结壁承受的水土压力，MPa；D为开挖直径，m；σ为冻结壁的抗拉强度，MPa。

将有关参数代入式（1）可得到冻结壁厚度为：

2.3冻结孔布置与冻结壁形成预计

冻结孔布置和冻结壁形成预计如图2、3所示。冻结孔沿通道呈放射状钻进，通道冻结孔开孔位置间距见图2，开孔角度锥度为7‰～8‰。根据粉黏土冻结壁的扩展速度，向内为20 mm/天，向外18 mm/天，相邻2冻结孔之间为28 mm/天，设计冻结壁最迟交圈时间为33天。

图1　2号出入口通道冻结施工步序

图2　冻结孔布置图 （单位：mm）

图3　冻结壁结构形成图 (单位：mm)

2.4冻结施工流程

冻结施工工艺流程如图4所示。

3　施工模拟计算分析

采用ANSYS10.0大型有限元计算程序，对浅埋暗挖冻结法施工进行数值模拟分析。为减少边界约束效应，计算范围按左右边界距隧道中心线距离不小于4倍洞跨径考虑，底部边界距隧道底部的距离按不小于4倍隧道高度考虑。隧道埋深按4.7 m，整个计算模型尺寸为60 m ×30 m，计算模型如图5所示。土体和加固区采用plane42单元模拟，支撑采用beam3单元模拟。支撑、加固区布置和开挖步序同图1。

3.1计算参数选取

3.1.1地层计算参数选取

地层计算参数按表1选取，所有地层均满足M-C屈服准则。

3.1.2支护和冻结壁计算参数选取

初期支护及临时支护为C20混凝土喷层，支护和冻结壁的物理力学指标见表2。

3.1.3开挖方案及施工荷载释放系数

计算中，开挖施工步序按设计情况考虑。对于上台阶施工，当开挖荷载释放35%时，施作拱部初期支护；在下台阶施工过程中，当开挖荷载释放40%时，施作下部初期支护。

3.2计算结果

3.2.1位移计算结果

各施工步序地层竖向位移如图6所示，水平位移如图7所示。由图6、7可见，最大竖向位移为7.5 mm，最大水平位移为9.5 mm，最大水平收敛为15.7 mm。冻结后周边地层位移较小，因此洞室相对稳定。

图4　冻结施工流程图

图5　有限元计算模型

表1　地层物理力学指标

表2　计算参数

图6　各施工步序竖向位移计算结果 （单位：mm）

图7　各施工步序水平位移计算结果 （单位：mm）

图8　各施工步序弯矩计算结果 （单位：N·m）

图9　各施工步序轴力计算结果 （单位：N）

3.2.2内力计算结果

各施工步序下初期支护的弯矩及轴力如图8、9所示，由图8、9可见，弯矩最大值为116.65 kN·m，最大弯矩处轴力值为185.39 kN。经验算，满足以30 cm厚的C20喷射混凝土、工I16钢架作为初期支护的强度要求。

3.2.3地表沉降计算结果

各施工步序下地表沉降曲线如图10，其最大地表沉降为7.53 mm。参照上海市对城市隧道施工的相关规定，暗挖隧道施工过程中，地表最大沉降值不应超过30 mm，以此可见施工过程中地表沉降满足要求。

图10　地表沉降曲线

4　结束语

天津地铁2号线津赤路站2号通道采用浅埋暗挖冻结法施工，通过对冻结过程的严格控制，达到了设计要求，为天津地区目前较为成功的冻结加固方案。冻结法工艺可有效隔绝地下水，其抗渗性能好，适用于含水量高、土质松散、不稳定的地层，冻结壁的形状和强度可根据施工及地质条件灵活布置和调整，冻结结束后不影响地下结构。在冻结施工过程中应避免冻结系统停机以保证冻结的连续性并加强施工监测，才能使施工安全得到有效的保障。

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责任编辑 朱开明

Numerical Simulation of Shallow Buried Tunneling Frozen Method for Construction in Soft Soil Layer

Li Haifeng

Abstract:Taking into consideration of entrance and exit No. 2 construction project on Tianjin metro line 2, the paper introduces the freezing method under the condition of aqueous soft soil layer in Tianjin by adopting the shallow buried tunneling construction technology. By using the finite element software ANSYS, numerical simulation analysis is made on the construction. The results show that the structure is stabile in the cavern construction process, and the freezing method for shallow buried tunneling is feasible, and it can meet the requirement of the construction safety and surface settlement control, and eliminate interruption of open cut construction to the urban surface traffi c.

Keywords:tunnel engineering, soft soil, shallow buried tunneling, freezing method, numerical simulation

收稿日期2014-11-10

中图分类号：U455.49