發布時間：2019-02-25所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:以武漢地鐵機場線盤龍城站宏圖大道站間6#聯絡通道施工為工程背景，針對地鐵機場線隧道與既有線地鐵3號線隧道距離短，相隔僅6m的情況，采用仿真分析，考慮地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況下，研究凍脹對地鐵機場線隧道和上部地鐵3號線隧道的影響。計
摘要:以武漢地鐵機場線盤龍城站—宏圖大道站間6#聯絡通道施工為工程背景，針對地鐵機場線隧道與既有線地鐵3號線隧道距離短，相隔僅6m的情況，采用仿真分析，考慮地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況下，研究凍脹對地鐵機場線隧道和上部地鐵3號線隧道的影響。計算了機場線和3號線隧道的等效應力、三種主應力，分析應力最大值的位置。通過分析結果得知，3號線隧道拉、壓應力均較大，管片承載力非常不利，必須采取泄壓孔泄壓和控制凍土體積等防凍脹措施;提出設置泄壓孔控制凍脹和改變封閉式凍結為開放凍結控制措施;針對減少機場線隧道和6#聯絡通道施工引起其周圍地層變形的問題，提出減少對3號線隧道影響的控制措施。
關鍵詞:聯絡通道,人工凍結加固,既有線,凍脹,變形控制措施
在地鐵初期設計和規劃中，考慮到地鐵運營中的防災救援、隧道排水等方面，通常在兩條單線區間隧道之間設置一條疏散通道，即聯絡通道[1]。而聯絡通道和集水井等附屬設施的存在，與主隧道和周圍土層形成了非常不利的空間受力方式，影響主隧道的穩定。即在聯絡通道的施工中，需要對承載力低、透水性強的軟土和砂土施工區域進行加固，以防止周圍土層環境的影響對聯絡通道施工的風險。
水平凍結法凍結土體是一個冰水相變、凍土體積膨脹、土層中潛在熱量消散、土層中水分不斷遷移的過程，而聯絡通道施工時面臨以上問題，在工程中表現為凍結孔位置傾斜過度、土層被凍結過度、開挖隧道土體發生蠕變或沉降過大等問題，而水分遷移土體凍脹在凍結質量中占比重最大，因此土體凍脹控制研究即控制土體的凍脹應力，以免發生凍土融沉變形大，凍結過程凍結管傾斜甚至損壞，影響加固質量[2]。
一些學者在現有案例下對地鐵聯絡通道凍結加固對既有線的影響和凍結過程土體凍脹問題以及控制有所研究，岳豐田等[3]在整個施工過程對土體溫度和地表變形進行監測，該工程中融沉注漿技術使用效果較好，融沉沉降控制在很小的范圍;季昌等[4]結合監測主隧道豎向變形實例導出實際凍脹率、臨界凍脹率，分析對主隧道變形的影響并采取相應的施工措施;Zhai等[5]模擬聯絡通道開挖過程，對渠道施工過程中的風險進行了研究。
陳沙等[6]通過研究地層在凍結加固時的變形、應力變化，結合過程中凍脹率的增加分析，得到了凍結施工以及開挖過程對主隧道的影響;Yang等[7]提出了一個耦合凍脹溫度和應力場的分析模型，發現了臨界鹽水溫度，在此溫度下地面的凍脹起伏達到最大值;張向東等[8]研究了溫度對粉質粘土變形特性的影響，發現同一偏應力作用下，溫度越低，變形越小，溫度與凍結粉質粘土強度大致呈反余切函數關系;高娟等[9]模擬聯絡通道的開挖以及凍結加固，分析了凍結過程中的土層溫度變化以及土層沉降規律。
截止目前為止，聯絡通道在攪拌加固和水平凍結加固的施工方法下地層凍脹問題對既有線的影響與凍脹問題的控制在國內外研究較少，本文以武漢地鐵機場線穿越3號線聯絡通道施工為工程背景，通過數值仿真分析凍脹融沉對隧道結構的影響，提出凍沉控制的主要措施。
1工程概況
盤龍城站—宏圖大道站區間市機場線工程下穿府河的區間，施工難度極大，機場線聯絡通道位置在其與地鐵3號線并行區間內，并與3號線隧道正交。聯絡通道主要位于淤泥質黏土、粉質粘土夾粉土、粉細砂層中，淤泥質黏土與粉質黏土夾粉土呈灰、褐灰色，飽和，流塑狀態，局部軟塑。具一定搖振反應，屬中偏高壓縮性土。粉細砂呈灰、灰黃色，飽和，稍密～中密狀態，屬中等壓縮性土。聯絡通道和機場線隧道距離上部3號線隧道約6.0m。
從聯絡通道與3號線隧道的施工順序、聯絡通道的加固施工方法、以及與3號線共同設置聯絡通道等方面綜合考慮，隧道的施工順序為3號線、機場線。地鐵機場線聯絡通道施工采用的凍結方法為水平凍結法和攪拌樁共同加固土體。據施工地質以及現場設施人員配備的條件，確定采用“鉆鑿隧道布水平凍結孔，先凍結隧道周圍土體，礦山法開挖隧道施工”的施工方案，即:在要鉆鑿的聯絡通道周圍布設水平孔，使土體凍結加固形成穩定性強的凍土帷幕，最后依據“新奧法”所給的礦山法基本原理進行聯絡通道挖鑿施工。
2凍脹對結構的仿真分析
2.1計算模型和計算參數
眾所周知材料具有熱脹冷縮的性質，在溫度發生變化的情況下體積也會隨之發生改變，產生熱應變。在材料的熱應變受到約束時不能自由發展就會產生熱應力。凍脹土可類比一般材料，其凍脹和一般材料受熱發生應變有著相似的表現，當土層溫度降低時，由于水的凍結體積膨脹，進而影響凍脹土的應變，而凍脹力的產生是凍土膨脹應變被限制所致，只是凍脹與熱應變是溫度變化趨勢不同[10]。
可以用土體熱膨脹率來表示土體的凍脹率，按結構溫度應力的計算方法來進行凍脹模擬。為了分析6#聯絡通道凍結加固對既有線隧道的影響，本文采用ANSYS對聯絡通道周圍土體進行模擬，根據對稱性，建立左側一半的結構模型，模型總尺寸為37.2m×40m×44.34m。三維結構模型中，模型的上邊界為自由邊界，右邊界為對稱邊界(x軸自由度為0)，其余邊界為固定邊界。采用Solid187三維10節點四面體單元劃分網格，共劃分787219個單元。計算考慮地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況。地層加固后的體積膨脹率取0.6%，地層未加固時的體積膨脹率取1.5%。地層加固和地層未加固兩種情況下。
2.2地層未加固情況下凍脹對3號線和機場線的影響分析
(1)在不考慮對隧道進行加固和采取防凍脹措施的情況下，3號線隧道的第一主應力最大值(最大拉應力)為5.9MPa，出現在管片左側腰部的外邊緣，第三主應力最小值(最大壓應力)為7.7MPa，出現在管片左側腰部的內邊緣，計算表明其中最大拉應力超過混凝土管片的最大拉應力值，引起混凝土開裂;
(2)在不考慮對隧道進行加固和采取防凍脹措施的情況下，機場線隧道的第一主應力最大值(最大拉應力)為10.3MPa，第三主應力最小值(最大壓應力)為17.2MPa，拉、壓應力均較大，管片承載力非常不利，必須采取泄壓孔泄壓和控制凍土體積等防凍脹措施。
2.3地層加固情況下凍脹對3號線和機場線的影響評估
(1)在考慮對土層進行攪拌加固的情況下，3號線隧道的第一主應力最大值(最大拉應力)為2.3MPa，出現在管片左側腰部的外邊緣，第三主應力最小值(最大壓應力)為3.1MPa，出現在管片左側腰部的內邊緣，其中凍脹引起的最大拉應力超過混凝土的抗拉強度，需要進行管片加固。
(2)在考慮對土層進行加固的情況下，機場線隧道的第一主應力最大值(最大拉應力)為4.1MPa，第三主應力最小值(最大壓應力)為6.9MPa，其中最大拉應力超過混凝土的抗拉強度由地層在攪拌樁加固和未加固兩種情況下的對比分析可知，對地層進行攪拌加固，除了可以提高土層強度以外，還可以減少土中的含水量、抑制水分遷移，對減少凍脹效應有顯著作用。但是，地層加固后的凍脹效應仍然對3號線隧道和機場線隧道有較大影響，需要采取防凍脹和隧道結構變形措施。
3凍脹控制的主要措施
在各地不同工程情況下，地鐵聯絡通道水平凍結法施工下凍脹融沉控制措施主要有:(1)設置泄壓孔控制凍脹;(2)改變封閉式凍結為開放凍結控制凍脹;(3)設置凍結邊界溫度控制孔控制凍脹;(4)改變土性抑制凍脹融沉。如上措施中適合武漢地鐵機場線和三號線隧道的措施為(1)和(2)，該方法具有造價低、工期短，效果好的特點，在許多工程實例中取得了較好的效果。
(1)設置泄壓孔控制凍脹。設置泄壓孔控制凍脹即在凍土帷幕及附近未凍土中設置泄壓孔，通過注入泥水泄壓消散作用在結構上的凍結附加力。在凍脹引起地層壓縮時，可從泄壓孔排除部分土體，在東京灣隧道川崎人工島和東京外圍排水隧道都采取了設置泄壓孔控制凍脹，目前設置泄壓孔已成為凍結法施工的普遍做法。
(2)改變封閉式凍結為開放凍結控制凍脹。改變封閉式凍結為開放凍結控制脹凍即通過調整部分凍結孔的凍結順序，使部分凍結孔滯后凍結，因此在大部分水平凍結孔凍土交圈時期(凍脹最嚴重的時期約占總凍脹量的50%～60%)，凍脹壓力有一個釋放的通道，有利于避免在全面凍結下聯絡通道形成較大的凍脹壓力。本工程采用此方法，將D16，D17，D23延遲凍結7d，在大部分凍結孔凍土交圈時期，凍脹壓力有釋放的通道。上海明珠二期上體場穿越上海地鐵一號線工程和上海大連路越江隧道聯絡通道都采用此方法。
4控制3號線隧道變形措施
除了6#聯絡通道周圍凍土的凍脹和融沉會對上部的3號線造成影響以外，機場線主隧道在開挖時同樣對既有線3號線以及周圍地層有影響，地層沉降導致圍巖松動，穩定性和封閉性減小，最終影響3號線的應力場和位移場，影響3號線的運營安全。為減少機場線隧道和6#聯絡通道施工對3號線隧道的影響，施工中采取以下措施:
(1)施工區域周圍地層預加固。
工程上常用的預加固方法有超前錨桿、超前小導管、旋噴加固、超前管棚加固、攪拌樁加固等[11]。本工程采用攪拌樁加固，且地層加固范圍應覆蓋整個凍結區域，以減少凍脹效應。攪拌樁加固利用水泥作為固化劑，通過攪拌機的攪拌翼片，在翼片直徑范圍內將軟土和固化劑在地基中充分攪拌，降低其含水量，增加顆粒之間的粘結力和足夠的水穩定性，使軟土固結成具有一定強度和整體性的水泥土樁。攪拌加固后的土體，除了強度提高以外，還會由于含水量的減少而減少土的凍脹、融沉效應。
(2)對3號線隧道結構進行預加固。
由于機場線隧道施工和6#聯絡通道施工對3號線隧道影響大，還需要對3號線隧道采取一些預加固措施。既有盾構隧道結構加強措施通常有采用鋼板加固，工字鋼加固，預應力支架加固，采用鋼管片或者加環氧樹脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片等。由于采用鋼板、工字鋼和預應力支架加固的措施會不可避免地占用3號線內空間從而影響3號線的正常運營，只能采用鋼管片或者加環氧樹脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片對3號線進行預加固。
考慮到加環氧樹脂、鋼板、粘貼碳纖維的混凝土管片的配方和具體制作工藝還需要做專門研究，而鋼管片具有比混凝土管片強度和剛度都大得多，抗變形能力強，凍脹和融沉作用下不易裂開，后期在鋼管片上開孔進行注漿比較便捷等優點，因此采用鋼管片方式對3號線隧道進行加固。
(3)控制凍土的發展范圍。
由于機場線隧道與3號線隧道相隔僅6m，距離比較近，聯絡通道凍結法施工對3號線將造成很大影響。因此在需要保護的結構周圍布置溫度控制孔，根據凍結壁發展情況，及時調整溫度控制孔內的鹽水流量和溫度，以控制凍結帷幕發展、減少凍脹力。
(4)機場線隧道盾構施工時采取微擾動措施。
采用合理設定盾構土倉壓力、高密度監測、優化漿液配比、二次補漿、杜絕盾尾漏漿等各技術措施，減少機場線盾構施工對3號線的影響。
5結論
本文以武漢機場線盤龍城站—宏圖大道站區間下穿3號線6#聯絡通道施工為背景，對此工程采取數值仿真，分析隧道的應力情況，在此基礎上提出相應的控制措施，工程實踐取得了良好效果。具體結論如下:
(1)通過ANSYS構建的三維數值模型，得出地層未攪拌加固時3號線隧道的第一主應力最大值超過了混凝土抗拉強度，將引起混凝土開裂，同時機場線隧道的第一主應力最大為10.3MPa，第三主應力最小值為17.2MPa，拉、壓應力均較大，對管片承載力非常不利;在地層加固時，機場線與3號線隧道的應力均小于地層未加固時的相應應力，但機場線和3號線的第一主應力均大于混凝土的抗拉強度，需采取隧道防凍脹措施。
(2)根據數值仿真分析結果，得出需要采取隧道防凍脹的措施，其中地鐵機場線和3號線隧道采取設置泄壓孔和采用開放凍結法兩種控制凍脹的方法，具有造價低、工期短、效果好的特點。
(3)由于機場線隧道和6#聯絡通道的開挖同樣也會造成3號線隧道的縱向沉降變形，根據3號線隧道所處的位置與其工程實況，采取對施工區域周圍地層預加固，對3號線隧道結構進行預加固的防變形措施，控制凍土的發展范圍，機場線隧道盾構施工時采取微擾動措施，將3號線隧道變形的影響降到了可控范圍。
參考文獻
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