双线隧道冻结法施工开挖模式比较研究
摘要:本文依托上海轨道交通四号线修复工程,采用数值模拟的方式,对水平冻结加固的土体中采用矿山法进行双线隧道开挖及衬砌结构施作时,单线先后开挖方案和双线同时开挖方案进行了计算比较分析,得出一些有益的结论,对今后类似工程施工具有参考意义。

关键词:冻结法双线隧道开挖
人工地层冻结法(Artificial Ground Freezing,AGF)(简称“冻结法”),是利用人工制冷技术将地层中的水冻结成冰,使天然土体变成冻结土体,增加其强度和稳定性,隔绝地下水的联系,以便在冻结壁的保护下进行施工的特殊施工技术[1]。

1975年国内首次应用人工冻结技术于沈阳地铁[3～4]。

由于其适应性强、强度高、隔水性好、环境影响小等优点[2],伴随地铁工程建设,得以更广泛应用。

2000年以来,上海绝大部分的地铁联络通道和全部越江隧道旁通道及泵站均采用冻结法施工[5～7]。

上海轨道交通4号线浦东南路站～南浦大桥站2003年7月1日发生了施工险情,导致浦西董家渡地区隧道塌陷破坏。

在随后对事故段进行原地修复过程中,考虑对连接段隧道周围土体采用水平冻结的方式进行加固,并在冻土帷幕的保护下进行土体开挖及衬砌结构施作。

在此前国内地铁才冻结法施工的各类工程中,鲜有双线隧道开挖实例,本文据此展开研究。

1 工程概况
冻结修复隧道长度约为16m～18m。

采用水平冻结方式加固隧道周边土体,设计要求冻结壁厚度3.5m,平均温度小于-1℃。

采用两圈冻结孔冻结,内圈冻结孔作为辅助冻结孔,布置半径为 4.20m,间距为1200mm～1400mm,外圈孔为主排冻结孔,半径为 6.10m,间距为1000mm左右。

冻结壁形状设计为封闭形。

当冻结达到设计要求后,在冻土帷幕保护下开挖隧道内土体,施作衬砌,通过冻结前的土体改良注浆、壁后充填注浆和融沉跟踪注浆来抑制隧道结构融沉。

隧道尺寸及相关施工参数见图1、图2。

根据两条水平冻土帷幕的形成及隧道开挖、衬砌的先后顺序,存在两种施工方案供选择如下。

方案一:对待挖连接隧道的双线隧道分别实施冻结。

先冻结其中一条隧道,待冻结达到设计要求后,开挖、一次支护,然后冻结、施作另一条隧道。

方案二:同时对双线隧道实施冻结,当冻结达到设计要求后,双线隧道同时开挖、施作永久衬砌结构。

2.1 模型尺寸及计算边界选取
原有隧道区间中心标高为-29.737m～28.86m,地面标高为+4.3m,外径为6.2m,为曲线段。

设计采用双排冻结孔冻结,环形冻土帷幕结构。

取竖直向上为Y轴的正向,垂直隧道向右为X轴的正向,沿隧道轴线向东为Z轴正向;计算区域取深度80m,沿X轴方向取70m,隧道简化为直线段,水平冻结长度18m,隧道中心标高地面以下34m,预计开挖直径6.9m,冻土帷幕厚度取3.5m。

整个边界的尺寸足以消除边界效应对计算结果的影响。

已知边界条件均取为位移约束条件,其中上部边界为自由边界,下部边界固定Y 方向位移,两侧边界固定X方向位移。

2.2 冻土力学指标选取
在江中围堰平台上针对对接段水平冻结地层,主要为⑦1层草黄色砂质粉土进行了一次冻融土和二次冻融土的土工参数、物理力学参数和热力学参数的取样实验。

主要物理力学指标及其测定方法如表1,计算参数如表2。

冻土帷幕是在基本不扰动原始地层的情况下形成的,在对冻土结构模拟的工况为以下几点。

(1)加载重力场,其中初始地应力采用有限元计算直接求得。

(2)形成冻土帷幕。

(3)分3步模拟开挖,每步6m,将挖去土体并将它杀死的同时,激活支护单元:单洞开挖整个计算过程包括1个初始地应力计算载荷步和10个开挖计算载荷步;双洞同时开挖整个计算包括1个初始地应力计算载荷步和5个开挖计算载荷步。

计算模型如图3、图4所示。

3 计算结果分析
两种方案计算结果如表3。

对比分析两种开挖施工方案的数值模拟结果可知。

(1)无论采用何种开挖施工方案,冻土帷幕设计均能满足施工要
求。

(2)两条隧道中间区域承受较大的压应力,抗压强度安全系数均低于抗拉强度安全系数,且该区域两侧隧道散热面较大,施工时应密切关注这个区域的温度变化,加强监测,确保中间区域冻土强度及其平均温度不低于设计值。

(3)双洞同时开挖施工方案,最大拉压应力、隧道变形相对单线开挖小,可能是由于双洞同时开挖挖断面大,冻土帷幕的应力得到释放的缘故。

4 结语
综上所述,水平冻结加固的土体中采用矿山法进行双线隧道开挖及衬砌结构施作时,存得两种施工方案,即:单线先后开挖方案和双线同时开挖方案存在下述异同。

(1)根据江中断垂直冻结冻结孔布置和实测平均温度所选用的双排孔冻结方案及环形冻土帷幕结构,在平均温度为-14℃时,若冻土帷幕平均设计有效厚度达到3.5m,两种开挖施工方案结构抗压安全系数及抗剪安全系数均大于2,满足要求。

(2)相对双洞开挖方案,单洞开挖可以减少开挖断面的跨度和尺寸,开挖面积小,一旦作业出现不利情况时(如局部出水、障碍物清理等)
容易处理,作业循环时间和冻土壁暴露时间短,有利于冻土帷幕的稳定和维护,可以减少施工风险。

(3)从计算步骤模拟中可以看出,相对双洞开挖方案,单洞开挖工期较长。

参考文献
[1] 肖朝昀．人工地层冻结冻土帷幕形成与解冻规律研究
[D]．上海:同济大学,2007,7.
[2] 木下诚一[著],王异,张志权[译]．冻土物理学[M]．长春:吉林科学技术出版社,1985.
[3] 程桦.城市地下工程人工地层冻结技术现状及展望[J].淮南工业学院学报,2000,20(2):17～22.
[4] 陈瑞杰,程国栋,李述训,等.人工地层冻结应用研究和展望[J].岩土工程学报,2000,22(1):40～44.
[5] 刘典基.冻结技术在地铁联络通道施工中的应用[J].隧道建设,2004,24(2):32～35.
[6] 马玉锋.地铁隧道联络通道和泵站的水平冻结施工[J].建井技术,2000,21(3):39～41.
[7] 翁家杰.冻结技术在城市地下工程中的应用[J].煤炭科学技术,1997,25(7):51～53.。