越江隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

李开文，毛 勇，孙 闯，朱泽奇

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，昆明 650000；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

越江隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

李开文1，毛 勇1，孙 闯2，朱泽奇3

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，昆明 650000；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

为直观了解冻土帷幕的力学特性，掌握隧道联络通道开挖过程对冻土帷幕的影响，保证开挖过程的安全，采用大型有限差分软件FLAC3D，对联络通道的开挖过程进行了数值模拟。从数值分析的角度对冻土帷幕的应力与变形进行了分析和安全评价，详细研究了冻土帷幕中应力与位移的分布情况，确定了冻土帷幕厚度设计安全值为2.5 m（可以满足施工要求），并指出了容易产生应力集中的位置为冻土帷幕与隧道接触部位。由于该部位在冻结过程中散热快，冻结效果差，所以施工中应该值得注意，同时也为今后的联络通道数值模拟与人工冻结法施工提供了参考。

联络通道；冻结法；数值模拟；冻土帷幕；FLAC3D

1 概 述

人工冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结成冰，将天然岩土冻结为冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术，其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土性质以固结地层［1］。随着我国大规模修建地铁和越江隧道热潮的兴起，人工冻结法应用的重心也逐步由煤矿凿井向城市地下工程领域转移［2］，从上海地铁1号线联络通道施工开始，上海地铁2号线、4号线、大连路越江隧道、复兴路隧道等工程中，人工冻结法相继被使用。不仅如此，该方法也用于某些由于地层异常复杂、场地狭小等原因而无法采用盾构推进的隧道施工中［3］。

本工程综合考虑地层特点和工程特征，采用人工冻结法对越江隧道联络通道周围土体进行冻结，形成高强度的冻土帷幕结构，在该冻土帷幕的保护下进行矿山暗挖法施工，以确保施工安全和减轻对周围水文地质环境的影响；采用功能强大的岩土工程分析软件FLAC3D对隧道联络通道的整个开挖过程进行了仿真模拟，着重研究联络通道开挖后冻结帷幕的变形和应力特性的影响。

2 工程概况

本工程为上海市越江隧道旁通道工程。旁通道位于北线隧道里程为NK2＋102.100，南线隧道里程为SK2＋094.577，盾构隧道中心距约24.460 m，旁通道正上方位于黄浦江上。隧道内径为10 400 mm，管片厚度为480 mm。旁通道位置上、下行盾构隧道中心线间距为12.5 m，旁通道与上、下行隧道开口处隧道中心标高分别均为－26.470 m、－26.672 m。联络通道结构与地址柱状图如图1所示。

图1 联络通道结构与地质剖面图（单位：m）Fig.1 Structure of the connected aisle and its geological profile

旁通道与隧道管片相连的喇叭口、水平通道构成，水平通道为圆形结构，通道采用两次衬砌，其中通道初衬（钢支架喷射混凝土）厚度为280 mm（喇叭口为300 mm），通道的开挖轮廓长约10.46 m，开挖直径为3.6 m，局部（喇叭口处）开挖直径为4.2 m。旁通道所处位置的土层为位于⑤1粉质黏土层中，下部有⑤3－1夹粉砂夹粉质黏土层、⑤3－2砂质粉土微承压含水层，其中⑤3－2与⑦2层连通。地质物理参数如表1所示。

表1 地质物理力学参数Tab le 1 Physicalmechanical parameters

3 联络通道冻结法施工

3.1 冻土帷幕设计

冻结壁顶面所受土压力按上覆土体重量和超载计算，侧面承受水土压力按侧压系数0.7计算，设计按最不利条件考虑承压水头3.0 m，旁通道喇叭口顶部埋深为30.47 m（其中江水深13.85 m，土层厚度16.62 m），旁通道喇叭口中心埋深为32.37 m（其中江水深13.85 m，土层厚度18.52 m），水的平均重度取10.0 kN／m3，土的平均重度取18.5 kN／m3。旁通道全部位于⑤3－1粉质黏土层中，旁通道上部冻结壁位于⑤1及⑤3－1粉质黏土层中，旁通道下部冻结壁位于⑤3－1夹灰色粉砂夹粉质黏土层中，⑤3－1夹为微承压含水层，而旁通道位置隧道中心埋藏深，并且位于黄浦江底，因此设计旁通道外围冻结壁厚度为2.5 m，喇叭口处的冻结壁厚度不小于2.2 m。在南线布置冻结孔16个，北线布置冻结孔20个，共36个。冻土帷幕及冻结孔布置如图2所示。

3.2 冻结法施工

先拆除左线钢管片，进行冻结加固。待冻土帷幕形成后，从右线拆除钢管片，向左线掘进，待通道右部掘进一定距离并做好初期支护后，将钻机及冷冻设备移至右线中，从右线向左线再次钻进冻结孔，待冻土帷幕形成之后，开挖通道至右线并贯通。在结构层与支护层之间设防水层，结构层内表面设防火层。

图2 冻土帷幕及冻结孔布置图（单位：mm）Fig.2 Layout of freezing soil curtain and freeze-tubes

4 联络通道施工模拟分析

4.1 FLAC3D软件介绍

本文选用的数值模拟软件是美国IATSCA咨询公司开发的FLAC3D，它是一个用于工程力学计算的三维显式差分程序。FLAC3D是以有限差分为计算原理，在离散元原理基础之上发展起来的一种计算方法。它介于有限元和离散元算法之间，求解过程采用快速拉格朗日算法［4］。

4.2 模拟计算基本假设

在联络通道模型计算中进行了如下几点假设。

（1）计算区域假设：如图3所示，整个几何模型尺寸长宽高为32.0 m（沿主隧道轴线方向）× 66.0 m（沿旁通道轴线方向）×37.0 m（沿竖直方向），总共划分了58 368个单元，64 781个节点；隧道中心坐标为（－12.23，0，0），坐标原点取在联络通道中心，垂直隧道向右侧为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，沿隧道轴线向外为z轴正方向。

（2）数值计算中假定冻土与未冻土均为弹塑性材料，本构关系为Mohr-Coulomb，隧道与旁通道钢筋混凝土结构假定为线弹性材料，根据冻土强度试验结果［5］，设计冻土帷幕为－10℃等温体，弹性模量和泊松比分别为150 MPa和0.3，冻土帷幕抗压强度为3.5 MPa，抗折强度为1.8 MPa；抗剪强度指标为黏聚力1.5 MPa，摩擦角28°。冻结壁承载力验算采用许用应力法，强度检验安全系数［6］按Ⅲ类冻结壁选取：抗压强度为2.0 MPa，抗折强度为3.0 MPa，抗拉强度为1.5 MPa。

（3）假设工程所在位置各地层均水平分布，并设定旁通道在开挖前地层处于初始平衡状态，最终得到的分析结果就是开挖后冻土受力和变形状态，模型建立时对实际情况进行部分简化。

（4）假设开挖从右向左进行，开挖完成后一次性进行支护结构的构筑，即考虑最不利工况，偏于安全。

4.3 计算结果分析

冻结施工后冻土帷幕必须满足设计强度与变形的要求，因此检验冻结效果的好坏也应该从冻结帷幕中应力与位移的分布情况来考察。本文着重对冻土帷幕中位移和应力分布进行研究，主要分析在联络通道开挖后，冻土帷幕结构的应力场及位移情况，进而可对冻结法施工进行安全性评估。

图3 联络通道几何模型Fig.3 Geometric model of connected aisle

图4 冻土帷幕y方向位移（单位：m）Fig.4 Displacement in y direction of freezing soil curtain（unit in m）

图5 冻土帷幕z方向位移（单位：m）Fig.5 Displacement in z direction of freezing soil curtain（unit in m）

图6 冻土帷幕σzz应力（单位：Pa）Fig.6 Stressσzzof freezing soil curtain（unit in Pa）

图7 冻土帷幕σxx应力（单位：Pa）Fig.7 Stressσxxof freezing soil curtain（unit in Pa）

图4 至图5为冻土帷幕位移云图，各方向位移极值分别为：z方向顶部下沉为－3.6 mm，底部隆起10.6 mm；y方向联络通道两旁收敛量为－4.68 mm。

图6至图9为冻土帷幕σzz，σxx，σyy，τxy应力分布。从图中σzz应力分布可以看出，整个冻土帷幕都是受压力的，最大正剪应力τxy主要分布在帷幕喇叭口下部，而最大负剪应力主要分布在帷幕喇叭口下部，而拉应力只在通道中部有少量分布，τxy方向出现96.0 kPa的拉应力；τxz方向出现最大215 kPa的拉应力；τ方向出现最大377 kPa的拉应力。σzz，σxx，σyy，τxy应力的安全系数分别为5.7，6.3，9.4，15.6，考虑到所分析工况的极端性，该冻土帷幕完全可以满足安全要求。具体应力极值及其产生的位置见表2。

由以上位移及应力分布可知，冻土帷幕受力最薄弱的位置通常处于帷幕与隧道接触的部位。在冻结施工过程中，由于隧道管片的散热速度快，在帷幕与隧道接触处的温度最高，导致冻结效果最差，强度最低，这就特别需要引起工程中的注意，在设计计算中应充分考虑到冻土帷幕与隧道接触的部位散热快这一因素对冻土强度的影响。

图8 冻土帷幕σyy应力（单位：Pa）Fig.8 Stressσyyof freezing soil curtain（unit in Pa）

图9 冻土帷幕τxy应力（单位：Pa）Fig.9 Stressτxyof freezing soil curtain（unit in Pa）

表2 应力极值及其产生的位置Table 2 Extremum of stress and its position

5 结 论

本文在对上海越江隧道联络通道进行施工力学模拟分析的基础上对冻土帷幕的变形及应力分布情况进行了详细的分析，得出结论如下：

（1）在冻结过程中，由于冻土帷幕与隧道接触部位冻结效果最差，所以容易产生应力集中，对冻土帷幕的应力分布影响比较大，因此施工中应特别引起注意；

（2）通过数值计算及施工过程来看，冻土帷幕设计为2.5 m左右完全可以满足强度、变形等要求，且满足工程施工的安全要求。对于同类工程，其分析结果具有一定的参考价值。

［1］ 刘 珣，梁 鹏.城市地下工程中人工冻结法的防冻胀优化设计研究［J］.武汉科技大学学报，2004，27（4）：387－390.（LIU Xun，LIANG Peng.Optimum Design of Anti-frost Heave in Artificial Freezing Method of Civil Underground Engineering.［J］Journal of Wuhan U-niversity of Science and Technology，2004，27（4）：387－390.（in Chinese））

［2］ 武亚军，杨 敏，李大勇.大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析［J］.岩土力学，2006，27（3）：487－490.（WU Ya-jun，YANG Min，LIDa-yong.Numerical Analysis of Freezing Soil Curtain of Tunnel Connected Aisle［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（3）：487－490.（in Chinese））

［3］ 胡向东，肖朝昀，毛良根.双层越江隧道联络通道冻结法温度场影响因素［J］.地下空间与工程学报，2009，1（5）：7－12.（HU Xiang-dong，XIAO Zhao-yun，MAO Liang-gen.The Influencing Factor of the Temperature Field of Cross-Passage Construction by Freezing Method in Double-Deck Road Tunnels［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，1（5）：7－12.（in Chinese））

［4］ 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（2）：5851－5856.（WU Ya-jun，LIDa-yong，YANGMin.Numerical Simulation of Tunnel with Freezing Method Construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（2）：5851－5856.（in Chinese））

［5］ 胡向东，程 桦.上海轨道交通四号线冻土物理力学性能试验研究报告［R］.合肥：安徽建筑工业学院，2006.（HU Xiang-dong，CHENG Hua.Research Report on the Physical and Mechanical Properties of Shanghai Rail Transit Line 4［R］.Hefei：Anhui Architecture Industry Institute，2006.（in Chinese））

［6］ 李双洋，张明义，高志华，等.广州某地铁人工冻结法施工热力分析［J］.冰川冻土，2006，8（6）：823－832.（LIShuang-yang，ZHANGMing-yi，GAO Zhi-hua.Thermal and Mechanical Analysis of the Artificial Freezing Method Applied to a Subway Tunnel in Guangzhou［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2006，8（6）：823－ 832.（in Chinese））

［7］ 李大勇，陈福全，张庆贺.地铁联络通道冻结施工的三维数值模拟［J］.岩土力学，2004，25（2）：472－474.（LIDa-yong，CHEN Fu-quan，ZHANG Qing-he，et al.3-D Numerical Simulation of Frozen Construction of a Connected Aisle in Metro［J］.Rock and SoilMechanics，2004，25（2）：472－474.（in Chinese））

［8］ 肖朝昀，胡向东，张庆贺.地铁修复工程中冻结法设计［J］.岩土工程学报，2006，28（11）：1716－1719.（XIAO Zhao-yun，HU Xiang-dong，ZHANG Qing-he.Design of Freezing Method for Recovering Collapse Tunnels in ShanghaiMetro［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（11）：1716－1719.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

M echanical Simulation of Freezing M ethod Applied to the Construction of Connected Aisle in a Cross-River Tunnel

LIKai-wen1，MAO Yong1，SUN Chuang2，ZHU Ze-qi3
（1.Nonferrous Metals Industry Survey and Design Institute，Kunming 650000，China；2.Liaoning Technology University，Fuxin 123000，China；3.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

To ensure the safety of the excavation of connected aisle in a cross-river tunnel by directly looking into themechanical features of freezing soil curtain and the impact of the excavation on the curtain，large finite difference software FLAC3Dis employed to numerically simulate the excavation process.Through the simulation，the stress and deformation of the freezing curtain are analyzed and its safety is evaluated.Moreover，the stress and displacement distributions of the curtain are further analyzed in detail.The designed thickness of the freezing soil curtain is determined to be safe at 2.5 m，which meets the construction requirements.It is also pointed out that the contact location between the freezing soil curtain and the tunnel should be given more concern as it is easy to see stress concentration because of quick heat dissipation during the freezing with unsatisfactory freezing effect.The study can serve as a reference for the artificial freezing technique and the numerical simulation of connected aisles.

connected aisle；freezingmethod；numerical simulation；freezing soil curtain；FLAC3D

U452.2

A

1001－5485（2011）07－0057－05

2010-08-10

国家自然科学基金重大研究计划重点项目（90715042）

李开文（1962-），男，云南昆明人，高级工程师，主要从事岩土工程设计工作，（电话）13888082708（电子信箱）lkw1963＠163.com。