官强

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

冻结法施工中冻土帷幕数值模拟分析

官强

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

以某市轨道交通工程越江区间隧道1#联络通道冻结工程为背景，运用数值模拟手段，深入研究越江隧道联络通道冻结法施工过程中各个工况下冻土帷幕的受力变形规律，得出在拉开钢管片以及开挖土体过程对冻土帷幕受力变形影响最为明显。此研究对越江隧道联络通道冻结的冻土帷幕的设计具有重要的指导意义，对保证此类越江隧道联络通道冻结工程的安全具有重要的参考价值。

冻结施工;冻土帷幕;受力变形

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1 工程概况

某市轨道交通工程越江区间隧道采用盾构法施工，其中1#联络通道设于长江下，联络通道线间距13.0m，联络通道位置隧道中心标高左线为－15.037m，右线为－15.018，江底标高为1.53m。联络通道的结构图见(图1)，联络通道采用洞内冻结法加固地层，采用矿山法施工。

联络通道所在位置的隧道管片为钢管片，隧道内径为φ5.5m，管片厚度350mm。衬砌采用二次衬砌方式:初次支护工字钢支架和C25网喷混凝土结构，厚度250mm;二次衬砌为厚度拱顶500mm渐变至侧墙600mm，底板位置为800mm(C40，P12)现浇钢筋混凝土结构。

图1 1#联络通道结构示意图

根据现场详细勘察资料显示，联络通道主要处于4－1粉细砂和8－1粉细砂中，其土层性质如(表1)所示。

表1 1#联络通道所处地层概况

本文采用ANSYS大型有限元分析软件模拟人工冻结法施工过程。由于实际工况十分复杂，用数值分析的方法分析所有的确定或不确定的因素是不可能的，也是不必要的，因此，在有限元分析中做了如下的简化假设:

(1)假定原型工程穿越通道所处土层自上而下依次为:4－1粉细砂、8－1粉细砂，且各土层呈水平分布，将原型视为在横向为各向同性层状分布的土层进行分析研究。

(2)不考虑钢管片每环之间的螺栓连接，将钢管片视为一整体的环状结构。

(3)数值模拟中的材料为型钢、钢筋混凝土、土和冻土四种，假设模型材料均为线弹性介质。

(4)数值计算中，把土体的冻胀转变成材料随温度的膨胀，使温度场和应力、应变场耦合进行分析。

2 实际工况冻结温度场数值计算结果分析

根据地铁旁通道冻结施工的经验，冻结施工的影响范围通常仅限于距离冻结区域中心线5～8倍的冻结半径范围，超过此范围将基本上不受冻结施工的影响［1］［2］［3］。根据某市轨道交通工程越江区间隧道的具体情况，按三维问题建立求解的数值计算模型［4］，沿隧道掘进方向(纵向)，确定尺寸为40m(相当于25环管片，每环1.6m);沿隧道断面横向，确定宽度尺寸为30m;而沿竖直方向，根据联络通道实际埋深，确定上覆土层厚度，向下则从计算影响范围角度考虑，选取厚度为35m的地层。

由于隧道是一三维对称问题，为了节省计算时间，采用1/2模型计算，三维立体模型温度场计算中土体、混凝土以及型钢统一采用三维瞬态静态或热分析的SOLID90单元，结构分析时土体、混凝土以及型钢统一采用等价的SOLID95单元，划分单元总数为125294个。鉴于数值计算的目的与计算的精度和时间，在冻结管区域网格密度最大，在远离冻结影响范围外区域，适当降低网格密度。

有限元模型的冻结管分布图以及模型网格图见(图2、图3)。

模型中主要包括未冻土、冻土、钢筋混凝土和型钢材料。主隧道管片为C60混凝土管片和钢管片(Q345钢，位于联络通道处)，联络通道初次支护为C25混凝土和二次衬砌为C40混凝土。

温度场边界条件:模型的前方界面(Z=0处截面)为对称边界;隧道管片冻结部分界面为绝热边界，其余隧道管片界面为对流换热界面;模型其余面为恒温边界，取地温初始值。

为了将冻结温度场数值模拟结果与现场实测结果进行对比研究，根据某市轨道交通工程越江区间隧道1#联络通道冻结加固实际工程，研究1#联络通道冻结温度场变化规律。1#联络通道冻结管具体分布见(图2)，布置参数见(表2)。

图2 冻结管分布图

图3 模型网格图

表2 冻结管布置参数

考虑到冻结管外壁温度与盐水温度、流速、周围土层的性质等因素有关，参考1#联络通道冻结加固工程干路盐水温度的实测数据，冻结管外壁温度的选取如(表3)所示。

表3 冻结时冻结管外壁温度取值

冻结区域内土层为粉细砂，冻结温度取为－0.6℃。模型计算中热物理参数取值如(表4)所示。

表4 土体热物理参数

不同冻结时间下，冻结温度场云图和冻结锋面位置如(图4)所示。

图4 冻结温度场云图和冻结锋面位置图

从(图4)可以看出，在冻结初期，各冻结管之间的土体与低温盐水开始剧烈热交换，冻结管周围土体温度下降明显，在冻结管附近形成冻土柱;随着冻结时间的增加冻土柱不断向周围扩大发展，冻结10天时，部分相邻冻土已经开始交圈，冻结到30天时，冻结孔周围的土体均已全部交圈，冻结50天时，冻结壁特征参数已经基本稳定，形成内外两个椭圆状冻结锋面，分别向内外圈发展并趋于稳定。

3 冻胀及施工过程数值计算

3.1 施工工况模拟

采用Ansys大型数值分析软件通过建立温度场、力场两种不同的物理场分析环境，再进行顺序耦合计算，最后提取并分析所得出的结果。

(1)首先进行冻结温度场模拟计算。

(2)其次施加重力场和力场边界条件，进行实体模型的自重应力场计算，并进行消除由于自重应力所引起的位移计算。

(3)再进行进行热－应力耦合场计算，计算由于土体冻胀引起的冻土帷幕受力状态及位移的变化。

(4)最后进行拉开钢管片以及联络通道开挖、支护施工过程的模拟计算，计算整个施工过程引起的隧冻土帷幕受力变形状态。

应力场边界条件:模型中，左右两个边界面(X=－8.5、X=21.5 m处截面)施加垂直于该面方向的约束位移，前后两个边界面(Z=0、Z=－20 m处截面)施加法向位移约束，模型底面施加固端约束。

根据联络通道的冻结施工过程，选取主要的施工步骤进行研究，为了简化工况的名称，将各个主要的施工步骤定义为五个工况，见(表5)。

表5 施工工况定义表

3.2 数值计算结果分析

3.2.1 工况一(联络通道开挖前，冻结45天)

在联络通道开挖前，由于土体冻胀的作用，引起冻土帷幕的受力变形，冻土帷幕表面的应力分布情况如(图5)。

图5 冻土帷幕应力分布云图

从(图5)中可以看出，在冻胀作用下，冻土帷幕第一主应力介于－0.32MPa～0.02MPa之间，最大拉应力为 0.02MPa，冻土帷幕第三主应力介于 －1.08MPa～－0.04MPa之间，最大压应力为1.08MPa，冻土帷幕等效应力介于0.21MPa～0.77MPa，由于土体冻胀受两边隧道管片约束作用，冻土帷幕与管片相交处的土体应力大于土体中间部分的应力，最大应力出现在冻土帷幕与管片交接处。

3.2.2 工况二(打开左线隧道钢管片)

联络通道开始开挖时，首先要打开隧道钢管片，此时冻土帷幕表面的受力变形情况如(图6)。

图6 打开钢管片后冻土帷幕应力分布云图

从(图6)可知，在维护冻结状态，打开左线钢管片后，冻土帷幕第一主应力介于 －0.42MPa～0.45MPa之间，最大拉应力为0.45MPa，第三主应力介于 －1.69MPa～0.06MPa之间，最大压应力为1.69MPa，等效应力介于0.07MPa～1.31MPa之间，冻土帷幕等效应力最大值出现在管片开口与冻土帷幕交接处，此处由于钢管片的打开，边缘处容易产生应力集中现象。

从(图7)可知，打开左线钢管片之后，在开口处土体约束消失，此处应力得到释放，从而在此处冻土帷幕出现－X方向最大位移值，达到－4.8mm，土体有向外偏移的现象;冻土帷幕Y方向最大位移值出现在管片开口处。如果在土体加固效果较差情况下打开钢管片，隧道会存在较大的破坏危险情况。

3.2.3 工况三(开挖至联络通道中部，构筑前半部分的初次衬砌)

开挖深度至联络通道一半后，进行前半段混凝土的初次衬砌支护，研究完成初次衬砌支护后冻土帷幕表面的受力变形情况。

图7 打开钢管片后冻土帷幕位移分布云图

图8 初次衬砌完成后冻土帷幕应力分布云图

从(图8)可知，在完成混凝土初次衬砌之后，冻土帷幕第一主应力介于－0.79MPa～0.24MPa之间，冻土帷幕第三主应力介于－3.16MPa～0.003MPa之间，冻土帷幕等效应力介于0.03MPa～2.33MPa之间，拉应力最大值由0.45MPa减小为0.24MPa，变化幅度较大，减小幅度将近50%;压应力最大值达到3.16MPa，较上一工况明显增大，最大增大幅度超过一倍，这是由于联络通道土体开挖后土体应力得到释放，冻土帷幕土体承受很大的土体自重，表现为受压状态;冻土帷幕等效应力最大值达到2.33MPa，较上一工况也有明显增大，冻土帷幕等效应力最大值出现在通道土体边缘处，这是由于土体边缘与管片相交处容易产生应力集中现象。

图9 初次衬砌完成后冻土帷幕位移分布云图

从(图9)可知，开挖深度至联络通道一半时，通道未开挖段土体出现 －X方向最大位移值，达到－6.7mm;通道开挖段顶部土体出现－Y方向的位移最大值，达到9.3mm，土体有下沉的趋势，开挖段底部出现土体+Y方向的位移最大值，达到8.3mm，土体有向上隆起的趋势，这是由于盾构管片的部分打开及联络通道的开挖使得土体应力得到释放，使周围土体产生了较大的变形，在开挖面上土体有较明显往外偏移的趋势。由于土体冻结效果较好，已达到一定的强度要求，使得土体具有较好的自立能力，维持了开挖面的稳定状态。如果土体加固强度不够存在缺陷，则此时可能出现泥沙涌入的危险情况。

3.2.4 工况四(开挖结束，打开对面钢管片，完成联络通道的初次衬砌)

本工况研究联络通道开挖完成，并打开对面钢管片以及完成联络通道混凝土初次衬砌支护后，冻土帷幕表面的受力变形情况。

图10 构筑初次衬砌后冻土帷幕应力分布云图

从(图10)可以看出，整个联络通道初次衬砌结构完成后，冻土帷幕第一主应力介于－0.91MPa～0.49MPa之间，较上一工况，最大拉应力由0.24MPa增大为 0.49MPa，冻土帷幕第三主应力介于－3.73MPa～0.03MPa之间，较上一工况，最大压应力由3.16MPa增大为3.73MPa，冻土帷幕等效应力介于0.04MPa～2.86MPa之间，较上一工况，冻土帷幕应力有所增大，这是因为随着另一半土体的开挖，土体应力得到释放，冻土帷幕土体承受很大的土体自重。

图11 构筑初次衬砌后冻土帷幕位移分布云图

从(图11)可以看出，整个联络通道构筑完初次衬砌后，土体帷幕顶部和底部位置在+X方向出现最大位移值达到3.3mm;由于冻土帷幕右半部分初次衬砌结构还未施工，在冻土帷幕顶部和底部表现出的Y方向最大位移值的范围明显大于左半部分冻土帷幕，在顶部出现 －Y方向下沉位移值，最大达到－11.8mm，在底部出现+Y方向向上隆起位移值，最大达到11.9mm。开挖完成后为避免冻土帷幕长时间暴露在空气中，应随后立即进行土体支护结构的施工作业，确保施工过程的安全。

3.2.5 工况五(联络通道构筑永久衬砌)

本工况研究构筑永久衬砌后，冻土帷幕表面的受力变形情况。

图12 构筑永久衬砌后冻土帷幕应力分布云图

从(图12)可知，在联络通道完成永久衬砌后，冻土帷幕第一主应力介于－0.91MPa～0.49MPa之间，冻土帷幕第三主应力介于－3.73MPa～0.02MPa之间，冻土帷幕等效应力介于0.04MPa～2.86MPa之间，较之上一工况冻土帷幕应力分布状态基本不变，可知，此时冻土帷幕受力状态已基本稳定。

图13 构筑永久衬砌后冻土帷幕位移分布云图

从(图13)可以看出，构筑永久衬砌后，冻土帷幕在X方向的位移值也基本没变，冻土帷幕在－Y方向的下沉位移量由11.8mm下降为12.3mm，变化较小，冻土帷幕在+Y方向的隆起位移量基本没有变化，可知，此时冻土帷幕已处于较好的稳定状态。

4 总结

本文采用数值模拟方法结合某市轨道交通工程越江区间隧道1#联络通道冻结加固工程实践，对实际工况的冻结温度场进行了模拟分析，并主要全面分析了越江隧道1#联络通道冻结法施工引起的冻土帷幕受力变形的影响，得到以下结论:

(1)时间温度场变化规律:冻结前期，由于土体温度与盐水温度相差很大，土体温度呈直线下降，冻结后期，形成冻结帷幕后，土体温度平稳下降。

(2)冻结管外圈土体降温速度较内圈土体来得慢，最终的土体温度也较内圈土体高。由于管片导热系数大，导致靠近管片处土体的温度较中间段土体温度高。

(3)通道标准段开挖至一半以及构筑初次衬砌，开挖部分联络通道内部冻土帷幕最大变形点出现在冻土帷幕顶部和底部中间位置。

(4)土体开挖结束并打开对面钢管片以及构筑初次衬砌，冻土帷幕的最大变形量有所增大。

(5)构筑永久衬砌后，冻土帷幕的最大变形量有所增大，但变化较小，可知，此时冻土帷幕已经基本稳定。

通过数值模拟研究冻土帷幕受力变形规律可以指导优化设计冻结管的布置参数，以及施工过程中合理布置临时支撑。

［1］翁家杰，陈明雄.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.

［2］李洪升等.一维冻结土体冻胀量的水热力耦合计算［J］.大连理工大学学报，1999，39:5－8.

［3］仇培云，岳丰田.上海市大连路越江隧道联络通道冻结施工模拟试验研究［J］.岩土工程界，2004，8(3):32－33.

［4］王晖，李大勇，李健.地铁联络通道冻结法施工三维数值模拟分析［J］.地下空间与工程学报，2011，7(12):1589－1593.

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Numerical Simulation Analysis of Frozen Soil Curtain in Freezing Construction

GUANQiang
(Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025)

The background is the freezingmethod construction of cross－river tunnel’s 1#connecting passage in the city rail transit engineering.The paper in－depth studies the laws of the frozen soil curtain force and deformation in each condition of freezing construction process of cross－river tunnel connecting passage bymeans of numerical simulation，draws conclusions that the impact of steel sheet was opened and the excavation process of soil is themostobvious.The contentswill have important guiding significance for the design of frozen soil curtain of the cross－river tunnel contacting passage freeze，and willhave important reference value for ensuring the safety of such cross－river tunnel contacting passage＇s freezing engineering.

Frozen construction;Frozen soil curtain;Force and deformation

U455

A

1004－6135(2015)11－0092－05

官强(1988.11－ )，男，助理工程师。

2015－10－07

官 强(1988.11－ )，男，助理工程师，主要从事岩土工程勘察方面的工作。