地铁联络通道冻结法施工对邻近盾构隧道结构的影响研究

地铁联络通道冻结法施工对邻近盾构隧道结构的影响研究

郭锴莹

佛山市顺德区轨道交通投资有限公司     广东佛山    528300

摘要：文章采用采用MIDAS-GTS三维有限元软件对佛山地铁三号线新城站～高村站区间1#联络通道冷冻法施工进行了研究了，分析了冻结施工过程中各施工工况对邻近地铁隧道结构产生的影响程度和大小。结果表明邻近隧道最大累计竖向位移为107.06mm，发生于维护冻结期，再通过结构内力分析得出结构隆起值最大时得隧道弯矩及螺栓剪力控制值。综合得出隧道位移的控制值及报警值，为后续该联络通道的安全施工提供了技术研究及保障。

关键词：联络通道、冷冻法、有限元、邻近、变形

1、工程概况

佛山地铁三号线新城站～高村站区间1#联络通道开挖尺寸为长18.6m×宽4.2m×高4.42m，拱顶覆土厚度为23.54m。1#联络通道下穿七号线美的大道站～北滘新城区间右线，联络通道顶距离七号线右线隧道净距为3.6m。联络通道已采用地面三轴搅拌桩加固。

由于1#联络通道底部埋深较大，加固时由于垂直度偏差可能存在桩间加固体空隙，有搅拌桩加固薄弱区情况，且北~高区间1#联络通道平面位置部分位于林西河道下方。若采用矿山法施工，联络通道开口后整个掌子面土体直接暴露，若发生涌水涌砂险情，可能存在与林西河形成贯穿通道，造成无法挽回的安全风险，甚至可能导致开挖过程中拱顶坍塌，同时造成上部美北右线隧道严重变形，造成重大安全质量事故。因此为保证1#联络通道的工程施工安全，联络通道采用三轴搅拌桩加固后需采用冻结法进行矿山法施工，如图1所示。

图1 1#联络通道与美北区间、北高区间隧道剖面关系图

2、模型建立

联络通道工程施工分为：工况一、施工冻结孔；工况二、积极冻结期（降至设计温度）；工况三、维护冻结期（开挖施工）；工况四、解冻、补偿注浆。

为了定量的判断这种影响的大小、评估联络通道工程冷冻法施工对既有地铁安全性产生的影响程度，结合在佛山、广州地区的工程经验，采用MIDAS-GTS三维有限元软件对基坑开挖进行动态施工的四维数值计算，以分析各施工工况对邻近地铁隧道结构产生的影响程度和大小。

根据项目1#联络通道结构、其地面三轴搅拌桩加固范围、冻结法工程范围等与邻近地铁隧道结构的空间关系，以临近地铁隧道和联络通道工程为分析重点，为此选取1#通道和地铁隧道结构外边界50m重点保护区域作为模型边界，最终确定分析模型的大小（长×宽×高）为170 m×140 m×40 m。考虑岩土体为半无限体，模型以外不再考虑变形，即设定为固定边界。因此对模型底部约束Z方向位移，模型前后面约束Y方向位移，左右面约束X方向位移。模型顶面根据道路、施工等条件考虑活动荷载。模型建立的整体三维有限元模型，如图2所示。

图2 项目1#通道和隧道的三维有限元分析整体模型

按照上述方法所建模型和计算工况，将联络通道冷冻法施工得到的分析计算结果分别采用图表形式表达如下图3-图6（仅展示工况三地铁七号线隧道部分结构变化等色图）。

图3 工况三地铁七号线隧道结构的水平方向TY位移变化等色图

图4工况三地铁七号线隧道结构的竖直方向TZ位移变化等色图

图5 工况三地铁七号线隧道结构沿着单元X方向弯矩Mxx变化等色图

图6 工况三地铁七号线隧道结构沿着单元Y方向弯矩Myy变化等色图

3、结果分析

3.1联络通道冷冻法施工对地铁隧道结构影响结果汇总

1#联络通道施工过程中地铁隧道结构最大位移变化汇总如表1,2所示。

表1 地铁隧道结构最大位移变化汇总表（mm）

注：“+”表示位移向坐标轴正方向发展；“-”表示位移向坐标轴负方向发展

表2 隧道结构受力变化汇总表

3.2地铁隧道结构位移变形计算结果分析

本项目在积极冻结期前，七号线隧道仅发生微量沉降，最大竖向位移量为0.36mm。

积极冻结期土体发生冻胀，七号线隧道最大竖向隆起位移量为+102.58mm，同时受三轴搅拌桩加固地层的约束，七号线隧道发生一定量的椭变，隧道结构向水平量侧产生位移，最大水平位移量为28.38mm，位于冻结壁两侧的三号线隧道受冻胀影响发生远离冻结壁方向水平位移，最大水平位移量为26.31mm。

维护冻结期联络通道土方开挖，周边土体仍持续发生冻胀。由于冻结壁的强度和刚度较大，七号线隧道受冻胀作用影响比受土方开挖影响大，在开挖期间，七号线仍发生微量上抬现象，最大累计竖向位移为107.06mm，最大水平位移量为29.62mm；三号线紧邻联络通道开挖区域，受土方开挖影响较大，向冻结壁方向发生水平位移，最大水平累计位移量为19.27mm。

解冻期冰晶融化，土体发生融沉现象，孔隙水重新分布，七号线隧道发生较大沉降，隧道从+107.06mm沉降至-20.23mm，沉降差127.29mm，最终七号线隧道的绝对沉降值20.23mm；位于冻结壁两侧的三号线隧道受已施工的联络通道结构限制，解冻期水平位移较小，累计最大水平位移量为19.22mm。

3.3地铁隧道结构内力计算结果分析

联络通道施工过程中，地铁结构弯矩变化较大，七号线地铁隧道结构的最大弯矩值341.36kN·m/m，大于0.2mm裂缝宽度控制弯矩值213kN·m。根据计算，1.2m宽管片结构最大弯矩值为409.63 kN·m，小于但接近管片受弯承载力控制值421.99 kN·m，管片产生最大裂缝宽度为0.488mm。

根据有限元模拟分析结果，当隧道结构隆起量达110.17mm，椭圆度达8.0‰时，隧道弯矩达到350.25，剪力达到236.03。计算结果接近管片弯矩控制值351.66，接缝处螺栓剪力控制值239.05。

4、结论与建议

1）、本项目1#联络通道施工对地铁七号线隧道产生影响，七号线隧道结构总体发生先沉降再隆起最后沉降的趋势，最大隆起量达107.06mm，施工完成后最终沉降值为20.23mm，影响量超过《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）的控制值20mm。七号线隧道受积极冻结期冻胀作用明显，初始隆起量较大，后续仍需结合受力情况及自动化监测情况综合评判地铁七号线和三号线隧道结构在1#联络通道施工过程中是否安全。

2）加强施工过程中应对隧道结构的自动化监测和巡视，及时根据监测情况调整施工参数或启动应急预案，确保七号线隧道结构安全。建议隧道位移控制值取为110mm，报警值取为100mm。

3）、由于前期联络通道施工范围内已经过地面三轴搅拌桩加固，土体强度已有一定程度地改良。为减少冻胀作用对七号线隧道结构的影响，建议根据冻结温度监测情况进行动态施工，可在满足开挖条件的情况下动态调整冻结温度、开挖前冻结时间等参数。

4）、联络通道开挖前应对冻结壁进行检测以保证联络通道达到开挖条件，并在联络通道开挖断面内开设探孔，开挖前进行探孔取芯试验，检查水量和土体加固情况，确保达到开挖条件。联络通道开挖前应进行试挖，若开挖区域未达到干燥、自稳状态，应继续进行冻结，直至满足要求。

5）、停止冷冻后根据设计要求结合监测情况选择融沉注浆时机，严格控制注浆压力和注浆量不超过设计范围，按照少注多次的原则，根据邻近隧道监测情况合理调整注浆施工，逐步控制隧道变形趋于稳定。

参考文献

1、霍永鹏,伍旺,张生权,等. 地铁联络通道冻结法施工有限元分析[J]. 山西建筑,2021,47(5):128-131. DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2021.05.045.

2、陈明怀. 冻结法施工对盾构隧道的影响研究[J]. 工程技术研究,2022,7(1):42-44. DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2022.01.014.

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