摘 要:为了掌握地铁联络通道冻结施工过程中，冻土帷幕不同位置发生渗漏时，渗流场和位移场的变化规律，以南京地铁二号线莫愁湖站 ～ 汉中门站区间联络通道及泵房水平冻结法施工为研究背景，采用有限元数值方法，对冻土帷幕中渗漏分别发生在拱顶、拱角、底角处的三种情况进行模拟，研究了渗流对冻土结构的影响，即渗流场、垂直位移场、水平位移场及地表变形分析，得出对渗漏点进行加固的最低期限，避免由此产生的工程事故，为联络通道冻结法施工提供理论依据。

关键词: 联络通道; 冻结法; 渗漏; 数值模拟

 

      随着城市化进程的加快，为解决城市交通拥挤的现状，国内许多城市纷纷掀起了建设地铁的高潮，而连接上、下行地铁隧道的联络通道尤为重要。现阶段地铁联络通道的施工多采用冻结法，并在北京、上海、广州、南京等城市地铁中得到成功应用，已有许多专家学者对其可行性、施工方案、施工措施以及冻结监测等方面进行了大量分析研究^{［1 ～8］}，然而渗漏方面的分析研究甚少。冻结法施工过程中，只有当冻土帷幕达到设计强度和厚度后才可进行开挖，然而在实际工程中，由于冻结参数设置不合理、冻结管偏斜、冻结时间过短等原因，使冻土帷幕内可能存在未冻土柱，造成地铁联络通道开挖后出现渗漏，这往往发生在冻土与隧道管片接触的部位，如 2004 年上海地铁 M4 线联络通道冻结引起的重大工程事故就是这个原因。研究渗漏对联络通道冻结土壁影响的论文，目前比较少见，为了直观掌握这方面的研究规律，本文以南京地铁二号线莫愁湖站 ～ 汉中门站区间联络通道及泵房水平冻结法施工为工程实例，研究在冻土帷幕不同位置处发生渗漏时，渗流场和位移场的变化规律，以期对类似工程实践起到指导作用，避免由此产生的工程事故。

 

      采用有限元软件建立地铁联络通道的平面模型，对冻土帷幕分别发生在拱顶、拱角、底角处的渗漏进行模拟。

      ( 1) 模型建立在冻土帷幕的中部，即最危险截面;

      ( 2) 冻土和土体均为各向同性体;

      ( 3) 冻土帷幕假定为厚度为 2． 0 m、平均温度为 －10 ℃ 的等温体，地铁联络通道横断面如图 1所示;

      ( 4) 冻土和未冻土均为弹塑性材料，采用 Mo-hr-Coulomb 模型进行模拟，土层参数取自《南京地铁二号线一期工程莫愁湖站—汉中门站区间岩土工程勘察报告》，如表 1 所示;

      ( 5) 根据冻土强度试验的结果，该地区的淤泥质粉质粘土在 － 10 ℃ 时的强度参数可取为: 抗压强度σ_c= 5． 0 MPa，抗拉强度 σ_t= 1． 8 MPa，抗剪强度σ_τ= 1． 5 MPa;

      ( 6) 渗流过程中，假定各土层的垂直渗透系数与水平渗透系数相同，见表 1 所示;

      ( 7) 开挖过程中，假定冻土的温度恒定，即不考虑开挖对冻土帷幕温度的影响;

      ( 8) 假设冻土帷幕分别在拱顶、拱角、底角处存在 0． 2 m 未冻土柱，并发生渗漏。

      有限元模型沿地铁联络通道断面横向取70 m，沿垂直方向取 50 m，即可满足一般计算精度的边界要求。所建计算模型共划分了 1 897 个节点，2 688 个单元，单元为三角形和四边形。模型上表面为自由边界，底面和侧面为位移边界，底面限制垂直移动，侧面限制水平移动。模型左右两侧和底面边界为流线边界，即流量为零的边界。地下水埋深 2． 5 m，在整个计算过程中水位边界条件不变。当拱顶发生渗漏时，计算模型如图 2 所示。当拱角和底角分别发生渗漏时的计算模型尺寸及边界条件与拱顶发生渗漏时的相同，拱角与底角位置如图 1 所示。数值分析过程: 首先形成自重应力场，并把得到的位移场赋予零值。随后进行联络通道内土体开挖，得到由此产生的模型位移和应力变化。计算过程采用了流体-力耦合分析。

式中: Θ_w为体积含水量，Θ_w= ns; M_V为土骨架的体积压缩系数。

 

      冻结法施工过程中，地铁联络通道在冻土帷幕的保护下进行开挖，数值模型设定开挖时冻土帷幕内不存在未冻土柱( 图 4) 和拱顶存在 0． 2 m 的未冻土柱两种情况( 图 5，图 6) 。其中垂直方向隆起为正，沉降为负。

      由图 4 可知，地铁联络通道土体开挖过程中并没有因为卸荷而发生沉降，所有的土压力均被冻土帷幕承担，并出现上浮，地表产生隆起，与文献［10］中地表变形监测的结果相一致，随冻土帷幕的形成，地表隆起变形增大，最终趋于稳定。联络通道上方土体隆起，最大值为 6． 5 mm，随水平距离的增大，隆起量逐渐减小，并在距离联络通道纵向轴线 15 m 以外的地表发生固结沉降，沉降量随水平距离的增长逐渐增大，最大沉降量达 8 mm。联络通道开挖后冻土帷幕作为支护结构体，底部隆起量为 22 mm，并随深度的增加递减。由图 5 可知，冻土帷幕拱顶存在0． 2 m 未冻土柱时，拱顶处土体强度低，联络通道开挖后，土中应力重分布，与冻土帷幕无未动土柱时开挖相比，拱顶处下沉量达10 mm。由图 6 可知，在渗流作用下，周围土体发生排水固结，土中应力重分布，地表发生固结沉降。渗流发生 15 d 时，联络通道上方地表沉降最大值达到 40 mm，联络通道两侧 30 m 处地表沉降最大值为 56 mm。

      地铁联络通道在冻土帷幕中不存在未冻土柱和拱顶存在 0． 2 m 未冻土柱发生渗漏 15 d 后引起的水平方向变形如图 7、图 8 所示，其中水平方向左为正，向右为负。

      由图 7 可知，地铁联络通道在冻土帷幕内无未冻土柱时开挖，使冻土帷幕两侧产生向外的变形量为 3 mm，并呈蝶形分布。如图 8 所示，在拱顶发生渗漏 15 d 后，冻土帷幕两侧产生的向外变形量最大值达 8 mm。

      渗漏分别发生在拱顶、拱角、底角时的地表沉降曲线如图 9 ～11 所示。

      拱顶渗漏发生 1 d、2 d、5 d、8 d、15 d 时，联络通道轴线垂直方向地表沉降曲线如图 9 所示，从图中可得不同时间段内地表沉降大小，随时间的增长，地表沉降呈现越来越大的趋势。冻土帷幕拱角、底角处发生渗漏 15 d 时地表沉降曲线如图10 ～ 11 所示。与渗漏发生在拱顶时相比，地表沉降曲线形状基本一致，发生渗漏的一侧地表沉降较大。渗 漏 发 生 在 拱 角 时，地 表 最 大 沉 降 达 到57 mm; 渗漏发生在底角时，地表最大沉降达到61 mm。

      在尚未考虑地面超载的情况下，联络通道开挖时冻土帷幕内存在未冻土柱，通道所在地层富含地下水，渗透系数较大，短时间内将产生较大的地表变形沉降，危及上部建筑、地面交通及地下管线安全。以联络通道施工过程中地表沉降达到预警值 30 mm 为标准，即当冻土帷幕拱顶发生渗漏10 d、拱角发生渗漏 8 d、底角发生渗漏 7 d 前，必须对冻土帷幕渗漏点进行封堵，加固渗漏处土体，阻止地面发生更大沉降。

 

      利用有限元方法对联络通道冻土帷幕分别在拱顶、拱角、底角处发生渗漏的三种情况进行数值模拟，得出以下结论:

      ( 1) 地铁联络通道开挖，引起土体应力重分布，导致上方地表隆起，联络通道两侧15 m 以外地表沉降，冻土帷幕产生向外的变形。

      ( 2) 地铁联络通道开挖后，由于冻土帷幕出现渗漏，导致周围土层发生排水固结，地表产生较大沉降。底角渗漏 15 d 时，地表沉降达到最大值61 mm。

      ( 3) 以联络通道施工过程中地表沉降达到预警值 30 mm 为标准，即当冻土帷幕拱顶发生渗漏10 d、拱角发生渗漏 8 d、底角发生渗漏 7 d 时，必须对冻土帷幕渗漏点进行封堵，加固渗漏处土体，阻止地面发生更大沉降。

 

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