复杂地层地铁联络通道冻结施工冻胀控制

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1、专业知识分享版摘要：针对地铁联络通道冻结施工时常面临的冻胀过大且冻胀率较难测定的施工难题，依托杭州某复杂地层内越江隧道联络通道冻结施工实例，采用数值分析不同假定冻胀率对冻土体内力和主隧道变形的影响，通过冻土体内力变化制定出冻土体的临界冻胀率，同时对主隧道竖向变形进行监测，并结合主隧道计算竖向变形反馈出实际冻胀率，最后根据实际冻胀率和临界冻胀率的比较，采取相应施工措施。研究结果表明：此类地层联络通道冻结施工时，冻土体临界冻胀率为2%，可采用可观测的主隧道竖向变形监测来反馈冻土体的实际冻胀状态，当冻结和暗挖阶段

2、主隧道竖向变形量分别小于7.5mm和4.88mm时，实际冻胀率为1%~2%，冻胀对冻结效果的影响尚在可控范围内，故除常规泄压孔减胀措施，无需再采用加强减胀措施。关键词：冻结法；联络通道；冻胀率；三维数值模拟；监测自人工冻结法于1883年成功应用于阿尔巴里德煤矿深103m的9号井凿井工程后，在此后1个多世纪里，其被国内外不同国家广泛应用于煤矿、隧道、建筑基础和地铁等领域，而在地铁联络通道施工中，对于强度低、自稳性差、含水量高的软土地层，采用冻结加固是行之有效的方法，据不完全统计，上海地铁98%的联络通道和全部

3、越江隧道联络通道及泵站均采用冻结法施工［1］。人工冻结土体过程是包括冰水相变、潜热释放和水分迁移的时变和相变的物理力学问题，而联络通道冻结法施工时，常面临成孔偏斜超限、冻结冻胀过大［2］、开挖蠕变、融沉过大等问题，其中以由水分迁移引发的土体冻胀对冻结效果的影响最为突出，如上海复兴东路隧道某联络通道因冻胀应力过大，通道开挖后冻土体变形过大，冻结管断裂，影响冻结效果［2］。众多学者对联络通道的人工冻结冻胀问题进行了研究，岳丰田等［3］依托大连路隧道联络通道工程进行室内原状土冻结的模型试验，土层为强度较低、稳定性

4、较差的淤泥质粘土和粉质粘土，试验得到有荷条件下冻土体达到设计厚度时冻胀率为0.76%；仇培云等［4］对大连路隧道联络通道附近主隧道竖向变形进行跟踪监测并得出隧道变形在冻结初期缓慢发展且有波动，交圈过程迅速上升并达最大，且后续下降的结论；陈沙，杨文武等［5］依托崇明长江隧道联络通道工程采用FLAC3D对冻结过程进行三维力学分析，联络通道所在土层为灰色砂质粉土，得出随着冻土体的冻胀率增大，冻土体应力相应增加，假定冻胀率不超过6%时，冻土体计算强度值均小于设计值。国内对联络通道冻结体冻胀问题的现有研究多集中于室内

5、试验、数值模拟和现场监测的手段，此3种研究手段各有优势和不足，室内模型实验可定性反映冻胀变化，但由于和实际状态的差异性，较难得出冻土体实际冻胀状态；现场监测虽能得到冻胀压力和主隧道的变形规律，但无法直接对冻土体的实际冻胀状态进行定量判断；而数值模拟的准确性受制于参数的取值和模拟方法的选取。同时现有研究尚未给出联络通道实际冻结施工时能定量判断冻土体冻胀状态的有效方法，而由于联络通道冻结加固施工自身存在较大的风险，尤其当联络通道周边地层为复杂地层时，施工风险更大，若能定量判断冻土体冻胀状态，则能更好地控制冻结效

6、果。以国内某越江隧道复杂地层条件下联络通道冻结加固的工程实例为背景，发挥室内试验、数值模拟和现场监测3种研究手段各自优势，首先对联络通道所在土层分别进行室内冻土试验测定其特性和强度，为数值模拟所用参数提供依据；并通过ansys建立三维有限元模型，根据规范规定的联络通道周边冻土体冻胀率范围［6］，分析不同假定冻胀率对冻土体内力和主隧道变形的影响，通过冻土体内力设计值与实际值的差值（即实际安全系数）与规范规定的安全系数［7］对比结果制定出冻土体临界冻胀率；同时对冻结法施工各阶段主隧道变形进行监测，结合主隧道计算

7、变形量反馈出冻土体的实际冻胀率，最后将临界冻胀率与实际冻胀率进行比较，实际冻胀率超出临界冻胀率时，加强减胀措施来减小冻胀，控制冻结效果。1工程背景介绍杭州某越江隧道主隧道外径6.2m、内径为5.5m，左右线通道中心标高均为-23.522使命：加速中国职业化进程联系电话：0755-86153458专业知识分享版m，左右两侧主隧道中心距离为12m，联络通道由喇叭口、水平通道和通道下方的泵房3部分组成，联络通道结构从外到内主要由支护层和结构层组成，联络通道的开挖轮廓高（外放约100mm）4.455m，宽4.3m，

8、局部喇叭口处高5.895m，宽4.9m，；泵房开挖轮廓约长4.6m（沿联络通道方向），宽4.1m，深4.6m，如图1所示。联络通道所在土层主要为(1)2淤泥质粉质粘土、(9)1a粉质粘土、(12)2细砂和(12)4圆砾层，粉砂层和圆砾层均为承压水层，水头为0.23MPa，而圆砾层所含圆砾直径为0.2～2cm，含量占30%～40%，所含卵石粒径2～6cm为主，含量20％～30％，圆砾层渗透系数大、强度较高、压缩性低