凍結(jié)法施工方案比選研究

毛鍇文 李一文 徐 欣 胡官晨 王效賓

（1.常熟理工學(xué)院， 江蘇 常熟 215500）

0 引言

在地鐵隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞施工時(shí)，人工凍結(jié)法以出色的防水性成為常用的支護(hù)方法，但該工法施工時(shí)也易產(chǎn)生過量的凍脹融沉，對(duì)地下建筑物造成破壞。目前凍結(jié)法施工可采用兩種方式進(jìn)行，一是直接采用凍結(jié)法；二是水泥改良土凍結(jié)法，即對(duì)將要凍結(jié)的土體采用水泥進(jìn)行事先改良，使得未凍土的含水率降低，阻斷凍結(jié)時(shí)水份遷移的通道，從而達(dá)到控制凍脹融沉的目的。

為研究兩種凍結(jié)法施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，促進(jìn)人工凍結(jié)法在地下工程中的推廣應(yīng)用，本文以數(shù)值模擬為研究方法，對(duì)兩種施工方案進(jìn)行了比選研究。

1 研究方法

本文以有限元計(jì)算為手段，對(duì)同尺寸水泥土與原狀土凍土帷幕進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了兩種工法施工時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律的差異、位移場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律的差異，安全系數(shù)的差異，具體模擬方式如下：

1.1 計(jì)算基本假定

計(jì)算中基本假定如下：①假定地表和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布；②凍土帷幕為-10℃的等溫體；③不考慮受施工擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的土體物理力學(xué)參數(shù)的改變。

1.2 材料參數(shù)及有限元計(jì)算模型

有限元計(jì)算時(shí)，未凍土和凍土均按Mohr-Coulomb模型材料考慮，表1為-10℃凍土材料參數(shù)。

表1 -10℃凍土有限元計(jì)算參數(shù)

計(jì)算區(qū)域取隧道出洞洞中線上方至地面、下取 20m，從隧道縱向中點(diǎn)往兩頭方向各取40m，自地下連續(xù)墻沿隧道軸線方向取40m，整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 80 40m，坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道中心，x軸與隧道中心線重合，y軸與隧道軸線垂直，z軸為豎直方向。

整體模型的頂面（地面）為自由面，前后左右四個(gè)垂直面上水平位移約束，底面上水平和垂直位移均約束。荷載考慮重力荷載，不考慮地面超載情況。模型采用三維八節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐?，最大劃分間距為4m，對(duì)凍土帷幕區(qū)域進(jìn)行了加密。

1.3 計(jì)算方法

根據(jù)盾構(gòu)出洞施工工藝，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻開口洞體全部開挖，由凍土帷幕承受全部水土壓力時(shí)為最不利工況，對(duì)此工況進(jìn)行有限元計(jì)算，獲得此工況時(shí)凍土帷幕的應(yīng)力，與凍土材料強(qiáng)度對(duì)比即可算出凍土帷幕的安全系數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)對(duì)比

圖1為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍結(jié)時(shí)設(shè)計(jì)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖可見，同尺寸的凍土帷幕，水泥土凍結(jié)速度大于原狀土凍結(jié)速度，水泥土凍結(jié)帷幕完成凍結(jié)約需要32天，原狀土凍結(jié)帷幕完成凍結(jié)約需要40天，究其原因是原狀土變?yōu)樗嗤梁?，?dǎo)熱系數(shù)增加，比熱容減小，導(dǎo)熱系數(shù)增加可使單位時(shí)間內(nèi)由凍結(jié)管傳遞給土體的冷量增加，引起凍結(jié)時(shí)間縮短，比熱容減小可使土體溫度每降低一度所需冷量減小，也引起凍結(jié)時(shí)間縮短。

圖1 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍結(jié)時(shí)設(shè)計(jì)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖2 為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融化時(shí)土體最低溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖可見，同尺寸的凍土帷幕，水泥土解凍速度大于原狀土解凍速度，水泥土凍結(jié)帷幕完成解凍約需要68天，原狀土凍結(jié)帷幕完成解凍約需要83天，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因依然是原狀土變?yōu)樗嗤梁螅瑢?dǎo)熱系數(shù)增加、比熱容減小。

圖2 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融化時(shí)土體最低溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2 位移場(chǎng)對(duì)比

圖3 為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍脹時(shí)隧道縱斷面地表沉降曲線。由圖可見，兩種土質(zhì)的凍土帷幕凍脹時(shí)地表位移分布規(guī)律相似，均隨著與出洞口距離的增加先增大后減小，最大位移所在的位置在同一點(diǎn)；原狀土凍土帷幕凍脹時(shí)，地表最大凍脹位移為17.75cm，水泥土凍土帷幕凍脹時(shí)，地表最大凍脹位移為7.6 cm，遠(yuǎn)小于原狀土凍土帷幕凍脹時(shí)的地表位移，表明采用“水泥改良土凍結(jié)法”可以減小凍脹對(duì)周圍建筑物的影響。

圖3 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍脹時(shí)隧道縱斷面地表沉降曲線

圖 4為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融沉?xí)r隧道縱斷面地表沉降曲線。由圖可見，兩種土質(zhì)的凍土帷幕融沉?xí)r地表位移分布規(guī)律相似，均隨著與出洞口距離的增加逐漸減小，最大位移位于出洞口正上方。原狀土凍土帷幕融沉?xí)r，地表最大融沉位移為 13.09cm，水泥土凍土帷幕融沉?xí)r，地表最大融沉位移減小為4.96cm，遠(yuǎn)小于原狀土凍土帷幕融沉?xí)r的地表位移，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：原狀土經(jīng)水泥土改良后，土體含水率降低，土體凍結(jié)時(shí)水份遷移的通道被有效阻斷，從而使凍土帷幕凍脹率和融沉系數(shù)大幅度減小。

圖4 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融沉?xí)r隧道縱斷面地表沉降曲線

2.3 安全性對(duì)比

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，表 2給出了原狀土與水泥土加固體強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)比表。由表6-10可以看出，盡管水泥土凍土帷幕的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力大于原狀土凍土帷幕，但由于凍結(jié)水泥土強(qiáng)度遠(yuǎn)大于原狀土凍結(jié)強(qiáng)度，使水泥土凍土帷幕的安全系數(shù)更高，原狀土凍土帷幕安全系數(shù)為2.53，水泥土凍土帷幕安全系數(shù)為4.19。

表2 原狀土與水泥土加固體強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)比表

3 結(jié)論

（1）同尺寸的凍土帷幕，水泥土凍結(jié)帷幕凍結(jié)速度和融沉速度均大于原狀土速度；

（2）兩種施工方案的凍土帷幕凍脹融沉?xí)r地表位移分布規(guī)律相似；

（3）水泥土改良凍土帷幕凍脹融沉引起的地表變形小于原狀土凍土帷幕；

（4）在最不利工況時(shí)，水泥土改良凍土帷幕的安全系數(shù)更高，故凍結(jié)法施工時(shí)，宜優(yōu)先采用水泥土改良凍結(jié)方案。