曹 廣 勤

(北京城建中南土木工程集團有限公司，北京 102200)

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)迅猛發(fā)展，凍結(jié)法加固土體因其強度大、止水好、安全性高等特點在復(fù)雜地層聯(lián)絡(luò)通道及端頭井設(shè)計與施工中逐漸被采用，尤其是富水砂層凍結(jié)加固效果更好。一般聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法設(shè)計屬于專項設(shè)計，聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計比較固定，凍結(jié)法加固設(shè)計也相對穩(wěn)定，沒有較大的突破?，F(xiàn)在凍結(jié)設(shè)計時普遍參照該地區(qū)以往工程實踐及成果，當(dāng)該地區(qū)沒有類似可參考的設(shè)計案例時往往也是借鑒其他地區(qū)相似地層的設(shè)計。這樣做雖然能夠滿足施工要求，可是往往需要優(yōu)化凍結(jié)參數(shù)、調(diào)整凍結(jié)時間來實現(xiàn)。

人工凍土物理力學(xué)性能指標是凍結(jié)法設(shè)計和施工的基本參數(shù)。能夠比較科學(xué)的指導(dǎo)設(shè)計，優(yōu)化方案。

1 試樣的基本情況

哈爾濱軌道交通2號線土建02標哈爾濱北站—大耿家站區(qū)間設(shè)3個聯(lián)絡(luò)通道，其中1號通道兼泵站，通道所處地層為粉砂層。根據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗方法標準中的規(guī)定，并參照中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT/T 593.1—2011人工凍土試驗取樣及試樣制備方法，按天然含水率和天然密度加工制成試驗所需的重塑土試樣，并測定試樣的實際含水率和密度，要求其誤差分別不超過±1.0%和0.3 g/cm3。

試驗所需試樣規(guī)格與數(shù)量見表1。

表1 凍土試驗試樣規(guī)格

2 凍土物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)試驗方案要求，本次凍土試驗要求一個負溫等級：-10 ℃。在試樣養(yǎng)護及試驗過程中通過制冷壓縮機組向恒溫試驗箱有規(guī)律供冷，保證恒溫養(yǎng)護箱及試驗箱內(nèi)的環(huán)境溫度維持在凍土試驗所要求的設(shè)計恒溫等級。養(yǎng)護及試驗過程中，采用溫度傳感器及自動記錄儀進行溫度監(jiān)測和溫度記錄。為確保試驗結(jié)果的準確性，試驗溫度波動范圍嚴格控制在±0.2 ℃以內(nèi)。

2.1 凍土單軸試驗

按照中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT/T 593.4—2011人工凍土單軸抗壓強度試驗方法，采用恒應(yīng)變速率控制加載方式，在WDT-100凍土試驗機對凍土進行無圍壓單軸抗壓強度試驗，采用恒應(yīng)變速率控制方式加載，應(yīng)變速率為1%/min。試驗要求取得凍土單軸抗壓強度結(jié)果、凍土彈性模量、凍土泊松比。

本次凍土單軸試驗共三組，在一個溫度等級(-10 ℃)條件下進行凍土單軸抗壓強度試驗。凍土的強度與溫度的關(guān)系密切相關(guān)，隨著溫度的降低，強度增大。

在試驗數(shù)據(jù)處理過程中，凍土彈性模量的確定是依據(jù)凍土單軸瞬時抗壓強度試驗數(shù)據(jù)，取瞬時抗壓強度(σs)的1/2與其所對應(yīng)的應(yīng)變值(ε/2)的比值，即E=(σs/2)/(ε/2)，也可以根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線獲得。

凍土的泊松比為凍土在彈性范圍內(nèi)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，即μ=ε2/ε1。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析與整理,凍土單軸抗壓強度值、凍土彈性模量、凍土泊松比試驗結(jié)果見表2。

表2 凍土單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比試驗結(jié)果

單軸試驗曲線：各層位-10 ℃單軸試驗曲線見圖1。

2.2 凍土抗折強度試驗

根據(jù)MT/T 593.8—2011人工凍土抗折強度試驗方法，采用試驗力控制加載方式，在WDT-100凍土試驗機上進行凍土抗折強度試驗，加載速率60 N/s。

試驗結(jié)果見表3。

表3 凍土三軸剪切試驗結(jié)果

3 凍結(jié)法專項設(shè)計

3.1 凍結(jié)壁設(shè)計要求

1)凍土強度的設(shè)計指標為：單軸抗壓強度不小于4 MPa，抗折不小于1.8 MPa，抗剪不小于1.5 MPa(-10 ℃)。

2)設(shè)計凍結(jié)壁的有效厚度為：1號聯(lián)絡(luò)通道兼泵站凍結(jié)壁2 000 mm，2號、3號聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁1 800 mm。

3.2 凍結(jié)孔布置原則

1)根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔按上仰、水平、下俯三種角度布置在聯(lián)絡(luò)通道和泵房的四周。

2)凍結(jié)孔開孔位置誤差不宜大于100 mm，應(yīng)避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。

3)聯(lián)絡(luò)通道兼泵房底部用“V”字形布孔方式，開挖時泵房外圍凍結(jié)管不割除。

4)施工凍結(jié)孔時土體流失量不得大于凍結(jié)孔體積，否則應(yīng)及時進行注漿控制地層沉降。

3.3 主要凍結(jié)施工參數(shù)

主要凍結(jié)參數(shù)見表4。

哈爾濱軌道交通2號線土建03標大耿家—龍川路區(qū)間設(shè)置兩座聯(lián)絡(luò)通道其中一座兼泵站，一號聯(lián)絡(luò)通道兼泵站已經(jīng)施工結(jié)束，凍結(jié)法設(shè)計采用經(jīng)驗值及相似地層施工成果，表5為2.3標大—龍區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法設(shè)計主要施工參數(shù)一覽表。

表4 主要凍結(jié)施工參數(shù)一覽表

表5 2.3標大—龍區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法設(shè)計主要施工參數(shù)一覽表

從表4，表5的主要凍結(jié)參數(shù)可以看出，2.2標以凍土試驗結(jié)果為基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計，比2.3標積極凍結(jié)時間均減少3 d，單個聯(lián)絡(luò)通道成本節(jié)約約6萬元。在滿足凍結(jié)強度的條件下，凍結(jié)帷幕厚度也相應(yīng)減小了，這樣對凍脹控制有利，同時也有效減少了后期融沉注漿的工作量。

4 結(jié)論與建議

1)溫度等級(-10 ℃)條件下的凍土單軸抗壓強度試驗均值達到4.16 MPa。滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計中要求的不低于4 MPa。

2)根據(jù)凍結(jié)試驗結(jié)果，經(jīng)計算2號、3號聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕厚度為1 800 mm。減小了凍結(jié)加固體量，從而減小了凍脹量及后期融沉注漿的工作量。

3)哈爾濱軌道交通2.2標聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期設(shè)計比相鄰標段2.3標設(shè)計積極期減少3 d。

4)單個聯(lián)絡(luò)通道造價降低成本約8萬元。節(jié)約水電費及融沉注漿。

5)建議新開工城市軌道交通線路聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計前要做人工凍土力學(xué)試驗。相鄰標段相似地層可借鑒該試驗成果。