劉 盼 張 舵

（1.武漢地鐵股份有限公司，湖北 武漢 430000；2.中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

當(dāng)前，人工冷凍加固技術(shù)已應(yīng)用于地鐵區(qū)間清障工程施工中。含水土體經(jīng)過冷凍后會(huì)提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并且起到隔絕地下水的作用，現(xiàn)場(chǎng)可在冷凍后凍結(jié)壁保護(hù)下進(jìn)行安全作業(yè)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于冷凍加固技術(shù)有著較長(zhǎng)的研究歷史，最早在1862年礦井施工中，英國(guó)南威爾士采用鹽水冷凍加固技術(shù)成功進(jìn)行了圍護(hù)工程作業(yè)；隨后德國(guó)技術(shù)人員利用冷凍加固技術(shù)進(jìn)行了礦井施工[1]；國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用冷凍加固技術(shù)是在1955年，用于開灤林西風(fēng)井鑿井施工[2]；2017年，董肖龍等[3]介紹了富水砂層中聯(lián)絡(luò)通道的水平凍結(jié)法施工的質(zhì)量控制方法；楊平等[4]研究了軟弱地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的凍結(jié)溫度場(chǎng)、解凍溫度場(chǎng)、凍脹融沉發(fā)展規(guī)律，為凍結(jié)法施工過程中的融沉預(yù)測(cè)與控制提供了依據(jù)。本文以武漢地鐵12號(hào)線太雙區(qū)間清障工程為例，對(duì)地層冷凍加固法施工對(duì)既有車站凍脹應(yīng)力場(chǎng)和融沉位移場(chǎng)數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

武漢地鐵12號(hào)線太雙區(qū)間下穿既有運(yùn)營(yíng)線路車站清障工程區(qū)段采用地層冷凍加固法施工，該清障井基坑設(shè)計(jì)尺寸為28m×5.8m，開挖深度約34.0m，設(shè)計(jì)開挖面積約160m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1200mm地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的型式，清障井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與既有車站附屬圍護(hù)樁凈距0.4～6.5m，依據(jù)地鐵標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定該基坑重要性等級(jí)為一級(jí)。

該工程位于長(zhǎng)江一級(jí)階地，場(chǎng)地平坦，高程約24.5m?；臃秶鷥?nèi)，從上到下依次為1-1雜填土、3-1黏土、3-4b粉質(zhì)黏土夾粉砂、3-5粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層、4-1粉細(xì)砂、4-2粉細(xì)砂、4-3中細(xì)砂、4-4含礫中粗砂、20a-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖、20a-2中風(fēng)化泥巖。坑底位于4-2粉細(xì)砂層中。場(chǎng)地地下水主要類型有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水三種類型。

2 地層冷凍加固法施工控制技術(shù)

2.1 凍結(jié)壁邊界溫控技術(shù)

在區(qū)間左右帷幕處，凍土和車站底板處設(shè)計(jì)泄壓孔[5]，防止凍脹引起凍結(jié)壁的發(fā)展，控制土體不發(fā)生較大的凍脹性。并且在卸壓孔與外圈凍結(jié)孔之間布設(shè)溫控孔。

2.2 長(zhǎng)距離泄壓孔取土泄壓技術(shù)

地面沉降抬升明顯時(shí)，采用泄壓的方式控制地面沉降量。常見的泄壓方式有：直接泄壓，水及氣沖式泄壓，螺旋鉆桿取土泄壓。

（1）直接泄壓：此種泄壓方式為直接打開泄壓孔閥門，使其泄壓孔內(nèi)的水、污泥等自行流出的泄壓方式，此種方式適用于凍結(jié)前期，即泄壓孔內(nèi)的水、污泥等還未凝結(jié)階段。

（2）水及氣沖洗泄壓孔泄壓：隨著凍結(jié)的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)泥漿較粘稠，采用直接泄壓卸不出水或泥漿時(shí)，采用水及氣沖洗泄壓孔泄壓。

（3）螺旋鉆桿取土泄壓：當(dāng)凍結(jié)到一定程度，泄壓孔中的水泥漿已凍結(jié)，采用水管沖洗泄壓方法泄壓速度較慢，且容易對(duì)土體注入水時(shí)，則采用此種方法，干式鉆進(jìn)來回緩慢取土，以達(dá)泄壓目的。

2.3 其他技術(shù)要點(diǎn)

（1）凍結(jié)施工時(shí)，采用直徑75mm螺旋鉆桿進(jìn)行取土泄壓，控制較緩速度干式鉆進(jìn)，依次增加鉆桿數(shù)量，等到桿體進(jìn)入泄壓處時(shí)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)鉆桿可帶出泄壓孔里的泥土。

（2）在既有車站附屬結(jié)構(gòu)和凍土交接面處須敷設(shè)冷凍管，保障交接面處的溫度不宜過高而引起破壞[6]。

（3）在支撐間隙之間用水泥砂漿加混凝土進(jìn)行充填，提升支撐的強(qiáng)度，并防止暴露在外的凍土帷幕破裂，進(jìn)而引起涌水滲漏的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 凍脹融沉數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值建模

采用Midas-GTS建立熱力耦合三維有限元模型，模型尺寸取52m×32m×52m，凍脹結(jié)厚度取3.0m，數(shù)值模型的側(cè)面為輥支承邊界，底面取為固定邊界，上表面為自由表面，計(jì)算井壁凍脹和融沉應(yīng)力時(shí)將車站內(nèi)側(cè)設(shè)置為自由邊界[7]。

數(shù)值計(jì)算中的未凍土、凍土和既有車站統(tǒng)一采用自由剖分四面體網(wǎng)格劃分，綜合考慮數(shù)值計(jì)算的計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格密度取較細(xì)，凍土區(qū)和車站既有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度最大，在距離凍結(jié)壁凍脹融沉作用范圍較遠(yuǎn)的區(qū)域適當(dāng)降低網(wǎng)格密度。

3.2 地層不加固條件下凍脹融沉分析

數(shù)值計(jì)算分三步進(jìn)行：（1）對(duì)凍結(jié)區(qū)施加凍脹載荷，計(jì)算既有車站結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)力和位移；（2）將隧道內(nèi)部土體挖出，并設(shè)置為自由邊界，計(jì)算在凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力經(jīng)開挖釋放和重新分配后的各點(diǎn)處的應(yīng)力和位移；（3）對(duì)凍結(jié)區(qū)施加融沉載荷，計(jì)算既有車站結(jié)構(gòu)和新開挖隧道的應(yīng)力和位移。

取土體的凍脹率1.2%，融沉率1.5%。凍土彈性模量、泊松比以及單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度變化參考同類凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告，模型所取凍土、未凍土和既有混凝土車站結(jié)構(gòu)及隧道的力學(xué)參數(shù)取值見表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)取值表

3.2.1 凍脹應(yīng)力場(chǎng)分析

凍結(jié)壁在凍脹作用下的第一主應(yīng)力為0.03MPa，位于兩凍結(jié)壁相鄰位置的中軸線上；第二主應(yīng)力為-0.2MPa，位于兩凍結(jié)壁相鄰位置的中軸線上；第三主應(yīng)力為-0.7MPa，位于凍結(jié)壁兩端邊界面上；凍結(jié)壁在凍脹作用下的vonMises等效應(yīng)力范圍為0.62MPa，位于凍結(jié)壁外表面，見圖1。

圖1 凍脹下vonMises等效應(yīng)力分布云圖

3.2.2 凍脹位移場(chǎng)分析

車站既有結(jié)構(gòu)在X軸方向最大位移為8.7×10-3mm，基本可以忽略；車站既有結(jié)構(gòu)在Y軸方向位移為3.1×10-5mm，基本可以忽略；車站既有結(jié)構(gòu)在Z軸方向位移范圍為-28.0～28.2mm，如圖2所示。因此該工況下，車站既有結(jié)構(gòu)在垂直方向位移較大，整體變形約為28.2mm，水平方向位移可忽略。

圖2 既有車站Z方向位移分布云圖

3.2.3 融沉應(yīng)力場(chǎng)分析

凍結(jié)壁在融沉作用下的第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力0.78MPa，位于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)表面；第二主應(yīng)力為0.41MPa，位于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)底部和上部表面；第三主應(yīng)力為-0.24MPa，位于兩條隧道凍結(jié)壁相鄰位置；vonMises最大等效應(yīng)力為0.74MPa，位于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)表面，如圖3所示。

圖3 凍結(jié)壁融沉vonMises等效應(yīng)力分布云圖

3.2.4 融沉位移場(chǎng)分析

融沉階段既有車站位移分布云圖見圖4。凍結(jié)壁融沉引起既有車站在X軸方向位移為1.0×10-5mm，可以忽略；在Y軸方向位移為-0.03～0.03mm；在Z軸方向位移范圍為-29.2～28.9mm。因此該工況下，車站既有結(jié)構(gòu)在豎直方向位移較大，整體變形約為29mm，水平方向位移可忽略。

圖4 融沉階段既有車站位移分布云圖

3.3 地層加固條件下凍脹融沉分析

水泥的加入可降低未凍土透水性，有效限制水分遷移，降低析冰作用，控制凍脹的發(fā)生；土顆粒間結(jié)合力加大，抗破壞能力提高，抵抗凍融破壞能力增強(qiáng)。為保證施工安全，考慮使用水泥土與人工凍結(jié)聯(lián)合加固法對(duì)地層進(jìn)行水平冷凍加固，取土體的凍脹率0.6%，融沉率0.75%，地層加固條件下力學(xué)參數(shù)取值見表2所示。

表2 力學(xué)參數(shù)取值表

3.3.1 凍脹應(yīng)力場(chǎng)分析

采取地層加固措施后，既有車站在凍脹作用下的第一主應(yīng)力為1.84MPa，位于車站豎向結(jié)構(gòu)中；第二主應(yīng)力為-0.53MPa，位于車站結(jié)構(gòu)中板上；第三主應(yīng)力為-1.91MPa，位于車站整體結(jié)構(gòu)中；既有車站在凍脹作用下的vonMises 等效應(yīng)力最大值為1.76MPa，位于車站中板處，如圖5所示。

圖5 凍脹階段vonMises等效應(yīng)力分布云圖

3.3.2 凍脹位移場(chǎng)分析

在采取地層加固措施后，車站既有結(jié)構(gòu)在凍脹階段的上浮量為3.2～3.7mm，整體結(jié)構(gòu)上浮量8.9mm，如圖6所示。

圖6 凍脹階段既有車站位移分布云圖

3.3.3 融沉應(yīng)力場(chǎng)分析

采取地層加固措施后既有車站在融沉作用下的第一主應(yīng)力為1.84MPa，拉應(yīng)力最大值位于車站豎向結(jié)構(gòu)中板處；第二主應(yīng)力為-0.56MPa，拉應(yīng)力最大值位于車站豎向結(jié)構(gòu)中板處；第三主應(yīng)力為-1.92MPa，分布于車站整體結(jié)構(gòu)處；vonMises等效應(yīng)力最大值為1.76MPa，位于車站結(jié)構(gòu)中板，如圖7所示。

圖7 融沉階段vonMises等效應(yīng)力分布云圖

3.3.4 融沉位移場(chǎng)分析

采取地層加固措施后，融沉位移分布云圖見圖8。由圖8可得車站既有結(jié)構(gòu)在融沉階段的沉降量為7.45mm，整體結(jié)構(gòu)沉降量為9.3mm。

圖8 融沉階段車站結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

3.4 凍脹融沉模擬結(jié)果

清障工程采取冷凍法加固地層前后，既有車站受凍脹融沉影響數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表3 既有車站凍脹融沉影響數(shù)據(jù)匯總

由表3可知，在不采取加固措施時(shí)，凍脹作用會(huì)造成車站結(jié)構(gòu)上抬28.2mm，融沉作用會(huì)造成車站結(jié)構(gòu)下沉29mm；若對(duì)凍土區(qū)預(yù)先采用水平冷凍加固降低土的凍脹性，凍脹引起車站結(jié)構(gòu)上抬可減小至3.7mm，小于地鐵上浮位移控制值5mm；融沉引起的車站結(jié)構(gòu)下沉可縮小至7.45mm，小于地鐵沉降控制標(biāo)準(zhǔn)10mm。

4 結(jié)束語

綜上所述，該項(xiàng)目如果采用地層冷凍加固法施工，采用Midas-GTS建立熱力耦合三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)論是：水泥漿液對(duì)地層進(jìn)行加固處理，凍脹引起車站結(jié)構(gòu)上浮量可減小至3.7mm，小于地鐵上浮位移控制5mm；融沉引起的車站結(jié)構(gòu)下沉量可縮小至7.45mm，小于地鐵沉降控制標(biāo)準(zhǔn)10mm。故地層冷凍加固法可以降低土的凍脹性。

盡管模型分析地層冷凍加固法極具有效性，但還是要結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，把住既有車站凍脹融沉這個(gè)控制的重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，注重?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況采取合理的應(yīng)對(duì)措施。