凍結法施工方案比選研究

毛鍇文 李一文 徐 欣 胡官晨 王效賓

（1.常熟理工學院， 江蘇 常熟 215500）

0 引言

在地鐵隧道盾構進出洞施工時，人工凍結法以出色的防水性成為常用的支護方法，但該工法施工時也易產生過量的凍脹融沉，對地下建筑物造成破壞。目前凍結法施工可采用兩種方式進行，一是直接采用凍結法；二是水泥改良土凍結法，即對將要凍結的土體采用水泥進行事先改良，使得未凍土的含水率降低，阻斷凍結時水份遷移的通道，從而達到控制凍脹融沉的目的。

為研究兩種凍結法施工方案的優缺點，促進人工凍結法在地下工程中的推廣應用，本文以數值模擬為研究方法，對兩種施工方案進行了比選研究。

1 研究方法

本文以有限元計算為手段，對同尺寸水泥土與原狀土凍土帷幕進行了對比研究，分析了兩種工法施工時溫度場發展與分布規律的差異、位移場發展與分布規律的差異，安全系數的差異，具體模擬方式如下：

1.1 計算基本假定

計算中基本假定如下：①假定地表和各土層均呈勻質水平層狀分布；②凍土帷幕為-10℃的等溫體；③不考慮受施工擾動影響范圍內的土體物理力學參數的改變。

1.2 材料參數及有限元計算模型

有限元計算時，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。

表1 -10℃凍土有限元計算參數

計算區域取隧道出洞洞中線上方至地面、下取 20m，從隧道縱向中點往兩頭方向各取40m，自地下連續墻沿隧道軸線方向取40m，整個計算區域為40 80 40m，坐標原點位于隧道中心，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。模型采用三維八節點單元劃分，最大劃分間距為4m，對凍土帷幕區域進行了加密。

1.3 計算方法

根據盾構出洞施工工藝，當地下連續墻開口洞體全部開挖，由凍土帷幕承受全部水土壓力時為最不利工況，對此工況進行有限元計算，獲得此工況時凍土帷幕的應力，與凍土材料強度對比即可算出凍土帷幕的安全系數。

2 結果分析

2.1 溫度場對比

圖1為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍結時設計凍土壁表面點溫度隨時間變化曲線。由圖可見，同尺寸的凍土帷幕，水泥土凍結速度大于原狀土凍結速度，水泥土凍結帷幕完成凍結約需要32天，原狀土凍結帷幕完成凍結約需要40天，究其原因是原狀土變為水泥土后，導熱系數增加，比熱容減小，導熱系數增加可使單位時間內由凍結管傳遞給土體的冷量增加，引起凍結時間縮短，比熱容減小可使土體溫度每降低一度所需冷量減小，也引起凍結時間縮短。

圖1 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍結時設計凍土壁表面點溫度隨時間變化曲線

圖2 為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融化時土體最低溫度隨時間變化曲線。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，水泥土凍結帷幕完成解凍約需要68天，原狀土凍結帷幕完成解凍約需要83天，產生這種現象的原因依然是原狀土變為水泥土后，導熱系數增加、比熱容減小。

圖2 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融化時土體最低溫度隨時間變化曲線

2.2 位移場對比

圖3 為同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕凍脹時隧道縱斷面地表沉降曲線。由圖可見，兩種土質的凍土帷幕凍脹時地表位移分布規律相似，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；原狀土凍土帷幕凍脹時，地表最大凍脹位移為17.75cm，水泥土凍土帷幕凍脹時，地表最大凍脹位移為7.6 cm，遠小于原狀土凍土帷幕凍脹時的地表位移，表明采用“水泥改良土凍結法”可以減小凍脹對周圍建筑物的影響。

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時隧道縱斷面地表沉降曲線。由圖可見，兩種土質的凍土帷幕融沉時地表位移分布規律相似，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時，地表最大融沉位移為 13.09cm，水泥土凍土帷幕融沉時，地表最大融沉位移減小為4.96cm，遠小于原狀土凍土帷幕融沉時的地表位移，產生這種現象的原因是：原狀土經水泥土改良后，土體含水率降低，土體凍結時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大幅度減小。

圖4 同尺寸水泥土和原狀土凍土帷幕融沉時隧道縱斷面地表沉降曲線

2.3 安全性對比

根據應力計算結果，表 2給出了原狀土與水泥土加固體強度驗算對比表。由表6-10可以看出，盡管水泥土凍土帷幕的最大拉應力和最大壓應力大于原狀土凍土帷幕，但由于凍結水泥土強度遠大于原狀土凍結強度，使水泥土凍土帷幕的安全系數更高，原狀土凍土帷幕安全系數為2.53，水泥土凍土帷幕安全系數為4.19。

表2 原狀土與水泥土加固體強度驗算對比表

3 結論

（1）同尺寸的凍土帷幕，水泥土凍結帷幕凍結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時地表位移分布規律相似；

（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，水泥土改良凍土帷幕的安全系數更高，故凍結法施工時，宜優先采用水泥土改良凍結方案。