聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程中凍土力學(xué)性能研究及安全性評價(jià)

伍世龍 楊登獻(xiàn) 譚遠(yuǎn)志 鄭 軍 郭書剛 邢 樂

(1.中國中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司，511458，廣州；2.中煤光華地質(zhì)工程有限公司，056004，邯鄲∥第一作者，高級工程師)

當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀诮Y(jié)冰溫度時(shí)，土層中的水會結(jié)冰，形成含有冰層的凍土[1]。凍土是一種包含固體土顆粒、未凍水、冰、空氣等組分的復(fù)雜多相介質(zhì)，其狀態(tài)會隨環(huán)境條件而發(fā)生變化。因此，凍土的性質(zhì)比常規(guī)土更加復(fù)雜[2-3]。凍土的力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，確定凍土的力學(xué)參數(shù)在人工凍結(jié)法理論與實(shí)踐中具有重要意義[4-6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對人工凍土力學(xué)性質(zhì)的研究較多，并取得了大量研究成果[7-9]。

地鐵聯(lián)絡(luò)通道是地鐵工程中必不可少的重要工程，設(shè)置在兩條隧道中間，可以起到逃生、排水及防火等作用[10]。聯(lián)絡(luò)通道為高風(fēng)險(xiǎn)工程，目前經(jīng)常采用人工凍結(jié)法對地層進(jìn)行加固，在待開挖土體周圍形成封閉的凍結(jié)壁，然后采用礦山法暗挖施工[11-12]。隔水性好、對周邊環(huán)境影響小、加固后土體強(qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn)使凍結(jié)法能有效克服含水地層地下工程施工中存在的安全隱患[13-14]。凍結(jié)法已廣泛地應(yīng)用到隧道、深基坑、地鐵聯(lián)絡(luò)通道以及緊急搶險(xiǎn)修復(fù)等各項(xiàng)地下工程中。

廣州地鐵7號線一期工程西延伸線順德段的北滘新城站—林頭站區(qū)間設(shè)3座聯(lián)絡(luò)通道，均采用人工凍結(jié)法加固地層，礦山暗挖法施工。2#聯(lián)絡(luò)通道及泵房所處地層復(fù)雜，且埋深最深，凍結(jié)壁厚度最大，因此，本文以2#聯(lián)絡(luò)通道及泵房為例，開展聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁物理力學(xué)性能試驗(yàn)及安全性評價(jià)。

1 工程概況

2#聯(lián)絡(luò)通道及泵房中心距為13.01 m，左線隧道中心標(biāo)高為-26.88 m，右線隧道中心標(biāo)高為-26.89 m，聯(lián)絡(luò)通道及泵房所處位置地面標(biāo)高為+2.83 m。聯(lián)絡(luò)通道及泵房隧道中心埋深為29.82 m，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為2.4 m，凍結(jié)帷幕平均溫度≤-10 ℃。佛山市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，雨量充足，年平均氣溫22.1 ℃。地質(zhì)勘察報(bào)告表明地表以下1.0 m地溫為26.6～27.2 ℃。

2#聯(lián)絡(luò)通道及泵房設(shè)計(jì)凍結(jié)壁立面圖如圖1所示。地層由淺至深依次為中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂和強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖。取佛山地區(qū)典型的粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂為研究對象，研究其形成凍土的物理力學(xué)性能，土體基本物理參數(shù)見表1。

圖1 2#聯(lián)絡(luò)通道及泵房凍結(jié)壁剖面圖

表1 土樣物理參數(shù)

2 凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)簡介

凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備及夾具如圖2所示。對粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂進(jìn)行-5 ℃、-10 ℃以及-15 ℃這3個溫度下的人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載應(yīng)變速率保持恒定值1%/min。凍土試樣采用重塑方式制備，規(guī)格為Φ61.8 mm×150 mm。

圖2 凍土單軸試驗(yàn)機(jī)及夾具照片

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得到在-5 ℃、-10 ℃以及-15 ℃條件下，粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂凍土單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖3～4所示。由圖3～4可得到：

圖3 不同溫度條件下的粉質(zhì)黏土單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性快速發(fā)展，達(dá)到一定值后會趨于緩慢，最后保持穩(wěn)定或略有下降。

圖4 不同溫度下粉細(xì)砂單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2)相同土層、相同凍結(jié)溫度下的試樣其應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線規(guī)律一致。但由于樣本及試樣不確定因素的影響，個別試樣可能存在偏差。

3)在彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變線性相關(guān)；試樣塑性屈服后其應(yīng)力達(dá)到最大值；之后應(yīng)變持續(xù)增大，而應(yīng)力開始減小，表現(xiàn)出軟化型。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得到凍土單軸抗壓強(qiáng)度值、彈性模量和泊松比，如表2所示。由表2可知：凍結(jié)溫度越低，凍土的單軸抗壓強(qiáng)度以及彈性模量均會增大；與粉質(zhì)黏土相比，粉細(xì)砂在相同凍結(jié)溫度下的單軸抗壓強(qiáng)度以及彈性模量均較大。

表2 凍土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 凍土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)凍土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在凍土試驗(yàn)機(jī)上開展凍土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，凍土抗折試驗(yàn)加載夾具如圖5所示。對粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂進(jìn)行-10 ℃下的人工凍土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，控制加載試驗(yàn)力速率保持恒定值60 N/s進(jìn)行加載，得到粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂的抗折強(qiáng)度分別為2.383 MPa和2.048 MPa。

圖5 凍土抗折試驗(yàn)照片

4 安全性評價(jià)

4.1 數(shù)值模型及邊界條件

2#聯(lián)絡(luò)通道及泵房設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為2.4 m。為檢驗(yàn)凍結(jié)壁安全性，利用ANSYS模擬軟件對凍結(jié)壁安全性進(jìn)行模擬分析。凍土物理力學(xué)參數(shù)通過前述試驗(yàn)獲得。根據(jù)對稱性，建立1/4模型。邊界條件為：模型外側(cè)水平位移固定，模型對稱面位移固定，模型頂部為自由邊界條件，采用M-C本構(gòu)模型。

4.2 結(jié)果分析

通過計(jì)算獲得聯(lián)絡(luò)通道段及泵房凍結(jié)壁的第一主應(yīng)力、剪應(yīng)力和位移，以此判斷聯(lián)絡(luò)通道開挖后，凍結(jié)壁獨(dú)自承載條件下的安全性及可靠性。ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果如圖6～7所示和表3所示。

表3 凍結(jié)壁最大應(yīng)力和位移的模擬結(jié)果

圖6 聯(lián)絡(luò)通道段模擬結(jié)果

對聯(lián)絡(luò)通道段及泵房凍結(jié)壁應(yīng)力狀態(tài)和位移模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以得到：聯(lián)絡(luò)通道段上部凍土主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而下部凍土主要處于彎拉應(yīng)力狀態(tài)；凍結(jié)壁與隧道連接界面的上部位置局部會存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；凍結(jié)壁最大彎拉應(yīng)力為0.11 MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)到0.72 MPa。泵房底板凍土主要處于彎拉應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力值為0.25 MPa；泵房側(cè)壁凍土主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在側(cè)壁與底板交接處，最大值為1.05 MPa。凍結(jié)剪應(yīng)力分布特征與上述結(jié)果相似，在凍結(jié)壁與隧道接觸界面的上部出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，為0.39 MPa。聯(lián)絡(luò)通道段最大變形位于聯(lián)絡(luò)通道中間底板位置處，達(dá)到10.3 mm；泵房底部中間位移較大，最大達(dá)到18.1 mm。

圖7 泵房段模擬結(jié)果

根據(jù)模擬得到的凍結(jié)壁應(yīng)力與變形結(jié)果，可進(jìn)一步計(jì)算凍結(jié)壁的安全系數(shù)。凍結(jié)壁抗彎、抗壓及抗剪安全系數(shù)均滿足DBJT 13-280—2018《通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》中給出的標(biāo)準(zhǔn)值，滿足安全設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果是安全的。因此，凍結(jié)帷幕安全系數(shù)滿足要求，能夠保證暗挖施工過程的可靠性和安全性。

5 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得不同凍結(jié)溫度下粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂凍土力學(xué)性能參數(shù)。采用ANSYS模擬軟件對凍結(jié)壁應(yīng)力狀況和位移進(jìn)行分析，并對開挖后凍結(jié)壁安全性及可靠性進(jìn)行評估。如下研究結(jié)論可為類似工程提供參考。

1)加載初期，凍土應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性快速發(fā)展，達(dá)到一定值后會趨于緩慢，最后保持穩(wěn)定或略有下降。彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€變化，達(dá)到塑性屈服后應(yīng)力達(dá)到峰值；隨后應(yīng)變持續(xù)增大，應(yīng)力降低，應(yīng)力-應(yīng)變呈軟化型。

2)聯(lián)絡(luò)通道上部凍土主要處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而下部凍土主要處于彎拉應(yīng)力狀態(tài)，凍結(jié)壁與隧道連接界面的上部位置局部會存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。凍結(jié)壁最大彎拉應(yīng)力為0.11 MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)到0.72 MPa。聯(lián)絡(luò)通道最大變形位于通道中間底板位置，為10.3 mm；泵房底部中間位移較大，最大值為18.1 mm。

3)凍結(jié)帷幕安全系數(shù)滿足要求，能夠保證暗挖施工過程的安全性和可靠性。