聯絡通道凍結工程中凍土力學性能研究及安全性評價

伍世龍 楊登獻 譚遠志 鄭 軍 郭書剛 邢 樂

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

當地層溫度低于結冰溫度時，土層中的水會結冰，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、空氣等組分的復雜多相介質，其狀態會隨環境條件而發生變化。因此，凍土的性質比常規土更加復雜[2-3]。凍土的力學性質不穩定，確定凍土的力學參數在人工凍結法理論與實踐中具有重要意義[4-6]。目前，國內外學者對人工凍土力學性質的研究較多，并取得了大量研究成果[7-9]。

地鐵聯絡通道是地鐵工程中必不可少的重要工程，設置在兩條隧道中間，可以起到逃生、排水及防火等作用[10]。聯絡通道為高風險工程，目前經常采用人工凍結法對地層進行加固，在待開挖土體周圍形成封閉的凍結壁，然后采用礦山法暗挖施工[11-12]。隔水性好、對周邊環境影響小、加固后土體強度高等突出優點使凍結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]。凍結法已廣泛地應用到隧道、深基坑、地鐵聯絡通道以及緊急搶險修復等各項地下工程中。

廣州地鐵7號線一期工程西延伸線順德段的北滘新城站—林頭站區間設3座聯絡通道，均采用人工凍結法加固地層，礦山暗挖法施工。2#聯絡通道及泵房所處地層復雜，且埋深最深，凍結壁厚度最大，因此，本文以2#聯絡通道及泵房為例，開展聯絡通道凍結壁物理力學性能試驗及安全性評價。

1 工程概況

2#聯絡通道及泵房中心距為13.01 m，左線隧道中心標高為-26.88 m，右線隧道中心標高為-26.89 m，聯絡通道及泵房所處位置地面標高為+2.83 m。聯絡通道及泵房隧道中心埋深為29.82 m，設計凍結壁厚度為2.4 m，凍結帷幕平均溫度≤-10 ℃。佛山市屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，雨量充足，年平均氣溫22.1 ℃。地質勘察報告表明地表以下1.0 m地溫為26.6～27.2 ℃。

2#聯絡通道及泵房設計凍結壁立面圖如圖1所示。地層由淺至深依次為中粗砂、粉質黏土、淤泥質土、粉細砂和強風化含礫砂巖。取佛山地區典型的粉質黏土及粉細砂為研究對象，研究其形成凍土的物理力學性能，土體基本物理參數見表1。

圖1 2#聯絡通道及泵房凍結壁剖面圖

表1 土樣物理參數

2 凍土單軸抗壓強度試驗

2.1 試驗簡介

凍土單軸抗壓強度試驗設備及夾具如圖2所示。對粉質黏土及粉細砂進行-5 ℃、-10 ℃以及-15 ℃這3個溫度下的人工凍土單軸抗壓強度試驗，加載應變速率保持恒定值1%/min。凍土試樣采用重塑方式制備，規格為Φ61.8 mm×150 mm。

圖2 凍土單軸試驗機及夾具照片

2.2 試驗結果及分析

試驗得到在-5 ℃、-10 ℃以及-15 ℃條件下，粉質黏土及粉細砂凍土單軸抗壓應力-應變曲線分別如圖3～4所示。由圖3～4可得到：

圖3 不同溫度條件下的粉質黏土單軸抗壓應力-應變曲線

1)應力-應變曲線呈線性快速發展，達到一定值后會趨于緩慢，最后保持穩定或略有下降。

圖4 不同溫度下粉細砂單軸抗壓應力-應變曲線

2)相同土層、相同凍結溫度下的試樣其應力-應變變化曲線規律一致。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，應力-應變線性相關；試樣塑性屈服后其應力達到最大值；之后應變持續增大，而應力開始減小，表現出軟化型。

根據試驗結果可得到凍土單軸抗壓強度值、彈性模量和泊松比，如表2所示。由表2可知：凍結溫度越低，凍土的單軸抗壓強度以及彈性模量均會增大；與粉質黏土相比，粉細砂在相同凍結溫度下的單軸抗壓強度以及彈性模量均較大。

表2 凍土力學性能試驗結果

3 凍土抗折強度試驗

依據凍土試驗標準，在凍土試驗機上開展凍土抗折強度試驗，凍土抗折試驗加載夾具如圖5所示。對粉質黏土及粉細砂進行-10 ℃下的人工凍土抗折強度試驗，控制加載試驗力速率保持恒定值60 N/s進行加載，得到粉質黏土和粉細砂的抗折強度分別為2.383 MPa和2.048 MPa。

圖5 凍土抗折試驗照片

4 安全性評價

4.1 數值模型及邊界條件

2#聯絡通道及泵房設計凍結壁厚度為2.4 m。為檢驗凍結壁安全性，利用ANSYS模擬軟件對凍結壁安全性進行模擬分析。凍土物理力學參數通過前述試驗獲得。根據對稱性，建立1/4模型。邊界條件為：模型外側水平位移固定，模型對稱面位移固定，模型頂部為自由邊界條件，采用M-C本構模型。

4.2 結果分析

通過計算獲得聯絡通道段及泵房凍結壁的第一主應力、剪應力和位移，以此判斷聯絡通道開挖后，凍結壁獨自承載條件下的安全性及可靠性。ANSYS軟件計算結果如圖6～7所示和表3所示。

表3 凍結壁最大應力和位移的模擬結果

圖6 聯絡通道段模擬結果

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

圖7 泵房段模擬結果

根據模擬得到的凍結壁應力與變形結果，可進一步計算凍結壁的安全系數。凍結壁抗彎、抗壓及抗剪安全系數均滿足DBJT 13-280—2018《通道凍結法技術規程》中給出的標準值，滿足安全設計要求，計算結果是安全的。因此，凍結帷幕安全系數滿足要求，能夠保證暗挖施工過程的可靠性和安全性。

5 結語

本文通過室內試驗獲得不同凍結溫度下粉質黏土及粉細砂凍土力學性能參數。采用ANSYS模擬軟件對凍結壁應力狀況和位移進行分析，并對開挖后凍結壁安全性及可靠性進行評估。如下研究結論可為類似工程提供參考。

1)加載初期，凍土應力-應變曲線呈線性快速發展，達到一定值后會趨于緩慢，最后保持穩定或略有下降。彈性階段，應力-應變為直線變化，達到塑性屈服后應力達到峰值；隨后應變持續增大，應力降低，應力-應變呈軟化型。

2)聯絡通道上部凍土主要處于壓應力狀態，而下部凍土主要處于彎拉應力狀態，凍結壁與隧道連接界面的上部位置局部會存在應力集中現象。凍結壁最大彎拉應力為0.11 MPa，最大壓應力達到0.72 MPa。聯絡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)凍結帷幕安全系數滿足要求，能夠保證暗挖施工過程的安全性和可靠性。