地層冷凍加固法施工對既有車站變形控制的影響分析

劉 盼 張 舵

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

0 引言

當前，人工冷凍加固技術已應用于地鐵區間清障工程施工中。含水土體經過冷凍后會提高強度和穩定性，并且起到隔絕地下水的作用，現場可在冷凍后凍結壁保護下進行安全作業。國內外對于冷凍加固技術有著較長的研究歷史，最早在1862年礦井施工中，英國南威爾士采用鹽水冷凍加固技術成功進行了圍護工程作業；隨后德國技術人員利用冷凍加固技術進行了礦井施工[1]；國內最早應用冷凍加固技術是在1955年，用于開灤林西風井鑿井施工[2]；2017年，董肖龍等[3]介紹了富水砂層中聯絡通道的水平凍結法施工的質量控制方法；楊平等[4]研究了軟弱地層聯絡通道凍結法施工的凍結溫度場、解凍溫度場、凍脹融沉發展規律，為凍結法施工過程中的融沉預測與控制提供了依據。本文以武漢地鐵12號線太雙區間清障工程為例，對地層冷凍加固法施工對既有車站凍脹應力場和融沉位移場數據變化情況進行分析。

1 工程概況

武漢地鐵12號線太雙區間下穿既有運營線路車站清障工程區段采用地層冷凍加固法施工，該清障井基坑設計尺寸為28m×5.8m，開挖深度約34.0m，設計開挖面積約160m2，圍護結構采用1200mm地下連續墻加內支撐的型式，清障井基坑圍護結構與既有車站附屬圍護樁凈距0.4～6.5m，依據地鐵標準評定該基坑重要性等級為一級。

該工程位于長江一級階地，場地平坦，高程約24.5m。基坑范圍內，從上到下依次為1-1雜填土、3-1黏土、3-4b粉質黏土夾粉砂、3-5粉質黏土、粉土、粉砂互層、4-1粉細砂、4-2粉細砂、4-3中細砂、4-4含礫中粗砂、20a-1強風化泥巖、20a-2中風化泥巖。坑底位于4-2粉細砂層中。場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

2.1 凍結壁邊界溫控技術

在區間左右帷幕處，凍土和車站底板處設計泄壓孔[5]，防止凍脹引起凍結壁的發展，控制土體不發生較大的凍脹性。并且在卸壓孔與外圈凍結孔之間布設溫控孔。

2.2 長距離泄壓孔取土泄壓技術

地面沉降抬升明顯時，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，使其泄壓孔內的水、污泥等自行流出的泄壓方式，此種方式適用于凍結前期，即泄壓孔內的水、污泥等還未凝結階段。

（2）水及氣沖洗泄壓孔泄壓：隨著凍結的持續進行，當泥漿較粘稠，采用直接泄壓卸不出水或泥漿時，采用水及氣沖洗泄壓孔泄壓。

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

2.3 其他技術要點

（1）凍結施工時，采用直徑75mm螺旋鉆桿進行取土泄壓，控制較緩速度干式鉆進，依次增加鉆桿數量，等到桿體進入泄壓處時，機械運動鉆桿可帶出泄壓孔里的泥土。

（2）在既有車站附屬結構和凍土交接面處須敷設冷凍管，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行充填，提升支撐的強度，并防止暴露在外的凍土帷幕破裂，進而引起涌水滲漏的安全風險。

3 凍脹融沉數值模擬

3.1 數值建模

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，凍脹結厚度取3.0m，數值模型的側面為輥支承邊界，底面取為固定邊界，上表面為自由表面，計算井壁凍脹和融沉應力時將車站內側設置為自由邊界[7]。

數值計算中的未凍土、凍土和既有車站統一采用自由剖分四面體網格劃分，綜合考慮數值計算的計算精度和計算時間，網格密度取較細，凍土區和車站既有結構網格密度最大，在距離凍結壁凍脹融沉作用范圍較遠的區域適當降低網格密度。

3.2 地層不加固條件下凍脹融沉分析

數值計算分三步進行：（1）對凍結區施加凍脹載荷，計算既有車站結構各處的應力和位移；（2）將隧道內部土體挖出，并設置為自由邊界，計算在凍脹產生的應力經開挖釋放和重新分配后的各點處的應力和位移；（3）對凍結區施加融沉載荷，計算既有車站結構和新開挖隧道的應力和位移。

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度隨溫度變化參考同類凍結巖土物理力學性能試驗報告，模型所取凍土、未凍土和既有混凝土車站結構及隧道的力學參數取值見表1所示。

表1 力學參數取值表

3.2.1 凍脹應力場分析

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

圖1 凍脹下vonMises等效應力分布云圖

3.2.2 凍脹位移場分析

車站既有結構在X軸方向最大位移為8.7×10-3mm，基本可以忽略；車站既有結構在Y軸方向位移為3.1×10-5mm，基本可以忽略；車站既有結構在Z軸方向位移范圍為-28.0～28.2mm，如圖2所示。因此該工況下，車站既有結構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 融沉應力場分析

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

圖3 凍結壁融沉vonMises等效應力分布云圖

3.2.4 融沉位移場分析

融沉階段既有車站位移分布云圖見圖4。凍結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，車站既有結構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，控制凍脹的發生；土顆粒間結合力加大，抗破壞能力提高，抵抗凍融破壞能力增強。為保證施工安全，考慮使用水泥土與人工凍結聯合加固法對地層進行水平冷凍加固，取土體的凍脹率0.6%，融沉率0.75%，地層加固條件下力學參數取值見表2所示。

表2 力學參數取值表

3.3.1 凍脹應力場分析

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

圖5 凍脹階段vonMises等效應力分布云圖

3.3.2 凍脹位移場分析

在采取地層加固措施后，車站既有結構在凍脹階段的上浮量為3.2～3.7mm，整體結構上浮量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 融沉應力場分析

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

圖7 融沉階段vonMises等效應力分布云圖

3.3.4 融沉位移場分析

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

圖8 融沉階段車站結構豎向位移云圖

3.4 凍脹融沉模擬結果

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據匯總如表3所示。

表3 既有車站凍脹融沉影響數據匯總

由表3可知，在不采取加固措施時，凍脹作用會造成車站結構上抬28.2mm，融沉作用會造成車站結構下沉29mm；若對凍土區預先采用水平冷凍加固降低土的凍脹性，凍脹引起車站結構上抬可減小至3.7mm，小于地鐵上浮位移控制值5mm；融沉引起的車站結構下沉可縮小至7.45mm，小于地鐵沉降控制標準10mm。

4 結束語

綜上所述，該項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行計算分析，結論是：水泥漿液對地層進行加固處理，凍脹引起車站結構上浮量可減小至3.7mm，小于地鐵上浮位移控制5mm；融沉引起的車站結構下沉量可縮小至7.45mm，小于地鐵沉降控制標準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，但還是要結合類似工程經驗，把住既有車站凍脹融沉這個控制的重要風險點，注重數據監測工作，及時根據監測情況采取合理的應對措施。