軟土地層非等厚動態(tài)凍結(jié)帷幕的凍結(jié)暗挖受力變形規(guī)律研究

摘要：基于上海軌道交通機場聯(lián)絡線隧道工程，結(jié)合試驗與數(shù)值計算，構建熱-力耦合凍結(jié)模型，模擬非等厚動態(tài)凍結(jié)過程中的凍結(jié)帷幕與周圍土體的溫度、位移和應力場演化。研究結(jié)果表明：雙圈管凍結(jié)50d后，各段凍結(jié)帷幕厚度滿足設計要求，符合開挖條件。凍結(jié)壁開挖卸載后，其開挖段表面應力呈拋物線分布，接近凍結(jié)壁開挖表面時應力釋放明顯，向支護端和未開挖端增大。凍結(jié)壁變形主要向開挖區(qū)收斂，支護端變形小而未開挖端大，凍結(jié)壁內(nèi)部變形小于外表面。

關鍵詞：非等厚動態(tài)凍結(jié)；凍結(jié)暗挖；凍結(jié)帷幕；溫度場；受力變形

基金項目：上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”啟明星項目（揚帆專項：22YF1418300）

0" "引言

在軟土地層中進行暗挖作業(yè)時，滲漏問題的風險較大，且災害性強。相比傳統(tǒng)的地層加固方法，如注漿加固法和錨桿靜壓樁容易受到地層滲流、土體結(jié)構以及熱物理性質(zhì)等因素的影響。凍結(jié)法因其顯著的封水效果、較強的承載力和穩(wěn)定性，逐漸成為一種重要的輔助加固手段[1-2]，特別是凍土帷幕可控制的優(yōu)越性滿足大部分復雜施工條件，應用范圍廣。

目前，凍結(jié)暗挖工程多采用以開挖段荷載設計的等厚準靜態(tài)凍結(jié)帷幕[3-4]，國內(nèi)外專家學者針對凍結(jié)過程凍結(jié)管布置形式[5-6]、凍結(jié)溫度、水力場作用等因素開展的研究顯示，常規(guī)等厚準靜態(tài)凍結(jié)帷幕因凍結(jié)體量龐大，導致高能耗、強凍脹融沉及長工期。而凍結(jié)帷幕在暗挖中，開挖面附近受力大、遠離開挖面受力小，因此將凍結(jié)帷幕優(yōu)化為近開挖面厚、遠開挖面薄，并動態(tài)調(diào)整，可規(guī)避常規(guī)凍結(jié)法的缺點。

本文以上海市軌道交通市域線機場聯(lián)絡線工程為背景，對非等厚動態(tài)凍結(jié)方式的凍結(jié)效果及凍結(jié)壁開挖后的結(jié)構穩(wěn)定性進行分析，相關成果可為類似工程提供借鑒和參考。

1" "工程概況

上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡線某區(qū)間隧道所處的地層以粉質(zhì)黏土夾粉土為主，含水量豐富，孔隙水壓力大，施工風險較高，因此采用人工凍結(jié)法對開挖隧道周圍土體進行加固止水。根據(jù)現(xiàn)場勘察報告與室內(nèi)試驗，獲得凍結(jié)暗挖地層內(nèi)粉質(zhì)黏土夾粉土的主要物理參數(shù)。

在數(shù)值模擬計算中，為了使凍脹力計算更加準確，假設粉質(zhì)黏土夾粉土內(nèi)孔隙水完全凍結(jié)，進而計算出凍結(jié)過程中相應的體積凍脹系數(shù)。通過細分模型的多個材料區(qū)域，利用其體積凍脹系數(shù)設置不同的熱應變系數(shù)，用以精確模擬凍結(jié)過程中各部位土體的凍脹變形。

2" "有限元模型建立及模擬方法

2.1" "模型建立

本文采用ANSYS有限元軟件，建立非等厚動態(tài)凍結(jié)帷幕的數(shù)值模型。考慮到模型的對稱性，有限元模型為工程原型的一半。已有的研究成果表明，凍結(jié)帷幕降溫區(qū)的寬度一般不超過外圈凍結(jié)管外側(cè)凍結(jié)壁厚度的5倍。地下隧道在凍結(jié)暗挖后的應力變化主要集中在隧道周圍，范圍為開挖直徑的3到5倍。在3倍寬度處，受影響的應力變化通常不超過10%；而在5倍寬度處，應力變化通常小于3%。

基于此，本研究選用30m×20m×40m（長×寬×高）的凍結(jié)暗挖數(shù)值模型。其中，開挖段采用雙圈管加厚凍結(jié)，而非開挖段則僅啟用內(nèi)圈凍結(jié)。凍結(jié)暗挖模型參數(shù)如表1所示。

2.2" "數(shù)值模擬方案

對于本文所研究的非等厚凍結(jié)暗挖過程主要分兩步進行。首先通過設定凍結(jié)管溫度、土體熱物理等基本參數(shù)，來計算積極凍結(jié)期的瞬態(tài)溫度場，獲得凍結(jié)壁厚度與平均溫度這兩個重要參數(shù)。再將瞬態(tài)溫度場結(jié)果作為初始參數(shù)，帶入應力場進行分析耦合，設置好初始及邊界調(diào)節(jié)，通過ANSYS的EKILL命令進行殺死單元來達到模擬凍結(jié)壁開挖的效果，最終得到凍結(jié)帷幕的受力變形規(guī)律，實現(xiàn)溫度、應力場的間接耦合目的。

3" "計算結(jié)果分析

3.1" "溫度場計算結(jié)果分析

根據(jù)凍結(jié)50d后的溫度場結(jié)果可知，隨著凍結(jié)管的降溫，周圍土體慢慢凍結(jié)并逐漸形成凍結(jié)鋒面，以凍結(jié)管為圓心向周圍擴大，在凍結(jié)20d時實現(xiàn)交圈，至凍結(jié)50d時，凍結(jié)壁的主要特征參數(shù)趨于穩(wěn)定，凍結(jié)壁逐漸向內(nèi)外擴展并最終穩(wěn)定。

凍結(jié)50d后，凍結(jié)壁厚度與平均溫度如表2所示。從表2可以看出，凍結(jié)壁厚度和平均溫度均達到凍結(jié)設計要求，滿足開挖條件。

3.2" "位移場計算結(jié)果分析

本文主要取0～1.5m范圍內(nèi)的凍結(jié)壁進行分析。不同厚度凍結(jié)壁下路徑A至C位移分布如圖1所示。圖1中A至C路徑用于分析頂板、側(cè)幫和底板在開挖作用下凍結(jié)壁的位移變化規(guī)律。為明確路徑的含義，本文采用以下命名規(guī)則：A代表頂板凍結(jié)壁，B代表側(cè)幫凍結(jié)壁，C代表底板凍結(jié)壁。

圖1a、圖1b、圖1c分別呈現(xiàn)了路徑A（頂板）、路徑B（側(cè)幫）和路徑C（底板）在各自主要位移方向（A和C為豎直方向UY，B為水平方向UX）上的變形曲線。從圖1可以看出，在開挖卸載后，開挖段的位移均小于凍土內(nèi)部的凍脹位移，且最大變形發(fā)生在凍結(jié)壁內(nèi)部。表面凍結(jié)壁（0m）上的變形在已開挖段上的變化幅度較為劇烈，而凍結(jié)壁內(nèi)部（0.5～1.5m）的變形曲線較為平緩。凍結(jié)壁在開挖后，凍土的位移變形主要集中在開挖段中，其位移分布規(guī)律近似于直線，整體自左向右呈增大趨勢，應重點關注開挖段右側(cè)應力集中處。

綜合分析圖1中3條特征路徑曲線可知，無論是頂板、側(cè)幫還是底板，開挖段表面的凍結(jié)壁均展現(xiàn)出相似的變形模式，特別是在與掌子面相交的位置（約3.5m處），各路徑上的凍結(jié)壁均出現(xiàn)顯著的變形，需引起高度重視。相比之下，在支護區(qū)域和未開挖區(qū)域，由于未開挖土體和管片提供的強大支撐作用，不同厚度凍結(jié)壁的變形差異相對較小。

3.3" "應力場計算結(jié)果分析

3.3.1" "應力特征路徑選取

凍結(jié)帷幕開挖卸載后，其內(nèi)部的應力將重新分布。為準確的定量分析各部位凍結(jié)壁開挖后的內(nèi)部應力分布，與位移場分析路徑一致，分別于凍結(jié)壁的頂板、側(cè)幫和底板選擇3條應力特征路徑，分析各路徑上等效應力在不同凍結(jié)壁厚度下的分布規(guī)律。不同凍結(jié)壁厚度下的路徑等效應力分布如圖2所示。

3.3.2" "凍結(jié)壁頂板與底板應力分析

圖2a、圖2c分別表示凍結(jié)壁頂板（路徑A）與底板（路徑C）在不同厚度下的應力分布曲線。分析圖2a、圖2c可以看出，不同厚度凍結(jié)壁下在各段的應力分布規(guī)律大致相同。在凍結(jié)帷幕的開挖段中，凍結(jié)壁的頂板應力為0.85～2.56MPa，而底板應力相比較小，為0.85～2.12MPa。

凍結(jié)壁頂板與底板在凍結(jié)帷幕開挖段的表面，其應變變幅最為劇烈，且開挖段的應力呈現(xiàn)兩端大、中間小的拋物線分布規(guī)律。凍結(jié)壁頂板與底板的最大應力均出現(xiàn)在支護段與開挖段相交處，此處在開挖后出現(xiàn)明顯的應力集中，應重點關注。凍結(jié)壁頂板與底板在凍結(jié)壁0.5～1.5m厚度范圍內(nèi)，整體的應力變化不超過1MPa，其變化幅度在各個段內(nèi)均保持穩(wěn)定，并隨著凍結(jié)壁厚度的增大，其應力也相應呈反比趨勢而逐漸減小。

對圖2a、圖2c進一步分析可知，凍結(jié)壁的頂板與底板在經(jīng)歷開挖卸載后，其內(nèi)部的應力分布較為穩(wěn)定，各個段的應力變化主要集中于凍結(jié)帷幕表面，特別是開挖段的表面凍結(jié)壁應力變化幅度最為劇烈。其整體應力分布呈拋物線規(guī)律，在開挖段兩端出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象，應在實際工程中重點關注。

3.3.3" "凍結(jié)壁側(cè)幫應力分析

圖2b則展示了凍結(jié)壁側(cè)幫（路徑B）在不同厚度下的應力沿路徑變化曲線。由圖2b可知，其開挖段應力分布規(guī)律與頂板和底板基本一致，都呈拋物線趨勢，在開挖段左側(cè)的應力最大值為3.09MPa。而開挖段中間應力相對較小，其應力保持在1.03MPa。

與頂板和底板相比，側(cè)幫凍結(jié)壁在已支護段即隧道管片靠近開挖段的側(cè)幫處，出現(xiàn)將近5MPa的應力集中。在實際工程中，應重點關注其結(jié)構穩(wěn)定狀況。側(cè)幫凍結(jié)壁在其厚度0.5～1.5m范圍內(nèi)的應力曲線較為平緩，整體較為穩(wěn)定。

3.3.4" "綜合分析

綜合圖2的3條特征路徑曲線的分析可知，在凍結(jié)壁內(nèi)部距開挖邊界0.5～1.5m的厚度內(nèi)，整體應力分布穩(wěn)定，受開挖卸載影響較小，整體應力數(shù)值接近地層壓力。而開挖段凍結(jié)壁表面（0m）的應力變化幅度最大，呈拋物線趨勢，應力集中在開挖段兩端且左端應力要大于右端。在靠近開挖段的管片襯砌側(cè)幫處，出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象，對此也應重點關注。

總體來看，受凍結(jié)壁開挖影響的范圍主要集中開挖段表面，特別注意各段交接處的應力集中，距離開挖面0.5m以外的凍土和未凍土區(qū)域幾乎不受開挖卸載的影響。

4" "結(jié)束語

本文基于上海軌道交通機場聯(lián)絡線隧道工程，結(jié)合試驗與數(shù)值計算，構建熱-力耦合凍結(jié)模型，模擬非等厚動態(tài)凍結(jié)過程中的凍結(jié)帷幕與周圍土體的溫度、位移和應力場演化。得到如下結(jié)論：

雙圈管凍結(jié)50d后，各段凍結(jié)帷幕厚度滿足設計要求，符合開挖條件。凍結(jié)壁開挖卸載后，其開挖段表面應力呈拋物線分布，接近凍結(jié)壁開挖表面時應力釋放明顯，向支護端和未開挖端增大。凍結(jié)壁變形主要向開挖區(qū)收斂，支護端變形小而未開挖端大，凍結(jié)壁內(nèi)部變形小于外表面。

參考文獻

[1]" 陳瑞杰，程國棟，李述訓，等.人工地層凍結(jié)應用研究進展和展望[J].巖土工程學報，2000，22（1）：40.

[2]" 陳湘生.地層凍結(jié)法[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]" 孫杰龍，任建喜，陳興周，等.富水砂層斜井凍結(jié)壁溫度場分布規(guī)律研究[J].煤炭工程，2020，52（11）：126-131.

[4]" 楊平，陳瑾，張尚貴，等.軟弱地層聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工溫度及位移場全程實測研究[J].巖土工程學報，2017，39（12）：2226-2234.

[5]" 胡向東，汪洋.三排管凍結(jié)溫度場的勢函數(shù)疊加法解析解[J].巖石力學與工程學報，2012，31（5）：1071-1080.

[6]""""" 胡向東，陳錦，汪洋，等.環(huán)形單圈管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場解析解[J].巖土力學，2013，34（3）：874-880.