杯型冻土帷幕安全性能影响研究

2020-05-13王薪焱毛锴文

四川水泥 2020年3期

关键词：杯底等值线冻土

徐欣王薪焱毛锴文李飞

（1. 常熟理工学院，江苏常熟 215500；2.桂林理工大学，广西桂林 541000）

0 引言

在地下隧道施工中，当遇到含水丰富的地层时，常采用人工水平冻结法加固地层[1-3]。其中，杯型冻土帷幕是盾构隧道进出洞经常采用的加固方法[4-6]。

冻土帷幕在最不利工况时将承受全部水土压力，为确保冻土帷幕的安全，本文采用数值模拟的方法，对杯型冻土帷幕的安全性能进行了研究。

1 研究方法

根据盾构出洞施工工艺，当地下连续墙开口洞体全部开挖，由冻土帷幕承受全部水土压力时为最不利工况，对此工况进行有限元计算，获得此工况时冻土帷幕的应力，与冻土材料强度对比即可算出冻土帷幕的安全系数。图1 为有限元计算模型网格划分图。

图1 有限元计算模型网格划分图

2 结果分析

2.1 杯底厚度对位移场的影响

图2 为不同杯底厚度时掌子面土体水平位移等值线，图3 为掌子面土体最大位移随杯底厚度变化曲线。由图可见，最不利工况时，掌子面土体水平位移等值线为逐渐增大的同心圆，最大位移位于掌子面正中心，向外逐渐减小。

图2 不同杯底厚度时掌子面土体水平位移等值线

图3 掌子面土体最大位移随杯底厚度变化曲线

随着冻土帷幕杯底厚度的增加，最不利工况时掌子面土体的最大位移逐渐减小，杯底厚度为1m 时，最大水平位移为2.8cm，杯底厚度为4m 时，最大水平位移减小为0.04cm。掌子面土体最大位移与杯底厚度之间关系并非线性关系，杯底厚度较小时，最大位移受杯底厚度影响较大，随着杯底厚度的增加，影响逐渐减弱。

在最不利工况情况下，冻土帷幕杯底产生水平位移的同时，还产生向下的竖向位移，竖向位移约为水平位移的1/3，竖向位移也随杯底厚度增加而减小，减小趋势与水平位移一致。

图4 给出了杯底厚度为1m 情况下，在最不利工况时的地表位移等值线。由图可见，最不利工况时，地表将产生向下的竖向位移和水平位移，竖向位移等值线为多个同心圆，以出洞口顶部为中心，最大值位于中心处，表明盾构出洞时，地表将产生半圆形的沉降盆。水平位移等值线为多个同心的椭圆，最大值位于最里面的椭圆上，距出洞口约10m，在隧道中心线的顶部。

对比地表竖向位移与水平位移可以发现，竖向位移最大值大于水平位移最大值，约为水平位移最大值的5 倍，但二者的数值均很小，仅有零点几个毫米，对地面影响可以忽略。

图4 最不利工况时（杯底厚度1m）地表位移等值线（单位：m）

2.2 杯底厚度对应力场的影响

为了便于分析杯底厚度变化对水泥土冻结帷幕应力场的影响，绘制掌子面加固体最大应力随杯底厚度变化曲线如图5 所示。由图可见，随着冻土帷幕杯底厚度的增加，掌子面加固体最大压应力约呈线性减小；最大拉应力也随杯底厚度增加逐渐减小，在杯底厚度较小时减小幅度较大；最大剪应力随杯底厚度增加先增大后减小，但整个过程变化幅度较小。

图5 掌子面加固体最大应力随杯底厚度变化曲线

2.3 杯底厚度对加固体安全性的影响

根据应力计算结果，将最大应力与冻土材料强度对比即可算出冻土帷幕的安全系数，在最不利工况时，冻土帷幕可能的破坏形式为受拉破坏、受压破坏和受剪切破坏，冻土的抗拉强度与拉应力最大值之比为抗拉破坏安全系数，抗压强度与压应力最大值之比为抗压破坏安全系数，抗剪强度与剪应力最大值之比为抗剪破坏安全系数，三个安全系数的最小值即为冻土帷幕在最不利工况下的安全系数。

由计算数据绘制冻土帷幕加固体安全系数随杯底厚度变化曲线如图6 所示。由图可见，随着冻土帷幕杯底厚度的增加，冻土帷幕安全系数大幅度增大，杯底厚度为1m 时，安全系数为2.28，杯底厚度为4m 时，安全系数增大为11.6，增大了5 倍。

尽管杯底厚度增加时，可以大幅度提高冻土帷幕的安全系数，但杯底厚度增加导致冻土体积增大，在冻胀率和融沉系数不变的情况下，会使冻结法施工引起的地表冻胀融沉增加，因此在冻土帷幕设计时，选择合适的杯底厚度即可，不能为了增大安全系数，一味增大冻土帷幕杯底厚度。