联络通道冻结工程中冻土力学性能研究及安全性评价

伍世龙 杨登献 谭远志 郑 军 郭书刚 邢 乐

(1.中国中铁广州工程局集团有限公司，511458，广州；2.中煤光华地质工程有限公司，056004，邯郸∥第一作者，高级工程师)

当地层温度低于结冰温度时，土层中的水会结冰，形成含有冰层的冻土[1]。冻土是一种包含固体土颗粒、未冻水、冰、空气等组分的复杂多相介质，其状态会随环境条件而发生变化。因此，冻土的性质比常规土更加复杂[2-3]。冻土的力学性质不稳定，确定冻土的力学参数在人工冻结法理论与实践中具有重要意义[4-6]。目前，国内外学者对人工冻土力学性质的研究较多，并取得了大量研究成果[7-9]。

地铁联络通道是地铁工程中必不可少的重要工程，设置在两条隧道中间，可以起到逃生、排水及防火等作用[10]。联络通道为高风险工程，目前经常采用人工冻结法对地层进行加固，在待开挖土体周围形成封闭的冻结壁，然后采用矿山法暗挖施工[11-12]。隔水性好、对周边环境影响小、加固后土体强度高等突出优点使冻结法能有效克服含水地层地下工程施工中存在的安全隐患[13-14]。冻结法已广泛地应用到隧道、深基坑、地铁联络通道以及紧急抢险修复等各项地下工程中。

广州地铁7号线一期工程西延伸线顺德段的北滘新城站—林头站区间设3座联络通道，均采用人工冻结法加固地层，矿山暗挖法施工。2#联络通道及泵房所处地层复杂，且埋深最深，冻结壁厚度最大，因此，本文以2#联络通道及泵房为例，开展联络通道冻结壁物理力学性能试验及安全性评价。

1 工程概况

2#联络通道及泵房中心距为13.01 m，左线隧道中心标高为-26.88 m，右线隧道中心标高为-26.89 m，联络通道及泵房所处位置地面标高为+2.83 m。联络通道及泵房隧道中心埋深为29.82 m，设计冻结壁厚度为2.4 m，冻结帷幕平均温度≤-10 ℃。佛山市属亚热带季风性湿润气候区，雨量充足，年平均气温22.1 ℃。地质勘察报告表明地表以下1.0 m地温为26.6～27.2 ℃。

2#联络通道及泵房设计冻结壁立面图如图1所示。地层由浅至深依次为中粗砂、粉质黏土、淤泥质土、粉细砂和强风化含砾砂岩。取佛山地区典型的粉质黏土及粉细砂为研究对象，研究其形成冻土的物理力学性能，土体基本物理参数见表1。

图1 2#联络通道及泵房冻结壁剖面图

表1 土样物理参数

2 冻土单轴抗压强度试验

2.1 试验简介

冻土单轴抗压强度试验设备及夹具如图2所示。对粉质黏土及粉细砂进行-5 ℃、-10 ℃以及-15 ℃这3个温度下的人工冻土单轴抗压强度试验，加载应变速率保持恒定值1%/min。冻土试样采用重塑方式制备，规格为Φ61.8 mm×150 mm。

图2 冻土单轴试验机及夹具照片

2.2 试验结果及分析

试验得到在-5 ℃、-10 ℃以及-15 ℃条件下，粉质黏土及粉细砂冻土单轴抗压应力-应变曲线分别如图3～4所示。由图3～4可得到：

图3 不同温度条件下的粉质黏土单轴抗压应力-应变曲线

1)应力-应变曲线呈线性快速发展，达到一定值后会趋于缓慢，最后保持稳定或略有下降。

图4 不同温度下粉细砂单轴抗压应力-应变曲线

2)相同土层、相同冻结温度下的试样其应力-应变变化曲线规律一致。但由于样本及试样不确定因素的影响，个别试样可能存在偏差。

3)在弹性阶段，应力-应变线性相关；试样塑性屈服后其应力达到最大值；之后应变持续增大，而应力开始减小，表现出软化型。

根据试验结果可得到冻土单轴抗压强度值、弹性模量和泊松比，如表2所示。由表2可知：冻结温度越低，冻土的单轴抗压强度以及弹性模量均会增大；与粉质黏土相比，粉细砂在相同冻结温度下的单轴抗压强度以及弹性模量均较大。

表2 冻土力学性能试验结果

3 冻土抗折强度试验

依据冻土试验标准，在冻土试验机上开展冻土抗折强度试验，冻土抗折试验加载夹具如图5所示。对粉质黏土及粉细砂进行-10 ℃下的人工冻土抗折强度试验，控制加载试验力速率保持恒定值60 N/s进行加载，得到粉质黏土和粉细砂的抗折强度分别为2.383 MPa和2.048 MPa。

图5 冻土抗折试验照片

4 安全性评价

4.1 数值模型及边界条件

2#联络通道及泵房设计冻结壁厚度为2.4 m。为检验冻结壁安全性，利用ANSYS模拟软件对冻结壁安全性进行模拟分析。冻土物理力学参数通过前述试验获得。根据对称性，建立1/4模型。边界条件为：模型外侧水平位移固定，模型对称面位移固定，模型顶部为自由边界条件，采用M-C本构模型。

4.2 结果分析

通过计算获得联络通道段及泵房冻结壁的第一主应力、剪应力和位移，以此判断联络通道开挖后，冻结壁独自承载条件下的安全性及可靠性。ANSYS软件计算结果如图6～7所示和表3所示。

表3 冻结壁最大应力和位移的模拟结果

图6 联络通道段模拟结果

对联络通道段及泵房冻结壁应力状态和位移模拟结果进行分析可以得到：联络通道段上部冻土主要处于压应力状态，而下部冻土主要处于弯拉应力状态；冻结壁与隧道连接界面的上部位置局部会存在应力集中现象；冻结壁最大弯拉应力为0.11 MPa，最大压应力达到0.72 MPa。泵房底板冻土主要处于弯拉应力状态，最大应力值为0.25 MPa；泵房侧壁冻土主要处于压应力状态，最大压应力值出现在侧壁与底板交接处，最大值为1.05 MPa。冻结剪应力分布特征与上述结果相似，在冻结壁与隧道接触界面的上部出现最大剪应力，为0.39 MPa。联络通道段最大变形位于联络通道中间底板位置处，达到10.3 mm；泵房底部中间位移较大，最大达到18.1 mm。

图7 泵房段模拟结果

根据模拟得到的冻结壁应力与变形结果，可进一步计算冻结壁的安全系数。冻结壁抗弯、抗压及抗剪安全系数均满足DBJT 13-280—2018《通道冻结法技术规程》中给出的标准值，满足安全设计要求，计算结果是安全的。因此，冻结帷幕安全系数满足要求，能够保证暗挖施工过程的可靠性和安全性。

5 结语

本文通过室内试验获得不同冻结温度下粉质黏土及粉细砂冻土力学性能参数。采用ANSYS模拟软件对冻结壁应力状况和位移进行分析，并对开挖后冻结壁安全性及可靠性进行评估。如下研究结论可为类似工程提供参考。

1)加载初期，冻土应力-应变曲线呈线性快速发展，达到一定值后会趋于缓慢，最后保持稳定或略有下降。弹性阶段，应力-应变为直线变化，达到塑性屈服后应力达到峰值；随后应变持续增大，应力降低，应力-应变呈软化型。

2)联络通道上部冻土主要处于压应力状态，而下部冻土主要处于弯拉应力状态，冻结壁与隧道连接界面的上部位置局部会存在应力集中现象。冻结壁最大弯拉应力为0.11 MPa，最大压应力达到0.72 MPa。联络通道最大变形位于通道中间底板位置，为10.3 mm；泵房底部中间位移较大，最大值为18.1 mm。

3)冻结帷幕安全系数满足要求，能够保证暗挖施工过程的安全性和可靠性。