地层冷冻加固法施工对既有车站变形控制的影响分析

刘 盼 张 舵

（1.武汉地铁股份有限公司，湖北 武汉 430000；2.中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

当前，人工冷冻加固技术已应用于地铁区间清障工程施工中。含水土体经过冷冻后会提高强度和稳定性，并且起到隔绝地下水的作用，现场可在冷冻后冻结壁保护下进行安全作业。国内外对于冷冻加固技术有着较长的研究历史，最早在1862年矿井施工中，英国南威尔士采用盐水冷冻加固技术成功进行了围护工程作业；随后德国技术人员利用冷冻加固技术进行了矿井施工[1]；国内最早应用冷冻加固技术是在1955年，用于开滦林西风井凿井施工[2]；2017年，董肖龙等[3]介绍了富水砂层中联络通道的水平冻结法施工的质量控制方法；杨平等[4]研究了软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律，为冻结法施工过程中的融沉预测与控制提供了依据。本文以武汉地铁12号线太双区间清障工程为例，对地层冷冻加固法施工对既有车站冻胀应力场和融沉位移场数据变化情况进行分析。

1 工程概况

武汉地铁12号线太双区间下穿既有运营线路车站清障工程区段采用地层冷冻加固法施工，该清障井基坑设计尺寸为28m×5.8m，开挖深度约34.0m，设计开挖面积约160m2，围护结构采用1200mm地下连续墙加内支撑的型式，清障井基坑围护结构与既有车站附属围护桩净距0.4～6.5m，依据地铁标准评定该基坑重要性等级为一级。

该工程位于长江一级阶地，场地平坦，高程约24.5m。基坑范围内，从上到下依次为1-1杂填土、3-1黏土、3-4b粉质黏土夹粉砂、3-5粉质黏土、粉土、粉砂互层、4-1粉细砂、4-2粉细砂、4-3中细砂、4-4含砾中粗砂、20a-1强风化泥岩、20a-2中风化泥岩。坑底位于4-2粉细砂层中。场地地下水主要类型有上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水三种类型。

2 地层冷冻加固法施工控制技术

2.1 冻结壁边界温控技术

在区间左右帷幕处，冻土和车站底板处设计泄压孔[5]，防止冻胀引起冻结壁的发展，控制土体不发生较大的冻胀性。并且在卸压孔与外圈冻结孔之间布设温控孔。

2.2 长距离泄压孔取土泄压技术

地面沉降抬升明显时，采用泄压的方式控制地面沉降量。常见的泄压方式有：直接泄压，水及气冲式泄压，螺旋钻杆取土泄压。

（1）直接泄压：此种泄压方式为直接打开泄压孔阀门，使其泄压孔内的水、污泥等自行流出的泄压方式，此种方式适用于冻结前期，即泄压孔内的水、污泥等还未凝结阶段。

（2）水及气冲洗泄压孔泄压：随着冻结的持续进行，当泥浆较粘稠，采用直接泄压卸不出水或泥浆时，采用水及气冲洗泄压孔泄压。

（3）螺旋钻杆取土泄压：当冻结到一定程度，泄压孔中的水泥浆已冻结，采用水管冲洗泄压方法泄压速度较慢，且容易对土体注入水时，则采用此种方法，干式钻进来回缓慢取土，以达泄压目的。

2.3 其他技术要点

（1）冻结施工时，采用直径75mm螺旋钻杆进行取土泄压，控制较缓速度干式钻进，依次增加钻杆数量，等到杆体进入泄压处时，机械运动钻杆可带出泄压孔里的泥土。

（2）在既有车站附属结构和冻土交接面处须敷设冷冻管，保障交接面处的温度不宜过高而引起破坏[6]。

（3）在支撑间隙之间用水泥砂浆加混凝土进行充填，提升支撑的强度，并防止暴露在外的冻土帷幕破裂，进而引起涌水渗漏的安全风险。

3 冻胀融沉数值模拟

3.1 数值建模

采用Midas-GTS建立热力耦合三维有限元模型，模型尺寸取52m×32m×52m，冻胀结厚度取3.0m，数值模型的侧面为辊支承边界，底面取为固定边界，上表面为自由表面，计算井壁冻胀和融沉应力时将车站内侧设置为自由边界[7]。

数值计算中的未冻土、冻土和既有车站统一采用自由剖分四面体网格划分，综合考虑数值计算的计算精度和计算时间，网格密度取较细，冻土区和车站既有结构网格密度最大，在距离冻结壁冻胀融沉作用范围较远的区域适当降低网格密度。

3.2 地层不加固条件下冻胀融沉分析

数值计算分三步进行：（1）对冻结区施加冻胀载荷，计算既有车站结构各处的应力和位移；（2）将隧道内部土体挖出，并设置为自由边界，计算在冻胀产生的应力经开挖释放和重新分配后的各点处的应力和位移；（3）对冻结区施加融沉载荷，计算既有车站结构和新开挖隧道的应力和位移。

取土体的冻胀率1.2%，融沉率1.5%。冻土弹性模量、泊松比以及单轴抗压强度随温度变化参考同类冻结岩土物理力学性能试验报告，模型所取冻土、未冻土和既有混凝土车站结构及隧道的力学参数取值见表1所示。

表1 力学参数取值表

3.2.1 冻胀应力场分析

冻结壁在冻胀作用下的第一主应力为0.03MPa，位于两冻结壁相邻位置的中轴线上；第二主应力为-0.2MPa，位于两冻结壁相邻位置的中轴线上；第三主应力为-0.7MPa，位于冻结壁两端边界面上；冻结壁在冻胀作用下的vonMises等效应力范围为0.62MPa，位于冻结壁外表面，见图1。

图1 冻胀下vonMises等效应力分布云图

3.2.2 冻胀位移场分析

车站既有结构在X轴方向最大位移为8.7×10-3mm，基本可以忽略；车站既有结构在Y轴方向位移为3.1×10-5mm，基本可以忽略；车站既有结构在Z轴方向位移范围为-28.0～28.2mm，如图2所示。因此该工况下，车站既有结构在垂直方向位移较大，整体变形约为28.2mm，水平方向位移可忽略。

图2 既有车站Z方向位移分布云图

3.2.3 融沉应力场分析

冻结壁在融沉作用下的第一主应力为拉应力0.78MPa，位于冻结壁内侧表面；第二主应力为0.41MPa，位于冻结壁内侧底部和上部表面；第三主应力为-0.24MPa，位于两条隧道冻结壁相邻位置；vonMises最大等效应力为0.74MPa，位于冻结壁内侧表面，如图3所示。

图3 冻结壁融沉vonMises等效应力分布云图

3.2.4 融沉位移场分析

融沉阶段既有车站位移分布云图见图4。冻结壁融沉引起既有车站在X轴方向位移为1.0×10-5mm，可以忽略；在Y轴方向位移为-0.03～0.03mm；在Z轴方向位移范围为-29.2～28.9mm。因此该工况下，车站既有结构在竖直方向位移较大，整体变形约为29mm，水平方向位移可忽略。

图4 融沉阶段既有车站位移分布云图

3.3 地层加固条件下冻胀融沉分析

水泥的加入可降低未冻土透水性，有效限制水分迁移，降低析冰作用，控制冻胀的发生；土颗粒间结合力加大，抗破坏能力提高，抵抗冻融破坏能力增强。为保证施工安全，考虑使用水泥土与人工冻结联合加固法对地层进行水平冷冻加固，取土体的冻胀率0.6%，融沉率0.75%，地层加固条件下力学参数取值见表2所示。

表2 力学参数取值表

3.3.1 冻胀应力场分析

采取地层加固措施后，既有车站在冻胀作用下的第一主应力为1.84MPa，位于车站竖向结构中；第二主应力为-0.53MPa，位于车站结构中板上；第三主应力为-1.91MPa，位于车站整体结构中；既有车站在冻胀作用下的vonMises 等效应力最大值为1.76MPa，位于车站中板处，如图5所示。

图5 冻胀阶段vonMises等效应力分布云图

3.3.2 冻胀位移场分析

在采取地层加固措施后，车站既有结构在冻胀阶段的上浮量为3.2～3.7mm，整体结构上浮量8.9mm，如图6所示。

图6 冻胀阶段既有车站位移分布云图

3.3.3 融沉应力场分析

采取地层加固措施后既有车站在融沉作用下的第一主应力为1.84MPa，拉应力最大值位于车站竖向结构中板处；第二主应力为-0.56MPa，拉应力最大值位于车站竖向结构中板处；第三主应力为-1.92MPa，分布于车站整体结构处；vonMises等效应力最大值为1.76MPa，位于车站结构中板，如图7所示。

图7 融沉阶段vonMises等效应力分布云图

3.3.4 融沉位移场分析

采取地层加固措施后，融沉位移分布云图见图8。由图8可得车站既有结构在融沉阶段的沉降量为7.45mm，整体结构沉降量为9.3mm。

图8 融沉阶段车站结构竖向位移云图

3.4 冻胀融沉模拟结果

清障工程采取冷冻法加固地层前后，既有车站受冻胀融沉影响数据汇总如表3所示。

表3 既有车站冻胀融沉影响数据汇总

由表3可知，在不采取加固措施时，冻胀作用会造成车站结构上抬28.2mm，融沉作用会造成车站结构下沉29mm；若对冻土区预先采用水平冷冻加固降低土的冻胀性，冻胀引起车站结构上抬可减小至3.7mm，小于地铁上浮位移控制值5mm；融沉引起的车站结构下沉可缩小至7.45mm，小于地铁沉降控制标准10mm。

4 结束语

综上所述，该项目如果采用地层冷冻加固法施工，采用Midas-GTS建立热力耦合三维有限元模型进行计算分析，结论是：水泥浆液对地层进行加固处理，冻胀引起车站结构上浮量可减小至3.7mm，小于地铁上浮位移控制5mm；融沉引起的车站结构下沉量可缩小至7.45mm，小于地铁沉降控制标准10mm。故地层冷冻加固法可以降低土的冻胀性。

尽管模型分析地层冷冻加固法极具有效性，但还是要结合类似工程经验，把住既有车站冻胀融沉这个控制的重要风险点，注重数据监测工作，及时根据监测情况采取合理的应对措施。