冻结法施工方案比选研究

毛锴文 李一文 徐 欣 胡官晨 王效宾

（1.常熟理工学院， 江苏 常熟 215500）

0 引言

在地铁隧道盾构进出洞施工时，人工冻结法以出色的防水性成为常用的支护方法，但该工法施工时也易产生过量的冻胀融沉，对地下建筑物造成破坏。目前冻结法施工可采用两种方式进行，一是直接采用冻结法；二是水泥改良土冻结法，即对将要冻结的土体采用水泥进行事先改良，使得未冻土的含水率降低，阻断冻结时水份迁移的通道，从而达到控制冻胀融沉的目的。

为研究两种冻结法施工方案的优缺点，促进人工冻结法在地下工程中的推广应用，本文以数值模拟为研究方法，对两种施工方案进行了比选研究。

1 研究方法

本文以有限元计算为手段，对同尺寸水泥土与原状土冻土帷幕进行了对比研究，分析了两种工法施工时温度场发展与分布规律的差异、位移场发展与分布规律的差异，安全系数的差异，具体模拟方式如下：

1.1 计算基本假定

计算中基本假定如下：①假定地表和各土层均呈匀质水平层状分布；②冻土帷幕为-10℃的等温体；③不考虑受施工扰动影响范围内的土体物理力学参数的改变。

1.2 材料参数及有限元计算模型

有限元计算时，未冻土和冻土均按Mohr-Coulomb模型材料考虑，表1为-10℃冻土材料参数。

表1 -10℃冻土有限元计算参数

计算区域取隧道出洞洞中线上方至地面、下取 20m，从隧道纵向中点往两头方向各取40m，自地下连续墙沿隧道轴线方向取40m，整个计算区域为40 80 40m，坐标原点位于隧道中心，x轴与隧道中心线重合，y轴与隧道轴线垂直，z轴为竖直方向。

整体模型的顶面（地面）为自由面，前后左右四个垂直面上水平位移约束，底面上水平和垂直位移均约束。荷载考虑重力荷载，不考虑地面超载情况。模型采用三维八节点单元划分，最大划分间距为4m，对冻土帷幕区域进行了加密。

1.3 计算方法

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。

2 结果分析

2.1 温度场对比

图1为同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕冻结时设计冻土壁表面点温度随时间变化曲线。由图可见，同尺寸的冻土帷幕，水泥土冻结速度大于原状土冻结速度，水泥土冻结帷幕完成冻结约需要32天，原状土冻结帷幕完成冻结约需要40天，究其原因是原状土变为水泥土后，导热系数增加，比热容减小，导热系数增加可使单位时间内由冻结管传递给土体的冷量增加，引起冻结时间缩短，比热容减小可使土体温度每降低一度所需冷量减小，也引起冻结时间缩短。

图1 同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕冻结时设计冻土壁表面点温度随时间变化曲线

图2 为同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕融化时土体最低温度随时间变化曲线。由图可见，同尺寸的冻土帷幕，水泥土解冻速度大于原状土解冻速度，水泥土冻结帷幕完成解冻约需要68天，原状土冻结帷幕完成解冻约需要83天，产生这种现象的原因依然是原状土变为水泥土后，导热系数增加、比热容减小。

图2 同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕融化时土体最低温度随时间变化曲线

2.2 位移场对比

图3 为同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕冻胀时隧道纵断面地表沉降曲线。由图可见，两种土质的冻土帷幕冻胀时地表位移分布规律相似，均随着与出洞口距离的增加先增大后减小，最大位移所在的位置在同一点；原状土冻土帷幕冻胀时，地表最大冻胀位移为17.75cm，水泥土冻土帷幕冻胀时，地表最大冻胀位移为7.6 cm，远小于原状土冻土帷幕冻胀时的地表位移，表明采用“水泥改良土冻结法”可以减小冻胀对周围建筑物的影响。

图3 同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕冻胀时隧道纵断面地表沉降曲线

图 4为同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕融沉时隧道纵断面地表沉降曲线。由图可见，两种土质的冻土帷幕融沉时地表位移分布规律相似，均随着与出洞口距离的增加逐渐减小，最大位移位于出洞口正上方。原状土冻土帷幕融沉时，地表最大融沉位移为 13.09cm，水泥土冻土帷幕融沉时，地表最大融沉位移减小为4.96cm，远小于原状土冻土帷幕融沉时的地表位移，产生这种现象的原因是：原状土经水泥土改良后，土体含水率降低，土体冻结时水份迁移的通道被有效阻断，从而使冻土帷幕冻胀率和融沉系数大幅度减小。

图4 同尺寸水泥土和原状土冻土帷幕融沉时隧道纵断面地表沉降曲线

2.3 安全性对比

根据应力计算结果，表 2给出了原状土与水泥土加固体强度验算对比表。由表6-10可以看出，尽管水泥土冻土帷幕的最大拉应力和最大压应力大于原状土冻土帷幕，但由于冻结水泥土强度远大于原状土冻结强度，使水泥土冻土帷幕的安全系数更高，原状土冻土帷幕安全系数为2.53，水泥土冻土帷幕安全系数为4.19。

表2 原状土与水泥土加固体强度验算对比表

3 结论

（1）同尺寸的冻土帷幕，水泥土冻结帷幕冻结速度和融沉速度均大于原状土速度；

（2）两种施工方案的冻土帷幕冻胀融沉时地表位移分布规律相似；

（3）水泥土改良冻土帷幕冻胀融沉引起的地表变形小于原状土冻土帷幕；

（4）在最不利工况时，水泥土改良冻土帷幕的安全系数更高，故冻结法施工时，宜优先采用水泥土改良冻结方案。