凍結(jié)法加固某軌道交通隧道的應(yīng)用研究

程留全 袁海英 李驍男

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000；2.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；3.河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

砂土地基液化是導(dǎo)致地基失穩(wěn)的直接原因之一，也是地震勘察設(shè)計(jì)的重大課題[1]。而砂土地基的常見(jiàn)加固方法有換填法、強(qiáng)夯法、擠密法、排水固結(jié)法、加筋法、樁基法、注漿法等[2，3]。但這些常規(guī)的加固方法對(duì)于該軌道交通線(xiàn)穿過(guò)的砂土層加固效果很難保證?；谶@種情況，本文研究了凍結(jié)法加固砂土地基的效果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值計(jì)算等分析手段，系統(tǒng)地開(kāi)展海底隧道凍結(jié)溫度場(chǎng)形成的規(guī)律。本文的核心研究?jī)?nèi)容為復(fù)雜地質(zhì)條件下凍結(jié)法形成的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，確定海底隧道穿越的砂層凍結(jié)特性，最危險(xiǎn)斷面凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)時(shí)間和空間分布規(guī)律，凍結(jié)法效果分析。

1 凍結(jié)初步加固方案

隧道施工范圍內(nèi)的砂層具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易流變的特征，開(kāi)挖后天然土體本身難以自穩(wěn)，易發(fā)生大面積噴涌現(xiàn)象，考慮到右線(xiàn)穿越出砂層的長(zhǎng)度為26 m，在兩端分別加上2 m的加固段，所以水平方向上的加固長(zhǎng)度為30 m。而對(duì)于砂層進(jìn)入到隧道的腰線(xiàn)位置，在下部巖層滿(mǎn)足封水要求的情況下，砂層下部的加固范圍增加2 m長(zhǎng)度，即在隧道開(kāi)挖面周?chē)庸?/3圈的范圍(見(jiàn)圖1)。

2 凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)的數(shù)值模型

2.1 幾何模型與邊界條件

由于地下洞室軸線(xiàn)較長(zhǎng)(30 m)，因而此問(wèn)題可視作平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)處理。實(shí)踐和理論分析表明，凍結(jié)管所能影響的范圍是有限的，可以選用二維模型模擬該段隧道，X方向取0 m～50 m；Y方向取0 m～50 m，隧道軸心在(25 m，25 m)處。隧道上覆巖體并不均一，自上而下分別為淤泥層、風(fēng)化石英砂層、中粗砂層和風(fēng)化石英砂層，隧道穿越中粗砂層和石英砂層，凍結(jié)管布置在中粗砂層(見(jiàn)圖1)。

2.2 模型參數(shù)

受凍結(jié)影響的地層由不同性質(zhì)的巖土組成，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，熱力學(xué)參數(shù)取實(shí)際地層參數(shù)的平均值。圍巖的凍結(jié)鋒面溫度Tm取-0.05 ℃，含水砂層的相變潛熱為6.8×103J/kg。針對(duì)海底隧道巖土工程溫度場(chǎng)的特殊性，為了確定作為臨時(shí)支護(hù)的凍結(jié)帷幕的厚度，了解與檢查凍結(jié)帷幕形成的演化過(guò)程和凍結(jié)速率，借助有限差分軟件FLAC3D 內(nèi)置的FISH語(yǔ)言建立了考慮水冰相變潛熱，以及相變過(guò)程和相變前后的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容系數(shù)變化的模型。

3 凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)分布規(guī)律

3.1 凍結(jié)過(guò)程溫度場(chǎng)演化規(guī)律

隧洞圍巖在凍結(jié)期(7 d～40 d)的溫度場(chǎng)分布表現(xiàn)在:1)在積極凍結(jié)7 d后，在凍結(jié)管周?chē)纬闪擞晒苤行南騼蛇呏饾u遞增的環(huán)狀溫度場(chǎng),圍巖體溫度已下降至5 ℃～7 ℃，凍結(jié)管周?chē)鷾囟戎饾u下降，近凍結(jié)管處下降的快，遠(yuǎn)離凍結(jié)管處的下降的慢；2)15 d時(shí)已經(jīng)交圈，基本形成了完整的凍結(jié)圈，圍巖溫度已下降至0 ℃～2 ℃；越到凍結(jié)后期(30 d),溫度分布就越均勻，所形成的凍結(jié)圈的形狀與凍結(jié)管的分布類(lèi)似。

3.2 凍結(jié)帷幕范圍發(fā)展變化規(guī)律

按照一般情況考慮, 土體在0 ℃開(kāi)始凍結(jié), 因此我們可以將0 ℃等溫線(xiàn)形成的圈體厚度長(zhǎng)度大致看作凍結(jié)壁厚度，用這種方法可以估算出不同凍結(jié)階段凍結(jié)壁的厚度，可以看出凍結(jié)圈會(huì)隨著凍結(jié)時(shí)間變化而變化：1)凍結(jié)7 d后尚未交圈，此時(shí)的凍結(jié)厚度為0 m；2)隨著凍結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)，凍結(jié)壁厚度逐漸增大，凍結(jié)15 d后，開(kāi)挖圍巖處的巖土體溫度已基本結(jié)凍，此時(shí)的凍結(jié)厚度已經(jīng)接近設(shè)計(jì)指標(biāo)，凍結(jié)圈厚度可達(dá)1.7 m～1.9 m；3)凍結(jié)30 d后，圍巖區(qū)域已經(jīng)全部形成凍結(jié)壁，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，具備開(kāi)挖條件。

4 結(jié)語(yǔ)

凍結(jié)法所形成的凍結(jié)圈的形狀與凍結(jié)管的分布類(lèi)似，積極凍結(jié)15 d時(shí)可以交圈，第40天時(shí)，靠近圍巖的土體溫度為-8 ℃，凍結(jié)圈進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了完整的凍結(jié)圈，滿(mǎn)足工程要求；溫度下降最快的是前10天，之后幾乎呈線(xiàn)性變化；在交圈之后，凍結(jié)速率最高可以達(dá)到125 mm/d，之后凍結(jié)速率下降并趨于穩(wěn)定，30 d之后的凍結(jié)速率穩(wěn)定在約90 mm/d；積極凍結(jié)30 d后，圍巖區(qū)域已經(jīng)全部形成凍結(jié)壁，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，具備開(kāi)挖條件。

[1] 蔡國(guó)軍,劉松玉,童立元,等.基于靜力觸探測(cè)試的國(guó)內(nèi)外砂土液化判別方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(5):1019-1027.

[2] Karol R H.chemical grounting and soil stabilization,Revised and Expanded.Crc Press,2003.

[3] Towhata I.Geotechnical Earthquake Engineering.Springer,2008.