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人工水平冻结作为我国沿海地区地铁隧道施工中经实践证明的一种有效的地层加固辅助工法,目前已泛应用到城市地铁工程建设中,随着我国城市轨道交通的快速建设,必将具有更加广泛光明的应用前景。但其设计、施工中仍然存在一些关键问题有待研究和解决。
本文通过数值仿真试验,对目前地铁隧道人工水平冻结中存在的主要关键问题如冻结管布置、冻胀问题、解冻引起的融沉问题等进行了系统研究,得到了以下主要成果与结论:
(1)通过定义冻结温度场的几个主要影响因素的无量纲、单位化的变量参数--灵敏度及其计算公式,利用数值试验对土性、土层含水量、冻结设计参数(盐水温度、冻结管间距、冻结管直径)对沿海地区人工水平冻结温度场的影响规律进行系统研究。在数值试验结果基础上,通过对灵敏度进行详细分析,得出以下主要结果:各冻结设计参数对冻结壁厚度的影响程度由大到小依次为:盐水温度、冻结管间距、冻结管直径；对淤泥质粘土采用人工水平冻结,冻结管间距不宜大于1.0m,盐水温度不宜高于-20℃。对饱和粉砂土采用人工水平冻结,冻结管的直径不宜小于8cm,冻结管间距不宜大于1.2m,盐水温度不宜高于-20℃,土层的含水量从20％变化到25％时,对冻结壁厚度发展影响最明显。
(2)通过对水平冻结温度场结果的分析及相应冻结消耗冷能的计算,得出不论从缩短冻结工期还是降低冻结成本的角度出发,在选定冻结方案时,在技术条件允许的条件下,应选取较低的盐水温度、较小的冻结管间距、较大的冻结管管径。
(3)提出冻胀变形模拟的等效荷载法及增量法,由分级荷载下的线性求解逼近全荷载下的非线性求解,系统研究了隧道设计参数、建筑物荷载等相关因素对沿海地区冻胀敏感性土层地表冻胀位移的量化影响规律,各因素对人工冻结引起的地表冻胀变形的影响效果由大到小排序依次是冻胀率、冻结壁厚度、隧道半径、隧道埋深、建筑物荷载；由于冻胀对洞周土体的逐渐“挤密”效应,地表冻胀量与洞周总冻胀量的比值随冻胀率和冻结壁厚度增加而大幅度提高:当冻胀率为2％时为38.3％,当冻胀率为5％时达到65.4％,冻结壁厚度1.2m时为41.7％,冻土壁厚度2.8m时可达到59.5％。
(4)分析了人工冻结土体融沉的特点,提出了人工水平冻结土体解冻引起融沉变形的简化模拟方法:土体按“不抗拉、拉压不等”的专门本构模型模拟,融沉荷载采用等效荷载法和增量法,同时考虑了冻结圈外未冻土体力学参数的非线性“拉疏效应”。系统研究了隧道设计参数及建筑物荷载等相关因素对沿海地区冻结法施工后地表融沉位移的量化影响规律,各因素对人工冻结引起的地表冻胀变形的影响效果由大到小排序依次是融沉系数、冻结壁厚度、隧道半径、隧道埋深、建筑物荷载；由于融沉对洞周土体的逐渐“拉疏”效应,地表融沉量与洞周总融沉量的比值随融沉系数和冻结壁厚度增加而大幅度提高:当融沉系数为4％时,其比值为46％,当冻胀率为8％时其比值达到61.7％,冻结壁厚度由1.2m变化到2.8m时,其比值由59.2％增加到71％。
(5)根据本文的数值试验结果,建议在实际工程中,可以采取下列措施来减小地表冻胀变形和融沉变形:
1)可以通过在冻土帷幕内设置压力观测与释放孔,以减小冻胀引起的地表变形量；
2)减少冻结时间,以减少冻结壁厚度,从而减少冻胀量和融沉量；
3)采取降低土体中的初始含水量的措施,如人工降水降低地下水位,或其它各种排水措施,以减少地层中的初始含水量以减小冻胀率和融沉系数,以减小冻胀量和融沉量。