基于人工冻土力学试验的联络通道冻结法设计

曹 广 勤

(北京城建中南土木工程集团有限公司，北京 102200)

0 引言

随着轨道交通行业迅猛发展，冻结法加固土体因其强度大、止水好、安全性高等特点在复杂地层联络通道及端头井设计与施工中逐渐被采用，尤其是富水砂层冻结加固效果更好。一般联络通道冻结法设计属于专项设计，联络通道结构设计比较固定，冻结法加固设计也相对稳定，没有较大的突破。现在冻结设计时普遍参照该地区以往工程实践及成果，当该地区没有类似可参考的设计案例时往往也是借鉴其他地区相似地层的设计。这样做虽然能够满足施工要求，可是往往需要优化冻结参数、调整冻结时间来实现。

人工冻土物理力学性能指标是冻结法设计和施工的基本参数。能够比较科学的指导设计，优化方案。

1 试样的基本情况

哈尔滨轨道交通2号线土建02标哈尔滨北站—大耿家站区间设3个联络通道，其中1号通道兼泵站，通道所处地层为粉砂层。根据GB/T 50123—1999土工试验方法标准中的规定，并参照中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 593.1—2011人工冻土试验取样及试样制备方法，按天然含水率和天然密度加工制成试验所需的重塑土试样，并测定试样的实际含水率和密度，要求其误差分别不超过±1.0%和0.3 g/cm3。

试验所需试样规格与数量见表1。

表1 冻土试验试样规格

2 冻土物理力学性质

根据试验方案要求，本次冻土试验要求一个负温等级：-10 ℃。在试样养护及试验过程中通过制冷压缩机组向恒温试验箱有规律供冷，保证恒温养护箱及试验箱内的环境温度维持在冻土试验所要求的设计恒温等级。养护及试验过程中，采用温度传感器及自动记录仪进行温度监测和温度记录。为确保试验结果的准确性，试验温度波动范围严格控制在±0.2 ℃以内。

2.1 冻土单轴试验

按照中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 593.4—2011人工冻土单轴抗压强度试验方法，采用恒应变速率控制加载方式，在WDT-100冻土试验机对冻土进行无围压单轴抗压强度试验，采用恒应变速率控制方式加载，应变速率为1%/min。试验要求取得冻土单轴抗压强度结果、冻土弹性模量、冻土泊松比。

本次冻土单轴试验共三组，在一个温度等级(-10 ℃)条件下进行冻土单轴抗压强度试验。冻土的强度与温度的关系密切相关，随着温度的降低，强度增大。

在试验数据处理过程中，冻土弹性模量的确定是依据冻土单轴瞬时抗压强度试验数据，取瞬时抗压强度(σs)的1/2与其所对应的应变值(ε/2)的比值，即E=(σs/2)/(ε/2)，也可以根据应力—应变关系曲线获得。

冻土的泊松比为冻土在弹性范围内横向应变与纵向应变的比值，即μ=ε2/ε1。通过对试验数据的分析与整理,冻土单轴抗压强度值、冻土弹性模量、冻土泊松比试验结果见表2。

表2 冻土单轴抗压强度、弹性模量、泊松比试验结果

单轴试验曲线：各层位-10 ℃单轴试验曲线见图1。

2.2 冻土抗折强度试验

根据MT/T 593.8—2011人工冻土抗折强度试验方法，采用试验力控制加载方式，在WDT-100冻土试验机上进行冻土抗折强度试验，加载速率60 N/s。

试验结果见表3。

表3 冻土三轴剪切试验结果

3 冻结法专项设计

3.1 冻结壁设计要求

1)冻土强度的设计指标为：单轴抗压强度不小于4 MPa，抗折不小于1.8 MPa，抗剪不小于1.5 MPa(-10 ℃)。

2)设计冻结壁的有效厚度为：1号联络通道兼泵站冻结壁2 000 mm，2号、3号联络通道冻结壁1 800 mm。

3.2 冻结孔布置原则

1)根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道和泵房的四周。

2)冻结孔开孔位置误差不宜大于100 mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。

3)联络通道兼泵房底部用“V”字形布孔方式，开挖时泵房外围冻结管不割除。

4)施工冻结孔时土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。

3.3 主要冻结施工参数

主要冻结参数见表4。

哈尔滨轨道交通2号线土建03标大耿家—龙川路区间设置两座联络通道其中一座兼泵站，一号联络通道兼泵站已经施工结束，冻结法设计采用经验值及相似地层施工成果，表5为2.3标大—龙区间联络通道冻结法设计主要施工参数一览表。

表4 主要冻结施工参数一览表

表5 2.3标大—龙区间联络通道冻结法设计主要施工参数一览表

从表4，表5的主要冻结参数可以看出，2.2标以冻土试验结果为基础进行优化设计，比2.3标积极冻结时间均减少3 d，单个联络通道成本节约约6万元。在满足冻结强度的条件下，冻结帷幕厚度也相应减小了，这样对冻胀控制有利，同时也有效减少了后期融沉注浆的工作量。

4 结论与建议

1)温度等级(-10 ℃)条件下的冻土单轴抗压强度试验均值达到4.16 MPa。满足结构设计中要求的不低于4 MPa。

2)根据冻结试验结果，经计算2号、3号联络通道冻土帷幕厚度为1 800 mm。减小了冻结加固体量，从而减小了冻胀量及后期融沉注浆的工作量。

3)哈尔滨轨道交通2.2标联络通道积极冻结期设计比相邻标段2.3标设计积极期减少3 d。

4)单个联络通道造价降低成本约8万元。节约水电费及融沉注浆。

5)建议新开工城市轨道交通线路联络通道冻结设计前要做人工冻土力学试验。相邻标段相似地层可借鉴该试验成果。