上海淤泥質(zhì)黏土層凍結(jié)法施工溫度及位移場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

唐益群，劉 昶，趙文強(qiáng)

（1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

凍結(jié)法加固土體具有凍結(jié)壁均勻性好、與隧道管片結(jié)合嚴(yán)密、強(qiáng)度高、封水性好、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，在地下工程施工中被廣泛應(yīng)用。為了保證凍土帷幕的安全有效，必須實(shí)時(shí)掌握相關(guān)的各種參數(shù)[1-2]。

不少學(xué)者對(duì)凍結(jié)法做了相關(guān)的研究。姜耀東等在不同施工階段中，對(duì)鹽水溫度、土層溫度、地表變形、凍土壓力、隧道襯砌變形等多個(gè)參量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[3]。楊平等對(duì)軟弱地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工溫度及位移場(chǎng)進(jìn)行了全程實(shí)測(cè)研究[4]。劉波等使用FLAC3D模擬分析了在復(fù)雜地質(zhì)條件下，采用凍結(jié)法修建上海地鐵旁通道時(shí)，土體的凍脹和融沉的現(xiàn)象[5]。對(duì)于上海淺部的淤泥質(zhì)黏土，宋志剛和洪軍對(duì)其凍融前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度做了一定的研究[6-7]。

本文依托上海某地區(qū)凍結(jié)法施工的聯(lián)絡(luò)通道，對(duì)其鹽水溫度、泄壓孔壓力、凍土溫度、分層沉降進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)規(guī)律性分析，為后續(xù)淤泥質(zhì)黏土層的凍結(jié)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

上海地區(qū)某工程聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法施工，該處右行線盾構(gòu)隧道里程為WYDK2+502.180，隧道中心標(biāo)高為-7.412m，地面標(biāo)高約為+4.80m，隧道管片內(nèi)直徑5900mm，管片壁厚350mm，隧道中心與逃生井內(nèi)側(cè)墻面間距10.2m。聯(lián)絡(luò)通道由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構(gòu)成。聯(lián)絡(luò)通道所處土層及主要參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理參數(shù)Table 1 The coefficients for soil properties

2 凍結(jié)加固方案

施工方案采用隧道內(nèi)鉆孔，凍結(jié)臨時(shí)加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑。為保證凍結(jié)壁厚度達(dá)到凍土帷幕厚度，采用喇叭口≥1.4m、通道正常段≥1.7m，凍結(jié)孔從疏散井往隧道打孔方式，并按上仰、水平、下俯三種角度布置在聯(lián)絡(luò)通道的四周（圖1），共36個(gè)凍結(jié)孔。

為準(zhǔn)確判斷凍結(jié)壁是否交圈，并釋放減少土層水土凍脹壓力，在與每個(gè)聯(lián)絡(luò)通道相接的隧道內(nèi)兩側(cè)非凍結(jié)處，各布置2個(gè)泄壓孔，共計(jì)4個(gè)。

圖1 凍結(jié)管布置圖Fig.1 Layout of measuring points in soils for freezing holes

3 監(jiān)測(cè)方案

為監(jiān)測(cè)凍結(jié)及解凍全過(guò)程中，溫度及位移變化情況，在垂直聯(lián)絡(luò)通道軸線位置上布置了4組測(cè)孔，每組測(cè)孔分別由測(cè)溫孔和分層沉降孔組成。1、2、3組測(cè)點(diǎn)間的距離分別為2.5 m、1.3 m、1.5 m，同一組測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m，同一測(cè)孔內(nèi)各測(cè)點(diǎn)入土深度分別為2.45 m、5.40 m、7.05 m、8.278 m、10.822 m。布設(shè)如圖2所示。

同時(shí)，在沉降孔的頂部每次使用全站儀檢測(cè)地表標(biāo)高，以確定地表位移情況。

圖2 測(cè)溫孔與沉降孔布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram for measuring temperature hole and settlement hole

4 凍結(jié)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

本次凍結(jié)周期共計(jì)48天，在第37天開挖，計(jì)3天。得到48天的鹽水和泄壓孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此次監(jiān)測(cè)歷時(shí)116天，得到了從凍結(jié)到自然解凍過(guò)程中的溫度及位移變化數(shù)據(jù)。由于第2組分層沉降孔損壞，故沒(méi)有得到數(shù)據(jù)。對(duì)上述數(shù)據(jù)做出如下分析總結(jié)。

4.1 去回路鹽水監(jiān)測(cè)分析

鹽水溫度變化大致分為三個(gè)階段：第一階段，鹽水溫度快速下降階段，平均降溫速度為3.2℃/d，大致持續(xù)6天。第二階段，鹽水溫度緩慢下降階段，期間共降溫3℃，大致持續(xù)12天。第三階段，鹽水溫度穩(wěn)定階段，鹽水去路穩(wěn)定在-30℃，大致持續(xù)31天。如圖3所示。

圖3 鹽水溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Variation of temperature of salty water with time

4.2 泄壓孔壓力變化

泄壓孔壓力在0.05 MPa以下時(shí)當(dāng)0處理，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在第25天壓力超過(guò)0.05 MPa，大小為0.08 Mpa，且維持了11天，在第36天時(shí)泄壓（圖4）。據(jù)此可以得到在23-25天左右，凍結(jié)已交圈，凍結(jié)帷幕基本形成。

圖4 泄壓孔壓力隨時(shí)間變化Fig.4 Pressure variation of pressure relief hole with time

4.3 土體溫度監(jiān)測(cè)分析

（1）土體溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

實(shí)際監(jiān)測(cè)得到土體溫度變化主要分為三類：凍結(jié)壁土體溫度、受凍結(jié)影響的凍結(jié)壁外土體溫度、不受凍結(jié)影響的土體溫度。

凍結(jié)壁土體溫度隨時(shí)間變化主要分為6個(gè)階段：快速降溫階段，由于土體溫度與凍結(jié)管溫度差較大，最大降溫速度達(dá)到5℃/d，持續(xù)到溫度降至0℃左右；緩慢降溫階段，由于水潛熱影響，導(dǎo)致土體降溫速度較慢，從0℃降至-5℃左右；快速降溫階段，此階段土體溫度與凍結(jié)管溫差小于第一階段，故此階段降溫速度相比第一階段速度慢，此階段溫度降至設(shè)計(jì)溫度左右。維護(hù)凍結(jié)階段，溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行開挖，開挖過(guò)程中溫度略有上升，但上升幅度不大。在開挖完成后，由于繼續(xù)凍結(jié)，此時(shí)溫度又有所下降，一直到關(guān)機(jī)為止；快速升溫階段，由于凍結(jié)站關(guān)閉，土體溫度快速回升，達(dá)到-5℃左右；緩慢升溫階段，此階段升溫較為緩慢，主要是由于土中冰進(jìn)入相變階段，需要吸收大量的熱。

受凍結(jié)影響的凍結(jié)壁外土體溫度，分為兩類，一種是距離較近的，另一種是距離較遠(yuǎn)的。較近的隨時(shí)間主要分為2個(gè)階段，快速降溫階段，由于地層溫度高，鹽水溫度低，使溫度快速下降；之后溫度緩慢下降，距離原因?qū)е聹囟任唇档搅阆?，直?00多天后，溫度開始緩慢回升。距離較遠(yuǎn)的，土體溫度隨時(shí)間主要分為3個(gè)階段，在凍結(jié)壁交圈以前溫度緩慢下降，交圈后溫度才開始快速下降，由于過(guò)程中土體溫度一直在零上，所以在凍結(jié)壁內(nèi)溫度升溫時(shí)，外面溫度仍在緩慢下降，一直到凍結(jié)壁緩慢升溫時(shí)溫度才停止下降；故距離凍結(jié)管2.4m外的土體受凍結(jié)影響較小。

不受凍結(jié)影響的土體溫度不隨時(shí)間變化，本次監(jiān)測(cè)到的是距離凍結(jié)管8m，距離地表2.5m，溫度一直維持在15℃（圖5）。

圖5 2號(hào)孔土體溫度隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of soil temperature in No.2 hole with time

（2）土體溫度隨空間變化規(guī)律

根據(jù)以上分析可得，距離凍結(jié)壁距離的遠(yuǎn)近，其溫度隨時(shí)間變化規(guī)律是不同的：靠近凍結(jié)管的溫度下降的越快，遠(yuǎn)離凍結(jié)管的溫度下降慢；凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)降溫快于凍結(jié)壁外側(cè)（圖6）。溫度降至0℃，測(cè)點(diǎn)1-4用了10天，測(cè)點(diǎn)2-4用了4天，測(cè)點(diǎn)3-4用了24天，據(jù)此可以算出凍結(jié)壁發(fā)展速率分別為：75mm/d、200mm/d、41mm/d。

4.4 土體位移監(jiān)測(cè)分析

（1）土體位移隨時(shí)間變化規(guī)律

土體位移分為兩類，一類是凍結(jié)管外部土體位移變化情況，另一類是凍結(jié)管內(nèi)部土體位移情況。

凍結(jié)管外部土體位移主要分為6個(gè)階段：位移快速上升階段，由于凍脹作用使得土層產(chǎn)生向上的位移；土層位移下降階段，由于開挖導(dǎo)致位移臺(tái)階式下降，由于開挖時(shí)間短，且開挖階段有相應(yīng)支護(hù)措施，故到開挖完成時(shí)位移變化不大；土層位移上升階段，開挖完成后由于凍結(jié)一直進(jìn)行，所以位移緩慢上升；土層位移下降階段，第一次注漿，凍土溫度較高，且混凝土散熱，使得凍土融化，土層位移下降；土層位移上升階段，關(guān)機(jī)13天后，土層溫度降到0～5℃之間，此時(shí)混凝土的澆注使得地層位移上升；土層位移下降，一直到監(jiān)測(cè)結(jié)束，由于未受到其他因素干擾，地層一直保持融沉下降。

圖6 第4號(hào)測(cè)點(diǎn)斷面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of section No.4

凍結(jié)管外部土體位移根據(jù)測(cè)點(diǎn)1-4可得，內(nèi)部位移主要有兩個(gè)方向的變化趨勢(shì)：一是，冷鋒面向下移動(dòng)，發(fā)生水分遷移，導(dǎo)致位移向下；二是，整體凍結(jié)壁有向上的位移，故有向上的趨勢(shì)；故形成內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位移先增大，后減小，再增大的變化規(guī)律（圖7）。

圖7 1號(hào)分層沉降孔位移隨時(shí)間變化Fig.7 Displacement of 1 layered settlement hole varies with time

（2）土體位移規(guī)律分析

根據(jù)1號(hào)孔位移可得，3號(hào)點(diǎn)位移大于1、2號(hào)，3號(hào)點(diǎn)最大凍脹量為56.95 mm，1、2號(hào)點(diǎn)最大凍脹量分別為37.95 mm和38.45 mm。據(jù)此作出此孔的分層位移圖（圖8），可得到2、3點(diǎn)間土層發(fā)生壓縮，主要是由于3號(hào)點(diǎn)溫度未形成負(fù)溫，故下部土體凍脹導(dǎo)致其隆起，上部土體水分遷移并在自重作用下，發(fā)生土層壓縮；1、2號(hào)點(diǎn)位移大致相同。故凍結(jié)壁上部1.6 m內(nèi)土層發(fā)生壓縮，1.6 m外土體整體發(fā)生移動(dòng)。

圖8 1號(hào)孔分層位移Fig.8 Stratified displacement of No.1 hole

根據(jù)3、4孔位移可得，1、2、3號(hào)點(diǎn)位移基本保持一致，可得到凍結(jié)壁側(cè)上方位移基本保持一致，土體發(fā)生整體移動(dòng)；對(duì)于4、5號(hào)測(cè)點(diǎn)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)位移大于5號(hào)測(cè)點(diǎn)位移，故可得凍結(jié)壁側(cè)部土層隆起（圖9）。故凍結(jié)壁外位移，主要是由凍結(jié)壁邊側(cè)土體隆起抬升上部土體導(dǎo)致。

圖9 3號(hào)孔分層位移Fig.9 Stratified displacement of No.3 hole

對(duì)于同一水平層位移，凍脹壁上部土體，中間位移最大，遠(yuǎn)離凍結(jié)壁位移小；凍結(jié)壁邊壁側(cè)的土體，凍脹量近處大于遠(yuǎn)處的，且融沉量也是如此。對(duì)最終地表位移的影響如圖10所示，中間位移大于遠(yuǎn)處的位移。

圖10 地表位移Fig.10 Displacement of ground surface

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的溫度及位移全過(guò)程監(jiān)測(cè)與分析，主要得到如下結(jié)論：

（1）凍結(jié)法施工中，土層溫度變化趨勢(shì)主要分為三類：凍結(jié)壁土體溫度、受凍結(jié)影響的凍結(jié)壁外土體溫度、不受凍結(jié)影響的土體溫度。受凍結(jié)管溫度影響的范圍大致距離為2.4 m。

（2）土體位移分為兩類，一類是凍結(jié)管外部土體位移變化情況，另一類是凍結(jié)管內(nèi)部土體位移情況。

（3）凍結(jié)壁正上方土體出現(xiàn)壓縮。側(cè)上方土體土層未發(fā)生變動(dòng)，主要受到凍結(jié)壁兩側(cè)土體凍脹及融沉影響。本次可得到凍結(jié)管2.3 m內(nèi)的區(qū)域，土體位移受影響。