富水卵礫石地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計與試驗研究

張碧文

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

凍結(jié)法自19世紀(jì)60年代出現(xiàn)后，數(shù)十年間被廣泛運用在礦山建設(shè)、地下工程建設(shè)等領(lǐng)域。目前，凍結(jié)法在軟弱、富水地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)用較為廣泛，但對于卵礫石地層的凍土力學(xué)指標(biāo)和熱物理指標(biāo)沒有進行過相應(yīng)的研究，導(dǎo)致目前設(shè)計中缺乏卵礫石地層的物理力學(xué)指標(biāo)和熱物理指標(biāo)，對于凍結(jié)設(shè)計和凍結(jié)壁的發(fā)展預(yù)測難以準(zhǔn)確判別。為此，文章依托南寧地鐵一號線民～清區(qū)間2號聯(lián)絡(luò)通道工程，結(jié)合富水卵礫石凍結(jié)壁低溫狀態(tài)下物理力學(xué)特性試驗、聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計模型試驗研究結(jié)論，以解決富水卵礫石地層聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)設(shè)計方案和施工技術(shù)問題。

1 參數(shù)試驗

1.1 物理試驗

試驗所選用的卵礫石料取自該聯(lián)絡(luò)通道的卵礫石層，分別在其4個部位取樣，每次取樣性質(zhì)不相同，按規(guī)范要求測算基本物理性質(zhì)指標(biāo)，包括相對密度、塑限液限、級配水平、含水率?？紤]到試驗操作和適用范圍，采用等量替換法通過中型擊實試驗測出卵礫石料的最大干密度。

1.2 強度試驗

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程中，聯(lián)絡(luò)通道處凍結(jié)壁主要受水土壓力及地面荷載的影響，受力狀態(tài)以受壓為主；在聯(lián)絡(luò)通道與地鐵隧道管片相交處的凍結(jié)壁，受力狀態(tài)以受剪切為主。通過試驗探究卵礫石地層抗壓強度與凍結(jié)溫度之間的作用關(guān)系，配置不同級配試樣，探究抗壓強度與試樣級配的關(guān)系。試樣抗壓強度隨凍結(jié)溫度的降低不斷增加，承載能力不斷增強，軸應(yīng)變隨凍結(jié)溫度的降低不斷減?。辉嚇与S著粒徑的增大三軸抗壓強度提高。

1.3 熱物理試驗

熱參數(shù)主要包括卵礫石地層的起始凍結(jié)溫度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)試驗，試樣比熱容隨著凍結(jié)溫度的降低不斷下降，從1.6J/（g·℃）下降到1.06J/（g·℃）；凍結(jié)溫度的改變導(dǎo)致試樣中含冰量與含水率的不同，隨著凍結(jié)溫度的降低，卵礫石試樣中含冰量增多，由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于水的導(dǎo)熱系數(shù)，致使卵礫石試樣導(dǎo)熱系數(shù)不斷上升，由1.71W/（m·℃）增加到2.13W/（m·℃）。

2 模型試驗

由于現(xiàn)場取土困難，試驗采用了與現(xiàn)場材料基本物理性質(zhì)相似的不同材料進行配比試驗，最終得出符合各土層的強度、干密度、熱參數(shù)等物理指標(biāo)的相似材料配合比。試驗依托的2號聯(lián)絡(luò)通道長14.5m，高5.02m，寬4.5m，確定幾何相似比為1∶20，最終設(shè)計模型試驗箱的幾何尺寸為1m×1.225m×2.20m。監(jiān)測點布置如圖1、圖2所示。

圖1 熱電偶和位移傳感器分布示意圖

圖2 地應(yīng)力與凍脹力監(jiān)測點示意圖

2.1 凍結(jié)壁溫度場監(jiān)測結(jié)果與分析

此次模型試驗經(jīng)過800min形成了100mm厚的凍結(jié)壁，關(guān)閉制冷開關(guān)并保持鹽水循環(huán)，確保凍結(jié)壁的溫度和厚度不變，緊接著開始聯(lián)絡(luò)通道挖掘。在模型試驗過程中，提取各溫度監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)，其溫度隨凍結(jié)時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，不同監(jiān)測點溫度都隨時間的推移而逐漸變小，各曲線均不存在峰值。通過位于凍結(jié)壁相同一側(cè)離凍結(jié)管不同距離各監(jiān)測點的溫度變化規(guī)律對比，靠近凍結(jié)管溫度下降比遠(yuǎn)端快，更早到達(dá)積極凍結(jié)溫度（-10℃），且同一側(cè)遠(yuǎn)端較近端對比明顯。在積極凍結(jié)前期，溫度總體變化基本呈線性下降趨勢，開始凍結(jié)時溫度極速下降，隨著溫度的繼續(xù)降低，下降速率減小，直至趨于平緩。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁各測點溫度隨時間變化圖

2.2 凍結(jié)壁位移場監(jiān)測結(jié)果與分析

研究巖土體在凍結(jié)過程中的凍脹變形，每過5min使用位移測量系統(tǒng)觀測一次凍脹變形的發(fā)育情況。位移隨凍結(jié)時間變化的曲線如圖4所示。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁各測點位移隨時間變化圖

（1）凍脹階段分布規(guī)律。由圖4可知，凍結(jié)壁隨凍結(jié)時間的變化分為3個階段。第一階段（積極凍結(jié)前期），從凍結(jié)開始到108min。此階段凍結(jié)管周圍富水卵礫石地層溫度隨凍結(jié)時間逐漸降低，由于初始溫度較高，大部分孔隙水呈液態(tài)，之后凍結(jié)圓柱逐漸增加，并開始交圈，但凍結(jié)壁尚未形成；第二階段（積極凍結(jié)中后期），從凍結(jié)108min到180min。此階段凍結(jié)交圈形成并持續(xù)向外延伸，此時整個通道的凍結(jié)壁凍脹力只能向外釋放，所以此階段的位移量明顯增大，且增幅明顯；第三階段（到達(dá)積極凍結(jié)溫度及之后），凍結(jié)180min后。積極凍結(jié)期結(jié)束，進入開挖階段，隨著開挖進程的推進，凍脹力慢慢釋放，逐漸減小直至平穩(wěn)，開挖完成。試驗過程中凍結(jié)壁位移變化最大的位置位于拱頂，達(dá)到0.767mm（實際是15.34mm），反映出土層應(yīng)力對凍脹力的抑制作用，埋深越淺，凍脹量越大。

（2）開挖階段分布規(guī)律。由圖4第三階段可知，各監(jiān)測點開挖引起的位移變化均表現(xiàn)為初始從凍脹最大位移點反向增大，前期增大幅度小，而后隨凍結(jié)時間的延長，上升幅度有所增加，當(dāng)開挖到監(jiān)測點的斷面時，埋設(shè)在與斷面同一鉛錘平面上的位移傳感器數(shù)值會有一個突變。分析可知，在開挖階段初期，由于開挖量小，開挖引起的地層應(yīng)力釋放量小，導(dǎo)致前期位移增加不明顯，隨著開挖量的增大，地層應(yīng)力逐漸釋放，逐步抵消了前一階段的凍脹位移，位移開始進入負(fù)值。其中，當(dāng)開挖到設(shè)計斷面時，由于地層應(yīng)力的突然釋放，因此開挖引起的位移產(chǎn)生突變。隨著通道開挖進程的繼續(xù)，總體沉降值達(dá)到峰值，開挖位移相應(yīng)達(dá)到平衡。由開挖引起的地表位移和凍結(jié)壁頂部位移變化曲線如圖5所示。開挖初期，土層出現(xiàn)一個較大的瞬時變形，凍結(jié)壁頂部變形達(dá)到0.42mm，地表變形達(dá)到0.93mm。伴隨著聯(lián)絡(luò)通道開挖進尺的增大，變形逐漸變大。在模型試驗的開挖過程中，凍結(jié)壁的最大變形達(dá)到2.34mm，地表最大變形達(dá)到1.98mm（圖5所示變形乘以1/5）。

圖5 由開挖引起的地表位移和凍結(jié)壁頂部位移變化曲線

（3）融沉位移分布規(guī)律。當(dāng)535mm聯(lián)絡(luò)通道的挖掘結(jié)束后，對通道開挖口進行密封保溫處理，關(guān)閉冷凍機組，使凍結(jié)壁自然解凍。10min后開始測量土體的融沉位移，這個過程持續(xù)3h。測量這個階段的位移時，其初始變形是開挖所導(dǎo)致的最終變形值。融沉位移隨時間變化如圖6所示。巖土體在各地層的融沉位移呈線性增長趨勢，在測量時間范圍內(nèi)，凍結(jié)壁最大融沉位移達(dá)到1.64mm，地表最大融沉位移達(dá)到1.32mm（圖6所示變形乘以1/5）。

2.3 凍結(jié)壁應(yīng)力場監(jiān)測結(jié)果與分析

圖6 地表融沉位移和凍結(jié)壁處融沉位移變化曲線

模型試驗結(jié)果同時獲得了位于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)凍結(jié)管邊緣ZY1、ZY2、ZY3、ZY4四個監(jiān)測點的凍脹力隨時間的變化分布規(guī)律。凍結(jié)壁兩側(cè)和拱肩部位凍脹力監(jiān)測圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁測點凍脹力隨時間變化圖

從監(jiān)測結(jié)果可以看出，總體趨勢大體一致，凍脹力變化均經(jīng)歷以下4個階段。

（1）凍脹力微增長階段。積極凍結(jié)初期，各監(jiān)測點周圍土體溫度尚處于正溫，凍脹力接近為零，壓力以周圍水土壓力為主，土體在凍結(jié)初期未凍水含量居多，只有少部分水在降溫作用下變相成冰，因此凍脹力呈微增長趨勢，部分測點值上下波動。

（2）凍脹力急劇增長階段。距離凍結(jié)管最近位置土體溫度迅速降至負(fù)溫，當(dāng)降到土體初始凍結(jié)溫度，凍結(jié)帷幕開始交圈，凍脹力迅速增大，主要原因是大量的未凍水由液態(tài)水迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰，故而引起土體體積的急劇膨脹；但土體的變形受到限制，從而引起凍脹力的劇增。

（3）凍脹力平緩增長階段。當(dāng)溫度隨著時間不斷下降時，凍脹力增長趨勢放緩，平均溫度大約降至-8℃，凍脹力達(dá)到峰值，約為35kPa。隨后凍脹力反而有略微下降趨勢，而后趨于穩(wěn)定，表明在溫度過低時，土體顆粒出現(xiàn)冷縮現(xiàn)象，土體收縮，周圍約束削弱，抑制了凍脹作用。

（4）凍脹力下降階段。積極凍結(jié)期結(jié)束，進入開挖階段，隨著開挖進程的推進，凍脹力慢慢釋放，呈逐漸減小趨勢，直至趨于平穩(wěn)，開挖完成。

ZY1、ZY3監(jiān)測點對應(yīng)凍結(jié)壁兩側(cè)，ZY2、ZY4監(jiān)測點對應(yīng)凍結(jié)壁拱肩部位，由圖7可得，ZY1、ZY3監(jiān)測點的凍脹力變化曲線位于ZY2、ZY4監(jiān)測點的上方，但兩者相差不大，經(jīng)分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是受不同埋深地壓的影響。在開挖階段，當(dāng)掘進斷面到達(dá)相應(yīng)監(jiān)測點時，可以發(fā)現(xiàn)凍脹力急劇減小，這是由于開挖引起凍脹力突然釋放的緣故。

3 結(jié)論

（1）通過試驗，對現(xiàn)場卵礫石試樣的級配特征、強度特性、起始凍結(jié)溫度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)充分研究，得到了富水卵礫石條件下各參數(shù)與其影響因素之間的變化規(guī)律，可供類似工程參考。

（2）依據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則完成模型試驗，探究卵礫石地層凍脹、融沉規(guī)律，得出凍結(jié)壁在各階段的溫度、位移、應(yīng)力變化規(guī)律，可指導(dǎo)類似地層橫通道凍結(jié)設(shè)計與施工。