-18 ℃鹽水凍結(jié)隧道近接下穿上覆結(jié)構(gòu)凍脹規(guī)律試驗(yàn)研究

王 磊， 李方政， 方亮文， 丁 航， 付 財(cái)

(1. 煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院， 北京 100013； 2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 3. 科廷大學(xué)土木與機(jī)械工程學(xué)院， 珀斯 6102 )

0 引言

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水相變結(jié)冰，將松散土體變成凍土，以隔絕地下水、承載水土壓力，并在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌的一種特殊施工技術(shù)。隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)步伐的加快，人工地層凍結(jié)法在上海、廣州、蘇州、南京、無錫等富水軟土地區(qū)的地鐵建設(shè)中獲得了廣泛應(yīng)用[1]，是富水軟土地層中構(gòu)筑地下工程的有力武器。在凍結(jié)過程中，凍結(jié)土體內(nèi)的原位水分和遷移水分相變后體積膨脹產(chǎn)生凍脹，引起上覆地表和相鄰建筑物出現(xiàn)不均勻變形，抬升上方道路、管線、建筑基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)[2]，影響上覆構(gòu)筑物的安全。如何減小凍結(jié)過程中的凍脹，避免上部結(jié)構(gòu)破壞，是現(xiàn)階段人工凍結(jié)理論研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前，工程中常用的減小凍脹的措施主要有5種：

1)采取分段凍結(jié)、間歇凍結(jié)等模式降低凍脹量。周金生等[3]的研究得出，控制凍深的間歇凍結(jié)模式產(chǎn)生的凍脹量相比連續(xù)凍結(jié)模式產(chǎn)生的凍脹量小19.8%。蔡海兵[4]的研究得出，相對(duì)于同時(shí)凍結(jié)方式，雙線隧道采用依次凍結(jié)方式在一定程度上能減小地層凍脹。

2)開啟卸壓孔或取土卸壓的方法減弱凍脹影響。姜耀東等[5]通過對(duì)廣州地鐵3號(hào)線天河客運(yùn)站折返線凍結(jié)工程設(shè)置泄壓孔對(duì)凍脹進(jìn)行有效控制。姚直書等[6]進(jìn)行了深基坑排樁凍土墻凍脹壓力模型試驗(yàn)，得出開啟卸壓孔卸壓可以使排樁所受的水平凍脹壓力減小40%。

3)采用水泥土加固等方法改變土體性質(zhì)以減弱凍脹。胡俊[7]研究了水泥改良前后土體熱物理參數(shù)，得出水泥土導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容隨著水泥摻量的增大而減小。張旭輝等[8]得出水泥加固后地層凍脹敏感性明顯減弱，地表最大凍脹量為原狀土的14.3%。鮑俊安等[9]對(duì)摻入不同比例水泥的南京地區(qū)黏土和砂土進(jìn)行了凍脹試驗(yàn)，研究表明黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土的凍脹率均隨水泥摻量增大而減小。

4)在凍結(jié)壁與上部結(jié)構(gòu)中間設(shè)置加熱限位管。胡俊等[10]研究了加熱限位管對(duì)凍土帷幕發(fā)展的抑制作用，研究得出限位管循環(huán)鹽水溫度越高，對(duì)應(yīng)的凍土帷幕邊界平整性越好，且限位管內(nèi)鹽水溫度宜為5～10 ℃。

5)改變凍結(jié)鹽水溫度。目前，工程中常用的凍結(jié)鹽水溫度為-28～-30 ℃，該溫度與常溫土體溫差較大，冷量交換劇烈，引發(fā)凍脹，而采用-18 ℃鹽水可以減弱冷量交換劇烈程度。程形燕[11]研究得出鹽水溫度對(duì)凍結(jié)壁的影響大于凍結(jié)管間距和凍結(jié)管直徑造成的影響。商厚勝等[12]對(duì)淺覆土矩形斷面的凍結(jié)隧道進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出采用較高的鹽水溫度凍結(jié)可以有效控制土體的凍脹變形，而鹽水溫度降低使土體凍脹變形明顯增加。

在諸多減小凍脹的措施中，提高凍結(jié)鹽水溫度的方法具有施工工藝簡(jiǎn)單、施工工序變動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，且能顯著降低土體凍脹量，適用于凍脹敏感工程，但在不同含水率、上覆荷載及不同約束條件的土體中，不同凍結(jié)溫度產(chǎn)生的凍脹率不相同。具體工程應(yīng)用中，應(yīng)針對(duì)實(shí)際凍結(jié)土層，對(duì)不同鹽水溫度產(chǎn)生的凍脹壓力進(jìn)行量化研究，得出適合實(shí)際工程的凍結(jié)溫度，以降低凍脹量，保證上覆結(jié)構(gòu)的安全。

目前，多數(shù)學(xué)者采用試樣試驗(yàn)的方法研究不同冷端溫度對(duì)土體凍脹壓力的影響，唐益群等[13]、蔡瑛[14]分別制作了淤泥質(zhì)黏土和黏土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，得出土體凍脹率隨冷端溫度降低而增大，并呈現(xiàn)線性規(guī)律。但試樣試驗(yàn)是在無側(cè)向變形條件下測(cè)量得出的，實(shí)際凍結(jié)工程中土體可以產(chǎn)生側(cè)向變形，因此試樣試驗(yàn)工況與實(shí)際工程中土體受力狀態(tài)有較大不同?，F(xiàn)階段，對(duì)實(shí)際工況(有側(cè)向變形工況)下不同鹽水溫度影響土體凍脹的量化研究較少，對(duì)凍脹規(guī)律研究不充分，相關(guān)文獻(xiàn)較少。對(duì)此，基于已有文獻(xiàn)[13]和施工經(jīng)驗(yàn)，以上海地鐵18號(hào)線隧道凍結(jié)近接下穿運(yùn)營(yíng)10號(hào)線國(guó)權(quán)路車站工程為研究對(duì)象，采用試樣試驗(yàn)和相似模擬試驗(yàn)方法對(duì)-18 ℃和-28 ℃鹽水凍結(jié)土體產(chǎn)生的凍脹壓力進(jìn)行量化研究，為凍結(jié)工程的實(shí)施提供技術(shù)保障，并為類似采用凍結(jié)法施工的隧道工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

在上海地鐵18號(hào)線隧道下穿運(yùn)營(yíng)10號(hào)線國(guó)權(quán)路車站工程中，新建隧道穿越富水軟土地層，施工過程中隧道上方車站保持運(yùn)營(yíng)。雙線隧道與車站豎直方向斜交，隧道直徑7 m，凍結(jié)暗挖隧道中心線標(biāo)高為-19.011 m，地面標(biāo)高為+3.2 m。隧道開挖凈斷面上部距離車站底板僅1.4 m，隧道及車站位置見圖1。

新建18號(hào)線隧道穿越已運(yùn)營(yíng)10號(hào)線國(guó)權(quán)路地鐵車站工程施工方法為先凍結(jié)法加固、后礦山法暗挖。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為2 m，開挖斷面內(nèi)部設(shè)計(jì)十字形凍結(jié)壁作為開挖支撐。隧道所處地層主要為511灰色黏土，具有天然含水豐富、強(qiáng)度低、狀態(tài)軟塑等特點(diǎn)，土體物理參數(shù)見表1。

圖1 下穿工程示意圖

表1 土體參數(shù)

依據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[15]，在凍結(jié)下穿上覆運(yùn)營(yíng)車站、既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路工程中，既有線隧道結(jié)構(gòu)上浮累計(jì)值不得超過5 mm，上浮速率不得超過1 mm/d。在富水軟土地層中，地下水豐富且補(bǔ)給量大、水分遷移作用明顯，而且人工凍土體量大、凍結(jié)速度快，形成的凍脹壓力也較大，產(chǎn)生的凍脹壓力抬升上覆結(jié)構(gòu)，容易觸發(fā)既有隧道上浮預(yù)警，使上部線路無法正常運(yùn)營(yíng)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣社會(huì)影響，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。為保證施工時(shí)上部車站的運(yùn)營(yíng)安全，需量化研究鹽水溫度提高對(duì)凍脹量降低程度的影響。

2 土樣凍脹壓力測(cè)試

使用凍脹試驗(yàn)機(jī)對(duì)土樣進(jìn)行凍脹壓力測(cè)試[16]，測(cè)得的凍脹壓力是在無側(cè)向變形且上下端面限制(無變形)的條件下，經(jīng)過單向凍結(jié)后所產(chǎn)生的軸向推力與單位面積比值[13]。采用含水率相等的重塑土土樣進(jìn)行封閉系統(tǒng)單向凍結(jié)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)步驟

1)制作土樣。土樣為圓柱形，尺寸為φ50 mm×100 mm，放入18 ℃(原始地溫)的恒溫箱中保溫6 h，然后裝入XT 5405C-10T凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)量不同壓力和溫度條件下土體的凍脹壓力，試樣試驗(yàn)見圖2。

2)設(shè)定凍脹試驗(yàn)機(jī)上下端板溫度。熱板溫度設(shè)定為18 ℃(原始地溫)，冷板溫度分為4組，分別設(shè)定為-28、-18、-10、-5 ℃，重復(fù)試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)。

圖2 試樣試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同冷端溫度下的凍脹壓力曲線如圖3所示。

圖3 不同冷端溫度下的凍脹壓力曲線

由圖3可知，隨著冷端溫度的降低，土樣凍脹壓力逐漸增大，凍脹壓力數(shù)值見表2。

表2 不同冷端溫度下產(chǎn)生的凍脹壓力

由表2可知，-28 ℃鹽水凍結(jié)比-18、-10、-5 ℃鹽水凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹壓力峰值大52.9%、130.8%、367.2%，凍脹壓力上升速率快20.1%、57.1%、182.4%。由此可知，提高凍結(jié)鹽水溫度，可以有效降低凍脹壓力的上升速度和凍脹壓力峰值。

采用試樣試驗(yàn)求得的凍脹壓力可以為凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工提供參考。通過提取的凍脹壓力，基于彈性地基梁模型即可反算車站底板產(chǎn)生的變形。但試樣試驗(yàn)工況與實(shí)際凍結(jié)工況存在較大差異，具體表現(xiàn)為試樣試驗(yàn)得出的凍脹壓力是在無側(cè)向變形條件下產(chǎn)生的，而實(shí)際工程中凍結(jié)壁存在側(cè)向變形，故試樣試驗(yàn)得出的凍脹壓力無法完全代表工程條件下產(chǎn)生的凍脹壓力。針對(duì)這一問題，基于實(shí)際工程進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，研究-18、-28 ℃鹽水對(duì)上部?jī)雒浀淖饔谩?/p>

3 相似模擬試驗(yàn)

相似模擬研究是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按照相似原理制作與原型相似的模型, 觀測(cè)模型內(nèi)各參量變化規(guī)律，從而推斷原型中可能發(fā)生的現(xiàn)象。相似模擬試驗(yàn)條件相較試樣試驗(yàn)條件更貼近于現(xiàn)場(chǎng)工況，是一種解決地下工程實(shí)際問題的重要手段。

3.1 實(shí)際工況及相似準(zhǔn)則

試驗(yàn)時(shí)，物理模型必須滿足溫度、濕度、應(yīng)力、位移等一系列相似準(zhǔn)則。凍結(jié)隧道下穿上部結(jié)構(gòu)的施工過程中，主要有以下準(zhǔn)則。

1)低溫鹽水從土體中吸收熱量，使土中水分結(jié)冰，溫度場(chǎng)相似準(zhǔn)則[17-18]為

F(F0，K0，R，θ)=0。

(1)

式中:F0為傅里葉準(zhǔn)則；K0為Kosovic準(zhǔn)則[19]；R為幾何準(zhǔn)則；θ為溫度準(zhǔn)則。試驗(yàn)土體取自工程現(xiàn)場(chǎng)，則模型中土體溫度、含水量等參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)土體相同。因此，試驗(yàn)中的土體溫度、內(nèi)摩擦角、泊松比、孔隙率等參數(shù)的相似比為1。

2)土體的濕度場(chǎng)準(zhǔn)則為

(2)

式中：Θ為土體濕度；wd為土體凍結(jié)后的濕度；w0為原始的土體濕度。由濕度準(zhǔn)則可知，熱傳導(dǎo)過程和水分遷移過程在數(shù)學(xué)上是相似的[20]，兩者均遵循傅里葉準(zhǔn)則。因此， 在幾何相似的條件下，只要溫度場(chǎng)相似，濕度場(chǎng)可以達(dá)到“自模擬”而相似。

3)因凍結(jié)和開挖引起上覆土體變形，其量綱為一形式的應(yīng)力-位移場(chǎng)方程[21]可以表示為

(3)

式中:H為隧道埋深;D為隧道直徑;Sd為凍結(jié)壁厚度;μd為位移;σ為應(yīng)力;r為容重;Ed為變形模量。

4)剛度準(zhǔn)則。上部結(jié)構(gòu)因凍脹或融沉而產(chǎn)生變形，由線性彈性力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的撓度與其剛度成反比，即：

us1/K。

(4)

式中：us為凍脹壓力引起的位移；K=EI，表示結(jié)構(gòu)底板的剛度，其中E為性模量，I為靜矩。

根據(jù)以上準(zhǔn)則，可以將溫度、應(yīng)力、時(shí)間、長(zhǎng)度、密度和位移的相似比表示為

(5)

式中:n為幾何縮比;CT、Cs、Ct、CL，Cρ，Cd分別為溫度、應(yīng)力、時(shí)間、長(zhǎng)度、密度和位移。

3.2 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)定幾何縮比n=25，模擬試驗(yàn)凈尺寸為3 m × 1.5 m × 1.5 m，隧道直徑為280 mm。試驗(yàn)土體為含水率相等的重塑土，取自于現(xiàn)場(chǎng)，以保持含水率一致。對(duì)實(shí)際布設(shè)的凍結(jié)管數(shù)量進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)總散熱量相等的原則，外圈換算為9根φ18 mm的凍結(jié)管，中部為5根φ12 mm的凍結(jié)管，凍結(jié)管材料和結(jié)構(gòu)形式與現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)管一致。試驗(yàn)凍結(jié)管按照設(shè)計(jì)孔位均勻排布。土箱外側(cè)安裝預(yù)留限位孔的亞克力圓板，板上開孔用于凍結(jié)管精確定位，以形成與設(shè)計(jì)相同的凍結(jié)壁。冷媒采用體積質(zhì)量為1.265 kg/m3的CaCl2溶液，供液干管上安裝流量計(jì)監(jiān)測(cè)鹽水流量。時(shí)間比例為1/625，即模型試驗(yàn)過程1 min相當(dāng)于實(shí)際過程625 min。工程積極凍結(jié)時(shí)間為45 d，則模型試驗(yàn)積極凍結(jié)時(shí)間為104 min。

由相似準(zhǔn)則可知，試驗(yàn)土體密度為現(xiàn)場(chǎng)土體密度的25倍，因此需采用施加上覆荷載的方法滿足土體重力密度相似比[22]，根據(jù)上覆車站及土體總質(zhì)量計(jì)算得出需加載壓力800 kN。通過在反力架上安裝2個(gè)500 kN油缸，每個(gè)油缸施加400 kN外力以滿足土體密度相似條件。試驗(yàn)車站模型為C35的混凝土模型，為了防止混凝土車站模型在上覆荷載作用下被壓碎，故根據(jù)剛度相等準(zhǔn)則將車站模型的試驗(yàn)材料由C35混凝土更改為鋼結(jié)構(gòu)。換算車站底板的厚度以保證換算前后剛度相等。由剛度相等準(zhǔn)則可知，車站底板矩形截面的靜矩與底板厚度成正比。

Ih3。

(6)

式中h為底板厚度。

混凝土和鋼的彈性模量分別為31.5、210 GPa，換算得出鋼制車站底板厚度為21 mm，制作相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)車站并布置。

試驗(yàn)土體分層裝入土箱并壓實(shí)，壓實(shí)后安裝傳感器，放置車站模型，避免加載過程中溫度傳感器和車站結(jié)構(gòu)位置偏移引發(fā)數(shù)據(jù)失真。采用微型數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，傳感器布設(shè)在凍結(jié)壁外緣監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁擴(kuò)展情況。將土壓力盒粘貼在車站底部以監(jiān)測(cè)凍脹壓力，安裝位置在車站寬度方向三等分處、上下行線正上方。模型試驗(yàn)和傳感器位置見圖4和圖5。

共進(jìn)行2組試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間均為105 min，對(duì)應(yīng)實(shí)際工期45 d。第1組試驗(yàn)鹽水溫度為-28 ℃，第2組試驗(yàn)鹽水溫度為-18 ℃，監(jiān)測(cè)凍結(jié)管周圍溫度擴(kuò)展及車站底板凍脹壓力。

(a) 現(xiàn)場(chǎng)圖

(b) 試驗(yàn)示意圖(單位： mm)

圖5 溫度傳感器和土壓力傳感器位置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

提取數(shù)據(jù)，凍結(jié)壁外緣4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度曲線基本一致，2組試驗(yàn)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度見圖6，圖中試驗(yàn)時(shí)間按照時(shí)間相似縮比換算為工程時(shí)間。

由圖6可知，-28 ℃鹽水凍結(jié)條件下，凍結(jié)壁在33 d達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度； -18 ℃鹽水凍結(jié)條件下，凍結(jié)壁在63 d達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度。由此可知，在-18 ℃鹽水凍結(jié)條件下，為達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度，相較-28 ℃鹽水，積極凍結(jié)時(shí)間增加91%。

圖6 2組試驗(yàn)溫度平均值

上覆壓力加載后，將土壓力盒數(shù)值歸零，開啟鹽水循環(huán)開關(guān)并監(jiān)測(cè)凍脹壓力數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后提取數(shù)據(jù)，繪制凍脹壓力隨時(shí)間變化曲線。不同溫度下車站底板凍脹壓力見圖7。

圖7 不同溫度下車站底板凍脹壓力

由圖7可知，在-28、-18 ℃鹽水凍結(jié)過程中，各組傳感器數(shù)據(jù)呈現(xiàn)規(guī)律性。以凍結(jié)壁達(dá)到相同設(shè)計(jì)厚度為前提條件，整理-18 ℃鹽水在凍結(jié)63 d的數(shù)據(jù)和-28 ℃鹽水在凍結(jié)33 d的數(shù)據(jù)， 如表3所示。

由表3可知，達(dá)到相同凍結(jié)壁厚度條件下，使用-18 ℃鹽水凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹壓力比使用-28 ℃鹽水凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹壓力峰值低20%，凍脹壓力上升速度低58%。

對(duì)比試樣試驗(yàn)結(jié)果可知，相似模擬試驗(yàn)得出的凍脹壓力峰值小于試樣試驗(yàn)。試樣試驗(yàn)是在無側(cè)向變形下產(chǎn)生的凍脹壓力，而相似模擬試驗(yàn)條件下凍土凍脹可以產(chǎn)生側(cè)向變形, 因此相似模擬試驗(yàn)工況試驗(yàn)結(jié)果更接近于真實(shí)數(shù)據(jù)，可以為凍結(jié)設(shè)計(jì)提供參考。

表3 不同溫度下的凍脹壓力及凍脹速度

4 結(jié)論與建議

本文以上海地鐵18號(hào)線隧道凍結(jié)法下穿10號(hào)線國(guó)權(quán)路車站工程為研究對(duì)象，進(jìn)行了試樣試驗(yàn)和相似模擬試驗(yàn)，對(duì)-18 ℃鹽水和-28 ℃鹽水在凍結(jié)過程中產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究。主要得出以下結(jié)論：

1)試樣試驗(yàn)。-18 ℃鹽水比-28 ℃鹽水凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹壓力峰值小52.9%，凍脹壓力上升速度低20.1%。

2)相似模擬試驗(yàn)。形成相同厚度的凍結(jié)壁時(shí)，使用-18 ℃鹽水相較使用-28 ℃鹽水的積極凍結(jié)時(shí)間增加91%，且凍脹壓力上升速度降低58%，凍脹壓力峰值降低20%。對(duì)于凍脹敏感工程、有重大風(fēng)險(xiǎn)源工程，采用-18 ℃鹽水可以有效減小凍脹壓力峰值，減緩凍脹壓力增長(zhǎng)速度，減輕凍脹對(duì)上方地表、構(gòu)筑物等造成的影響。

3)試樣試驗(yàn)和相似模擬試驗(yàn)比較。在側(cè)向約束(無側(cè)向變形)條件下產(chǎn)生的凍脹壓力大于實(shí)際工程中產(chǎn)生的凍脹壓力。在實(shí)際工程中凍土帷幕形成可以產(chǎn)生側(cè)向變形，因此試樣試驗(yàn)得出的凍脹壓力無法完全代表工程條件下產(chǎn)生的凍脹壓力。

試驗(yàn)結(jié)果有利于優(yōu)化凍結(jié)下穿工程設(shè)計(jì)方案，提高凍結(jié)下穿工程的可靠性設(shè)計(jì)水平，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，并為類似凍結(jié)下穿工程提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支撐。

在后期研究中，將對(duì)不同鹽水溫度凍結(jié)引發(fā)的凍脹規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)比凍結(jié)效果與施工成本、工期的關(guān)系，以選取最適合工程應(yīng)用的凍結(jié)鹽水溫度。