水下聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變化規(guī)律

楊振興， 周建軍， 郭 瑞， 陸岸典， 彭正勇， 張紅研

（1.中國中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458； 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；3.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511458； 4.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建廈門 361001）

近年來，為緩解城市地面交通壓力，地下軌道交通建設(shè)如火如荼. 聯(lián)絡(luò)通道作為地下軌道交通的重要結(jié)構(gòu)，起到集排水和疏散乘客的作用［1-2］. 聯(lián)絡(luò)通道施工是隧道施工過程中的最后一道程序，不僅要考慮自身結(jié)構(gòu)和地面建筑物的安全，而且要確保隧道主體穩(wěn)定，尤其是在軟弱富水地層中施工［3］. 水平積極凍結(jié)加固土體與開挖施工是一種行之有效的聯(lián)絡(luò)通道施工方法，自1997年被首次運(yùn)用在北京地鐵隧道施工中，近年來已在地鐵隧道、水下隧道中得到廣泛應(yīng)用［4-6］.

針對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)加固，眾多學(xué)者開展了一系列研究，取得了部分研究成果. 數(shù)值模擬是常用的方法，饒志強(qiáng)、黃哲峰［7-8］依托南昌地鐵1號(hào)線某站間聯(lián)絡(luò)通道的工程背景，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立了數(shù)值模型，研究了不同季節(jié)采用凍結(jié)法施工時(shí)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及管片應(yīng)力變化規(guī)律；黃浩斌［9］依托武漢市軌道交通7號(hào)線某站區(qū)間的異形聯(lián)絡(luò)通道工程，采用數(shù)值模擬方法研究了隧道、聯(lián)絡(luò)通道以及凍結(jié)壁隨聯(lián)絡(luò)通道開挖步序的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律；肖飛知和高柏松［10］采用三維有限元分析方法，對(duì)運(yùn)用凍結(jié)法修筑某越江隧道聯(lián)絡(luò)通道的全過程進(jìn)行了模擬，得到了凍脹力影響及凍脹量控制點(diǎn). 除數(shù)值模擬方法外，工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也是研究地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固施工的有效手段. 覃偉等［11］通過研究南京地鐵二號(hào)線某超長聯(lián)絡(luò)通道（通道凈長13.8 m）凍結(jié)施工全過程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出兩側(cè)隧道內(nèi)分別打凍結(jié)孔，設(shè)置兩個(gè)凍結(jié)站同時(shí)凍結(jié)的可行性，準(zhǔn)確推算出不同土層中凍結(jié)壁發(fā)展情況和判斷開挖時(shí)機(jī)；楊超和岳豐田［12］通過研究上海長江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了凍土帷幕厚度、凍土平均溫度、開挖面溫度等參數(shù)的演化規(guī)律；陳雪瑩等［13］通過對(duì)加固后的地層沉降變形、地下水位和聯(lián)絡(luò)通道凈空收斂等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了地下連續(xù)墻加膏漿注漿對(duì)圓礫地層注漿加固的可靠性；楊平等［14］以軟土隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法工程為背景，對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)、解凍溫度場(chǎng)、地表變形、深層土體凍脹融沉及溫度變化規(guī)律等進(jìn)行了全程實(shí)測(cè)，分析了凍結(jié)壁的形成及解凍全過程.

總結(jié)來看，以上研究成果均是針對(duì)軟弱地層中陸域地鐵隧道工程，很少涉及水下隧道工程. 近年來，水下隧道在國內(nèi)外發(fā)展迅速［15］. 相比于普通陸域隧道工程，水下隧道處于高水壓、高透水及水力聯(lián)系強(qiáng)的地質(zhì)環(huán)境下，凍結(jié)加固施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高［16］. 截至目前，國內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)水下隧道主體凍結(jié)施工進(jìn)行了部分研究，岳豐田等［17］研究了我國首個(gè)江底隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固工程的設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測(cè)等，通過對(duì)凍結(jié)系統(tǒng)鹽水溫度、凍結(jié)帷幕土體等方面的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，獲得了凍結(jié)鹽水溫度、凍土溫度、凍脹壓力、隧道變形的變化規(guī)律；蔚立元等［18］以青島膠州灣海底隧道為工程背景，開展了流固耦合模型試驗(yàn)，記錄了滲流量和關(guān)鍵點(diǎn)的位移、應(yīng)力及滲透壓力等多元信息；鄭立夫等［19-20］基于流固耦合分析理論，利用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法對(duì)凍結(jié)法施工全過程進(jìn)行模擬，研究了水下隧道凍結(jié)壁穩(wěn)定性，通過比較研究不同厚度凍結(jié)壁模型引起的地表凍脹、融沉變形及隧道管片變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凍結(jié)壁厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì).

目前，水下隧道積極凍結(jié)施工的研究成果主要針對(duì)水下隧道主體施工，對(duì)于水下隧道聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)施工的研究成果很少. 由于隧道主體與聯(lián)絡(luò)通道在積極凍結(jié)施工技術(shù)、監(jiān)測(cè)及施工風(fēng)險(xiǎn)防控等方面有較大差別. 因此，本文以上海某水下聯(lián)絡(luò)通道工程為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)積極凍結(jié)施工中各項(xiàng)凍結(jié)參數(shù)，研究了整個(gè)凍結(jié)過程中凍結(jié)溫度及卸壓孔內(nèi)壓力等參數(shù)變化情況，并分析了凍土帷幕狀況，獲得結(jié)論可供類似工程設(shè)計(jì)和施工中參考.

1 工程背景

1.1 工程概況

上海某地鐵盾構(gòu)隧道左線里程為LK5+352.140、右線里程為RK5+340.000，左線隧道中心標(biāo)高為-33.720 m，右線隧道中心標(biāo)高為-33.213 m，盾構(gòu)隧道中心距30.626 m. 兩條隧道之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道，埋深約13.04 m，位于水平面以下18.7 m，長15.642 m（隧道腰線處管片外側(cè)間距），為圓筒形結(jié)構(gòu)，通道凈直徑為2740 mm，喇叭口處凈直徑為3340 mm. 聯(lián)絡(luò)通道所處地層主要為⑤3-1粉質(zhì)黏土層，通道頂部?jī)鼋Y(jié)壁少量處于⑤3t黏質(zhì)粉土地層中，其結(jié)構(gòu)橫剖面見圖1.

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)剖面圖（單位：m）Fig.1 Contact channel structure cross-section

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

聯(lián)絡(luò)通道共布置7 個(gè)測(cè)溫孔（2 個(gè)底部測(cè)溫孔C6、C7布置在右線隧道，5個(gè)腰部測(cè)溫孔和頂部測(cè)溫孔布置在左線隧道）. 其中，C1和C2為近水平孔，C1孔布置在設(shè)計(jì)凍結(jié)壁的外邊緣，C2孔布置于設(shè)計(jì)凍結(jié)壁的內(nèi)邊緣，C3～C7為斜孔. 另外，聯(lián)絡(luò)通道共布置有4 個(gè)卸壓孔，右線隧道為X1、X2，左線隧道為X3、X4，測(cè)溫孔及卸壓孔的布置見圖2.

圖2 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)凍結(jié)孔、測(cè)溫孔、卸壓孔布置圖Fig.2 layouts of freezing hole，temperature measurement hole and pressure relief hole of connecting channel design

另外，為了監(jiān)測(cè)積極凍結(jié)過程中隧道變形情況，在隧道內(nèi)布置了相應(yīng)的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖3.

圖3 隧道沉降及收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Tunnel settlement and convergence monitoring point layout

1.3 積極凍結(jié)過程

聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)有兩圈凍結(jié)孔共38個(gè)，兩圈凍結(jié)孔對(duì)打布置. 其中，外圈24個(gè)凍結(jié)孔從右線隧道開孔施工；內(nèi)圈14個(gè)凍結(jié)孔從左線隧道開孔施工. 工程于2020年9月8日開始凍結(jié)，至10月23日結(jié)束，積極凍結(jié)共計(jì)45 d.

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 凍結(jié)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

積極凍結(jié)期間，提取前40 d內(nèi)凍結(jié)溫度，繪制低溫鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線. 從圖4 可以看出，當(dāng)積極凍結(jié)5 d 左右時(shí)，鹽水溫度已降至-20 ℃以下；當(dāng)積極凍結(jié)30 d左右時(shí)，鹽水溫度降至-30 ℃以下，之后基本穩(wěn)定在-28 ℃左右，符合設(shè)計(jì)要求. 觀察鹽水去回路溫差隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線，近似為一條直線，且穩(wěn)定在2 ℃左右，說明在積極凍結(jié)期間制冷系統(tǒng)運(yùn)行良好.

圖4 鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線圖Fig.4 Graph of the variations of brine temperatures with freezing times

選取三個(gè)代表性測(cè)溫孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別為左線隧道位于腰線附近外邊緣的測(cè)溫孔C1以及位于頂部外邊緣的測(cè)溫孔C4，右線隧道底部的測(cè)溫孔C7. 三個(gè)測(cè)溫孔的溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線分別如圖5～7所示.

圖5 C1測(cè)溫孔內(nèi)溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線圖Fig.5 Variation curves of temperatures in temperature measurement hole C1 with freezing times

整體來看，三個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化趨勢(shì)相近. 在積極凍結(jié)前10 d內(nèi)，凍結(jié)溫度下降速率較大，之后孔內(nèi)凍結(jié)溫度的下降速率較緩，最終孔內(nèi)最低溫度基本都穩(wěn)定在-15 ℃，說明積極凍結(jié)期間凍結(jié)效果良好.

當(dāng)凍結(jié)時(shí)間相同時(shí)，觀察同一測(cè)溫孔內(nèi)不同距離測(cè)點(diǎn)處的溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化趨勢(shì). 從圖5可以看出，C1測(cè)溫孔內(nèi)不同距離處的溫度非常相近，說明C1測(cè)溫孔處凍結(jié)壁發(fā)展比較均勻. 相比之下，C4和C7測(cè)溫內(nèi)凍結(jié)溫度隨距離的變化較大，距離越遠(yuǎn)，凍結(jié)溫度越高，這是由于這些測(cè)點(diǎn)距凍結(jié)管的距離較遠(yuǎn). 總的來說，靠近聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)部的溫度較低，凍結(jié)效果較好.

2.2 卸壓孔壓力的監(jiān)測(cè)

提取左線隧道及右線隧道中的四個(gè)泄壓孔內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制卸壓孔內(nèi)壓力隨凍結(jié)時(shí)間的變化趨勢(shì)曲線. 從圖8 可以看出，在積極凍結(jié)38 d 期間內(nèi)，X1卸壓孔內(nèi)壓力一直穩(wěn)定在0.1 MPa左右. 分析原因，由于該泄壓孔發(fā)生了堵塞，導(dǎo)致壓力幾乎沒有上漲. 其他3 個(gè)卸壓孔內(nèi)壓力變化趨勢(shì)相似，在凍結(jié)初始階段，孔內(nèi)壓力上漲速率較慢. 在積極凍結(jié)20 d 左右時(shí)，開始對(duì)左線的卸壓孔進(jìn)行泄壓，使得左線卸壓孔內(nèi)壓力有一個(gè)小幅度的快速上升. 在積極凍結(jié)30 d 左右時(shí)，卸壓孔內(nèi)壓力均有一個(gè)快速上漲趨勢(shì)，尤其是左線X3及X4卸壓孔，孔內(nèi)壓力上漲明顯，最大壓力達(dá)到了0.65 MPa左右. 分析原因，在凍結(jié)了30 d 左右時(shí)再一次對(duì)卸壓孔進(jìn)行了泄壓，之后每天都進(jìn)行泄壓，以保障施工安全.

圖6 C4測(cè)溫孔內(nèi)溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線圖Fig.6 Variation curves of temperatures in temperature measurement hole C4 with freezing times

圖7 C7測(cè)溫孔內(nèi)溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線圖Fig.7 Variation curves of temperatures variations with freezing times in temperature measurement hole C7

圖8 泄壓孔內(nèi)壓力隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線圖Fig.8 Variations of pressures in pressure relief holes with freezing times

2.3 凍土帷幕狀況分析

為了進(jìn)一步分析管片與凍土界面溫度的發(fā)展情況，進(jìn)而判斷凍土帷幕的形成狀況，在積極凍結(jié)40 d后，在C1、C2、C5、C6及C7五個(gè)測(cè)溫孔1.1 m長度范圍內(nèi)布置了5 個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫度變化情況. 標(biāo)記管片與土體界面處為0 m，管片一側(cè)測(cè)點(diǎn)距離為正值，反方向土體內(nèi)測(cè)點(diǎn)距離為負(fù)值. 測(cè)點(diǎn)溫度隨測(cè)點(diǎn)距離的變化曲線如圖9所示.

從圖9可以看出，除C6測(cè)溫孔以外，其余測(cè)溫孔在1.1 m的測(cè)量范圍內(nèi)溫度都比較平穩(wěn)，且均處于-12 ℃以下，說明管片與土體界面處的凍土帷幕發(fā)展仍較好，并未受到界面散熱及管片后注漿層的影響. 對(duì)于C6測(cè)溫孔，在測(cè)溫孔布置圖中可看出，C6測(cè)溫孔下方即為C7測(cè)溫孔，此孔界面溫度均保持在-16 ℃以下，且C6在界面附近外側(cè)有外圈孔. 因此，雖然C6測(cè)溫孔附近凍結(jié)溫度受到影響，但界面平均溫度仍在-8 ℃左右，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖9 管片與土體界面處溫度隨距離的變化曲線圖Fig.9 Variation curves of temperatures with distances at the interface between the pipe sheet and the soil

2.4 隧道變形監(jiān)測(cè)

由于凍結(jié)及解凍過程中凍土凍脹融沉?xí)顾淼腊l(fā)生變形. 因此，為保障施工安全，對(duì)左右隧道在積極凍結(jié)期間的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖10所示.

圖10 隧道變形量隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線圖Fig.10 Variation curves of tunnel deformations with freezing times

從圖10（a）可以看出，在積極凍結(jié)期間，由于受凍脹影響，右線隧道的變形量為正值. 四個(gè)測(cè)點(diǎn)處的變化趨勢(shì)基本相近，凍結(jié)初期地表隆起速率較快，中間出現(xiàn)略微下沉趨勢(shì)，之后又以較快速度隆起，變形最大值為4.45 mm. 相比以下，左線隧道則發(fā)生了一定程度的下沉，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)相近，在凍結(jié)初期隧道下沉速率較快，達(dá)到一定峰值后又緩慢隆起，最大下沉變形量為-5.39 mm. 總體來看，右線及左線在積極凍結(jié)期間的變形量相近，且最大變形值均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，說明積極凍結(jié)期間對(duì)隧道的影響不大，聯(lián)絡(luò)通道處于較穩(wěn)定狀態(tài).

3 結(jié)論和建議

本文以上海某水下地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固施工工程為依托，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了積極凍結(jié)期間的凍結(jié)溫度、卸壓孔內(nèi)壓力、凍結(jié)帷幕形成及隧道變形隨凍結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）積極凍結(jié)期間，鹽水溫度穩(wěn)定在-28 ℃左右，且去路及回路溫差基本保持在2 ℃，測(cè)溫孔內(nèi)溫度隨著凍結(jié)時(shí)間持續(xù)下降，最終基本保持在-15 ℃.

2）積極凍結(jié)期間，除X1卸壓孔內(nèi)壓力因堵塞基本保持不變外，其余卸壓孔內(nèi)壓力均在泄壓時(shí)出現(xiàn)快速上漲現(xiàn)象，孔內(nèi)最高壓力為0.65 MPa左右.

3）積極凍結(jié)40 d時(shí)，管片及土體界面處1.1 m范圍內(nèi)測(cè)溫孔內(nèi)溫度均處于-12 ℃以下，說明管片與土體界面處的凍土帷幕未受到界面散熱及管片后注漿層的影響.

4）積極凍結(jié)期間，右線隧道有輕微隆起變形，最大變形量為4.45 mm，左線隧道出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，最大下沉量為-5.39 mm，聯(lián)絡(luò)通道處于較穩(wěn)定狀態(tài).

本文中針對(duì)水下聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行實(shí)測(cè)獲得的變化規(guī)律，可以用于指導(dǎo)水下聯(lián)絡(luò)通道或類似工程的施工.