大直徑盾構始發(fā)段凍結對槽壁影響的實測研究

黃豐，石榮劍，岳豐田，張勇，陸路

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室 力學與土木工程學院，江蘇 徐州，221116)

盾構始發(fā)和接收施工中常用人工凍結法來改良地層，以維護洞門鑿除時工作井外部土體的穩(wěn)定[1]，特別是在軟弱富含水地層中，凍結加固形成的凍土具有均勻性高、封水效果好的特點[2]。但凍土形成過程中產生的凍脹作用[3]會引起工作井槽壁和周圍地層變形，而盾構始發(fā)前需對洞門處槽壁進行鑿除，此時，較大的凍脹力極易對槽壁造成破壞，影響盾構的正常始發(fā)，甚至造成較大的安全事故，特別是在大直徑盾構始發(fā)段凍結施工中，由于基坑槽壁深、形成凍土體積大，凍脹引起槽壁變形更加不容忽視[4]。在凍結過程中，凍脹變形和凍脹力的變化與凍土約束條件緊密相關，施工前很難準確確定槽壁承受的凍脹力，因此，在盾構始發(fā)工作井設計中一般不考慮凍脹力的作用，而是通過槽壁變形監(jiān)測結果來評價凍結施工中凍脹的影響，并采取相應措施來保證工作井槽壁結構的穩(wěn)定性[5]。

對于大直徑盾構始發(fā)段凍結加固工程來說，控制凍脹影響不僅是維護工作井穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)，也是保證盾構正常始發(fā)施工的技術要求[6]，眾多學者針對盾構始發(fā)段凍結加固過程開展了一系列研究，而數值模擬方法是分析凍脹影響的常用手段。針對盾構始發(fā)段凍結加固特點，姚直書等[7]通過數值模擬方法研究了凍脹力變化規(guī)律，建立了水平凍脹力和凍結壁厚度的關系。丁烈云等[8-9]基于武漢和南京地區(qū)盾構始發(fā)段凍結施工的實測數據，通過數值計算方法分析了盾構始發(fā)段地層的變形規(guī)律，獲得了地表沉降計算曲線，發(fā)現(xiàn)凍結期間地表最大變形量可達到35.5 mm。ZHANG 等[10]針對盾構端頭凍結施工的復雜工況條件，通過數值模擬方法分析凍結過程中水、熱、力耦合的變化，研究了埋深、凍結溫度和凍結壁厚度對地表凍脹變形的影響。楊紀彥等[11-12]通過數值模擬方法研究了盾構始發(fā)凍結施工過程中溫度場變化規(guī)律，分析了不同地質條件對盾構始發(fā)段凍結施工的影響?；诠こ淘偷哪Ｐ蛯嶒炓彩欠治鰞雒浻绊懙挠行侄?，姚直書等[13]通過深基坑排樁模型實驗研究凍脹對排樁的影響，測得最大水平凍脹力達到0.238 MPa，而通過設置卸壓孔等施工措施可以將凍脹力降低到0.133 MPa；黃建華[14-15]通過凍結過程中應力場、溫度場和應變場耦合分析的方法來研究凍脹變形特征、凍脹特性與周圍約束條件的關系，分析了凍脹對止水帷幕結構的影響規(guī)律；YANG等[16]采用盾構始發(fā)段液氮凍結加固實驗驗證了0.15 MPa 水壓力下凍結加固體的密封效果，分析了凍結加固對周圍環(huán)境的影響。由于槽壁變形和盾構推進施工也會影響凍脹作用的演變過程[17-18]，因此，考慮施工工況的現(xiàn)場實測方法是評價凍脹影響的直接手段。楊平等[19-20]通過對盾構工作井凍結加固溫度場的現(xiàn)場監(jiān)測，分析了地質條件、地下水滲流以及地層改良對溫度場分布特征的影響；HU等[21]針對大直徑盾構工作井垂直凍結施工監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)溫度變化對地表凍脹變形會產生明顯影響，而溫度場的分布特征和演變也會引起凍土凍脹力和凍脹變形的變化[22-23]，深基坑排樁凍結施工中實測的凍脹壓力可達到主動土壓力的37%～184%，最大凍脹力遠大于設計值[24]。

已有研究結果表明，盾構始發(fā)過程中凍脹會對周圍環(huán)境產生明顯影響，而周圍環(huán)境約束條件又會影響凍脹的演變過程，因此，深基坑槽壁變形和承受的凍脹力是評價凍脹影響的關鍵因素，對兩者之間協(xié)調關系的準確評價也是數值模擬方法分析凍脹影響的基礎。由于工作井混凝土槽壁的強度遠比地層的強度高，已有研究多關注地層的凍脹變形和槽壁承受的凍脹力，而忽略混凝土槽壁的變形，這會使研究結果產生較大誤差。特別是對于大直徑盾構始發(fā)段的凍結加固工程來說，槽壁承受凍脹力和變形的變化規(guī)律不僅是工作井設計的基礎，而且是評價工作井槽壁結構穩(wěn)定性的關鍵因素。上海上中路隧道是國內第一條直徑超過14 m 的超大直徑隧道[25]，本文作者通過對盾構始發(fā)段凍結工程的現(xiàn)場監(jiān)測，分析槽壁變形和承受凍脹力的變化特征，獲得凍結加固施工對槽壁的影響規(guī)律，研究成果可供大直徑盾構始發(fā)段凍結加固設計、施工和相關研究時參考。

1 凍結工程施工過程

1.1 工程概況

上海上中路越江隧道選用直徑為14.87 m的泥水平衡盾構施工，盾構始發(fā)工作井圍護結構采用1.2 m 厚的C30 鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，深度為48 m。工作井底板深度為24.5 m，槽壁上洞門直徑為15.2 m，洞門中心標高為-11.35 m，地面標高為+4.90 m。盾構始發(fā)段施工范圍涉及的地層為灰色淤泥質粉質黏土③、灰色淤泥質黏土④、灰色粉質黏土⑤，采用凍結板塊加門型拱棚凍結方案進行地層改良，影響槽壁變形的前凍結板塊由間距為1.5 m 的4 排凍結孔形成，凍結孔深度為27 m，間距為1 m，呈梅花形布置，如圖1所示。

1.2 測點布置

為了減小測溫管對盾構推進施工的影響，在盾構推進線路上布置2個深度為8 m的淺測溫孔C7和C12，在盾構推進線路外布置4個深度27 m的深測溫孔C4，C5，C6 和C8，用于監(jiān)測凍結范圍內地層溫度變化，更好地評價凍結壁的質量，保證盾構始發(fā)時的工程安全。利用C6 測溫鋼管的固定作用，在其外部橫向布置6個壓力計[26]，用于監(jiān)測凍結過程中凍土的凍脹壓力。為了監(jiān)測工作井變形，在槽壁頂部設置3 個位移測點SW1，SW2 和SW3，在槽壁內部豎向埋設深度為45 m的測斜管，通過測斜儀監(jiān)測槽壁的彎曲變形，具體測點布置如圖1所示。待凍結壁交圈后，從工作井槽壁內側水平鉆孔，在洞門中心和邊側位置各布置1個壓力計，用于監(jiān)測槽壁承受的凍脹壓力。

圖1 凍結區(qū)域布置圖Fig.1 Layout of frozen area

1.3 凍結施工過程

工作井開挖及內襯結構施工完成后進行凍結孔施工，凍結加固范圍為洞門四周3 m區(qū)域，凍結管上部5.5 m 范圍采用接長回液管的局部凍結模式。對4排凍結管同時開始凍結施工，凍結38 d后開始分層鑿除洞門內混凝土，凍結68 d 后開始盾構始發(fā)推進施工，盾構推出凍結區(qū)域完成洞門密封后停止凍結。凍結過程共進行97 d，在施工過程中，對地層溫度、凍脹壓力和槽壁變形進行連續(xù)監(jiān)測。

2 監(jiān)測結果分析

2.1 凍結溫度場的變化過程

凍結過程中，C6、C7 測溫孔內不同深度的測點溫度變化如圖2所示。從圖2可以看出，不同深度測點的溫度變化規(guī)律基本一致，僅在深度為5.5 m和27 m的凍結區(qū)域上、下兩端位置，受到冷媒循環(huán)末端和周圍未凍地層的雙重影響，測點溫度偏高3～4 ℃，但在完全破除洞門前土體溫度均低于-20 ℃，凍結壁整體質量滿足凍結設計要求。盾構推進線路上淺測溫孔C7 和邊界位置深測溫孔C6 的溫度變化規(guī)律基本一致，說明槽壁外形成凍結壁整體較均勻。

圖2 不同深度溫度變化曲線Fig.2 Temperature curves at different depths

從不同凍結時間的測點溫度變化過程可以看出，土體溫度在積極凍結、洞門槽壁破除和盾構推進3個不同施工階段的變化規(guī)律存在差別。受密集布孔良好凍結效果的影響，初始凍結期土體降溫梯度大，凍結開始10 d，測點溫度即降到0 ℃左右。受水結冰釋放潛熱影響，地層溫度在0 ℃維持近10 d，至凍結22 d 后，土體才全部進入負溫狀態(tài)，使測點溫度明顯下降。凍結38 d 后，凍土溫度均低于-20 ℃，開始洞門混凝土鑿除施工。受表面保溫層拆除影響，土體溫度稍有上升，但溫升幅度不大，不會明顯降低凍土強度。凍結68 d，洞門完全鑿除后開始盾構始發(fā)推進，初始推進階段對凍土溫度影響較小，凍結80 d 后，盾構完全進入凍土區(qū)域，設備熱量使土體溫度明顯升高，C7測溫孔中深度8.5 m 處的測點距離盾構邊緣0.5 m，在盾構推進過程中溫度升高近15 ℃，凍土強度明顯降低，因此，施工中應注意監(jiān)測盾構周圈凍土的穩(wěn)定性，避免影響盾構正常推進施工。

2.2 凍土的凍脹力變化過程

凍結過程中C6 測溫孔處不同深度的凍脹力變化曲線如圖3所示。壓力計固定在直徑為89 mm的測溫鋼管上，測試過程中壓力計不會發(fā)生水平移動，所以，獲得的凍脹力為凍結壁內最大凍脹力。從圖3可以看出，在凍結開始20 d內的初始凍結階段，由于槽壁外未完全形成凍土，凍結壁之間的未凍土可以吸收凍土的凍脹作用，因此，不同深度的凍脹力均維持在原始地層壓力水平，未發(fā)生明顯變化。隨著槽壁外未凍土的消失，凍土的凍脹力開始增加，特別是凍結25 d 后，土體溫度降低會明顯提高凍土強度和彈性模量，使凍脹力明顯增加。凍結38 d 后，凍土凍脹力達到最大值，并維持基本穩(wěn)定，此時，凍土溫度均低于-20 ℃。

圖3 不同深度凍脹力變化曲線Fig.3 Curve of frost heave pressure at different depths

受到洞門混凝土鑿除、盾構推進等后續(xù)施工的影響，凍土的凍脹力會產生波動。洞門混凝土鑿除施工降低了周圍土體對凍土的限制作用，導致凍土凍脹力減小，而盾構推進施工又會造成土體壓力增加，從而使凍脹力變大，因此，凍土周圍約束作用的變化會明顯改變凍脹力。

2.3 槽壁承受凍脹力的變化過程

凍結38 d 后，槽壁外凍結壁溫度均低于-20 ℃，從工作井槽壁內側施工水平孔來布置凍脹壓力計，測試槽壁承受的凍脹壓力，凍結過程中洞門中心和側邊位置槽壁承受凍脹力的變化曲線如圖4所示。

圖4 槽壁凍脹力變化曲線Fig.4 Change curve of frost heave pressure

從圖4可以看出，水平鉆孔布置凍脹壓力計2～3 d 后即可測試到槽壁承受的最大凍脹力，說明槽壁外凍結壁在沒有支撐的條件下其變形速率較快，施工中需要及時支撐暴露的凍結壁，以減少開挖后凍結壁變形。洞門內混凝土采用分層剝離方式進行破除，凍結46 d 時槽壁強度降低使槽壁變形增加，導致槽壁承受的凍脹力變小，洞門側邊位置的凍脹力從0.465 MPa 減小至0.372 MPa。凍結58 d時，洞門剝離至槽壁外側最后一層鋼筋，洞門側邊的凍脹力仍有少許下降，由于鋼筋尚未割除，凍脹壓力變化幅度不大。

洞門中心和側邊凍脹壓力計的埋設深度均為16.25 m，凍結44 d 時，實測最大凍脹力分別為0.465 MPa 和0.144 MPa，而C6 測溫孔位置深度16 m處的最大凍脹力達到 0.686 MPa。洞門位置最大凍脹力偏小的原因是洞門內混凝土的鑿除施工引起槽壁變形削弱了槽壁對凍土的約束作用，釋放部分凍脹變形，從而減小了槽壁承受的凍脹力。而洞門中心位置凍脹力小于洞門側邊位置的凍脹力，其原因也是洞門破除期間中心位置的槽壁變形大于側邊的槽壁變形，較大的槽壁變形釋放了部分凍脹力。因此，考慮到凍結施工期間槽壁變形影響，采用凍土最大凍脹力進行槽壁結構設計是偏安全的，施工中，通過減少槽壁支撐強度等措施允許槽壁產生一定變形，也可以降低其承受的凍脹力，減小槽壁結構內部的應力。

2.4 槽壁頂端位移的變化過程

凍結施工期間，工作井槽壁頂端位移變化曲線如圖5所示 。

圖5 槽壁頂端位移變化曲線圖Fig.5 Variation curve of top displacement of groove wall

從圖5可以看出：受到凍土形成過程中凍脹作用影響，槽壁頂端整體向工作井內部偏移；在開始凍結22 d 的初始凍結階段，槽壁外部未凍土及高溫凍土的強度和彈性模量遠比槽壁混凝土的小，因此，凍脹作用主要被地層變形吸收，槽壁頂端位移較小；隨著凍結壁完全交圈及凍土溫度降低，槽壁頂端位移開始增加，凍結38 d 時，其位移達到5.12 mm，凍土溫度均低于-20 ℃，凍土強度和彈性模量顯著提高；凍結38 d 后，分層鑿除洞門混凝土削弱了凍土的限制作用，凍脹力的降低也導致槽壁頂端位移減小，但隨著洞門鑿除造成槽壁整體支撐作用減弱，槽壁頂端的變形量明顯增加。

SW1，SW3 和SW2 測點分別位于槽壁兩端和中心位置，受到工作井兩側側墻的支撐作用，SW1 和SW3 測點的水平位移明顯小于中間位置的SW2 測點的水平位移，而SW3 測點距離左側側墻更近，此處的水平位移最小。因此，工作井槽壁頂端變形沿槽壁軸線方向近似呈弧形分布，洞門中心位置的水平位移最大，盾構始發(fā)前最大位移達到28.76 mm。

2.5 槽壁彎曲變形的變化過程

以槽壁頂端為基準，通過不同深度槽壁水平位移來表征槽壁的彎曲變形，凍結期間不同深度槽壁水平位移的分布曲線如圖6所示，圖中位移以遠離凍結區(qū)域方向為負。

圖6 槽壁彎曲變形曲線Fig.6 Bending deformation curve of groove wall

從圖6可以看出，由于上部地層采用局部凍結方式，受較弱凍脹作用及淺部槽壁自由變形影響，在凍結過程中，6 m深度范圍的槽壁水平位移相差不大，槽壁未產生彎曲變形。在工作井底板的支撐作用下，底板上部和下部槽壁分別向工作井內、外產生彎曲變形。槽壁承受凍脹力是引起工作井槽壁彎曲變形的直接原因，凍土凍脹作用使凍結范圍槽壁向工作井內部產生彎曲變形，最大水平位移約2.11 mm，出現(xiàn)在深度10～20 m 的范圍內。受到工作井底板支撐作用影響，深度24.5 m 處槽壁水平位移較小，而底板以下槽壁向土層方向彎曲變形，深度35～40 m 范圍的最大水平位移約為3.62 mm。

從凍結范圍內槽壁彎曲變形的變化過程看，隨著凍結過程中凍脹力增加，凍結范圍內槽壁水平位移持續(xù)增大，最大水平位移出現(xiàn)在凍結30～40 d 期間，由圖3 和圖4 可以看出，此時凍結壁內的凍脹力也達到最大值。隨著洞門混凝土鑿除造成圍護結構位移增加，減小了槽壁承受的凍脹力，使槽壁彎曲變形變小，凍結60 d 時，工作井底板上部槽壁的最大水平位移僅為1.21 mm。

3 討論

3.1 凍結過程對槽壁變形的影響分析

凍結過程中工作井槽壁承受凍脹力與頂端位移的變化曲線如圖7所示。在初始凍結階段，凍土的凍脹作用主要引起未凍土壓縮變形。從圖7可以看出：初始凍結階段凍脹力和槽壁位移的變化幅度較??；凍結15 d 后，凍結壁開始交圈，隨著槽壁外未凍土的消失，凍土凍脹力逐漸增大，特別是凍結25 d 后，整體凍結壁的平均溫度持續(xù)降低提高了凍土整體強度，從而使凍結壁內的凍脹力明顯增加，此時，槽壁混凝土的強度和剛度遠大于凍土的強度和剛度，所以，槽壁幾乎未出現(xiàn)水平位移，直至最大凍脹力增至0.9 MPa時，槽壁頂端才開始變形，且隨著凍脹力增加而持續(xù)增大；凍結38 d后，凍土溫度全部降低到-20 ℃以下，槽壁外形成凍結壁的整體強度和彈性模量與槽壁混凝土的相差不大，凍脹力作用導致槽壁頂端位移持續(xù)增加，而凍結壁內凍脹力不再增大；凍結68 d后，洞門混凝土鑿除施工削弱了凍土約束作用，不僅會降低凍脹力，而且槽壁頂端水平位移的增長率開始減小，槽壁逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)；隨著盾構始發(fā)推進，盾構推力也會影響地層內壓力分布，導致凍土凍脹力在盾構推進過程中出現(xiàn)較大波動。

圖7 槽壁頂端位移與凍脹力的變化曲線Fig.7 Curve of wall displacement and frost heave force

因此，在凍結過程中，凍脹力是影響工作井槽壁變形的直接原因，而槽壁變形是凍脹力作用的宏觀表現(xiàn)。槽壁外凍結壁的整體強度和彈性模量的變化會影響凍脹力的增長過程，而槽壁遠離凍土區(qū)的變形又會吸收凍脹作用，抑制凍脹力的持續(xù)增長，因此，在凍結施工過程中允許工作井槽壁產生一定變形，可以減小凍脹力的增長幅度，改善工作井槽壁結構的受力狀態(tài)，提高工作井的穩(wěn)定性。

3.2 地層深度對凍脹力分布的影響分析

凍結過程中，凍結范圍內不同深度地層最大凍脹力的分布特征如圖8所示。

圖8 地層凍脹力的分布曲線Fig.8 Curve of formation frost heave force

從圖8可以看出，地層最大凍脹力隨著埋深的增加而呈近線性增大，施工中，實測最大凍脹力由淺部埋深6 m 處的0.314 MPa 呈近線性增加至埋深20 m處的0.782 MPa，不同深度地層的最大凍脹力差別由周圍地層限制作用的差異造成，深部較大土壓力對凍脹變形的限制作用強，導致最大凍脹力增大，在凍結過程中，不同深度地層最大凍脹力約是相應深度地層壓力的1.5～2.0 倍。深度24 m 處的凍脹力明顯偏大的原因是槽壁受到工作井底板的支撐作用，變形量較小，最大凍脹力達到1.176 MPa，是原始地層壓力的3.018 倍，這也說明地層最大凍脹力與周圍地層的約束作用緊密相關，施工中可采取措施減小地層限制作用，來降低凍結壁內的最大凍脹力。

3.3 槽壁彎曲變形的變化特征分析

在凍結過程中，不同深度槽壁水平位移的變化如圖9所示，圖中位移以偏離凍土方向為負。

從圖9可以看出：受到凍結施工影響，初始凍結階段工作井槽壁整體向工作井方向偏移；隨著凍結進行，不同深度槽壁變形量開始增加，最大水平位移出現(xiàn)在凍結30～40 d時，此時，槽壁外凍結壁溫度低于-20 ℃，凍土的強度和彈性模量較高，凍脹力明顯增加而槽壁頂端水平位移較小，凍脹力增加造成槽壁出現(xiàn)較大彎曲變形；凍結40 d后，槽壁水平位移增加，不僅使凍脹力不再增加，而且也減小了不同深度槽壁水平位移的差距，縮小了槽壁整體彎曲的曲率，因此，槽壁承受的凍脹力是其產生彎曲變形的直接原因。

圖9 不同深度的槽壁彎曲變形變化曲線Fig.9 Variation curve of bending deformation of groove wall at different depths

從槽壁水平位移的豎向分布來看，受到工作井底板的支撐作用，深度為25 m 的底板位置槽壁水平位移的變化量較小，底板以上槽壁向工作井方向偏離，最大水平位移出現(xiàn)在凍結30 d 左右，而底板以下槽壁向凍土方向偏移，最大水平位移出現(xiàn)在凍結40 d 后。下部槽壁變形較上部延遲以及變形量偏小的原因是工作井內襯結構提高了槽壁結構的強度和剛度，從而減小其變形量。

從洞門深度范圍的槽壁水平位移來看，洞門混凝土分層鑿除施工對槽壁彎曲變形不會產生明顯影響，說明外層鋼筋割除前槽壁仍能保持一定強度，而且工作井外凍結壁也可以提供良好的支撐作用，所以，洞門內混凝土被完全破除后，凍結壁可以有效抵擋外部水土壓力，維持外部土體穩(wěn)定。

4 結論

1) 凍結初始階段的凍脹作用主要引起地層壓縮變形，當凍結壁溫度均降低到-20 ℃以下時，凍脹力才會引起槽壁水平位移明顯增大，盾構始發(fā)前實測槽壁頂端的最大位移達到28.76 mm。

2) 凍土內最大凍脹力隨著埋深的增加而呈近線性增大，在深度6～20 m 范圍內，凍土最大凍脹力從0.314 MPa 呈近線性增至0.782 MPa，是相應深度原始地層壓力的1.5～2.0倍。

3) 工作井底板上部和下部的槽壁分別向工作井內、外方向彎曲變形，凍結施工期間最大水平位移出現(xiàn)在深度10～20 m和35～40 m范圍內，分別達到2.11 mm和3.62 mm。

4) 凍土凍脹力是工作井槽壁變形的直接原因，而槽壁變形也會影響凍脹力的分布特征和變化過程。凍結38 d 后，槽壁水平位移的增加，不僅會抑制凍脹力的增長，而且可以減小槽壁結構的彎曲變形。