基坑免降水開(kāi)挖的組合式凍結(jié)法支護(hù)工藝研究

張 松，岳祖潤(rùn)，盧相忠，張慶武，孫鐵成，胡田飛，亓源水，張俊洋

(1.石家莊鐵道大學(xué)省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050043;2.唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北唐山 063000; 3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043; 4.蘇州軌道交通市域一號(hào)線有限公司,江蘇蘇州 215000)

引言

近年來(lái),我國(guó)的城市建設(shè)向著立體化開(kāi)發(fā)方向不斷邁進(jìn)。城市地下空間的利用效率已經(jīng)成為衡量城市發(fā)展水平的重要指標(biāo)[1],隨之基坑工程數(shù)量與規(guī)模不斷增大。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)基坑工程的占地面積、深度、規(guī)模和施工難度越來(lái)越大[2-4],同時(shí)基坑工程施工中所面臨的水資源保護(hù)問(wèn)題也愈加突出,尤其是在北方地區(qū)近年來(lái)水位持續(xù)上漲的大背景下,越來(lái)越多的基坑工程面臨地下水控制困難的問(wèn)題。傳統(tǒng)基坑工程一般采用降水方法進(jìn)行地下水控制,但受限于環(huán)保政策[5]和水資源稅的征收[6],在基坑工程中使用降水方法的可行性越來(lái)越小,因此,大量工程轉(zhuǎn)而采用止水帷幕控水[7]。但傳統(tǒng)的落地式止水帷幕難以解決深厚潛水及含水層的基坑止水問(wèn)題。而采用懸掛式止水帷幕時(shí)需要持續(xù)進(jìn)行地下水抽排與回灌[8],會(huì)對(duì)周圍地層和建構(gòu)筑物產(chǎn)生極大的影響[9-10],使得該方法應(yīng)用受限。因此,亟待尋找一種建立人造水平隔水層的方法進(jìn)行基坑工程封水。

目前人造水平隔水層的主要施工方案有水泥系加固和凍結(jié)法支護(hù)兩種,其中水泥系加固存在加固區(qū)域控制不精準(zhǔn)干擾開(kāi)挖,施工過(guò)程噪聲、污染大等一系列問(wèn)題,因此,越來(lái)越多的學(xué)者考慮將凍結(jié)法引入基坑工程中。如上世紀(jì)美國(guó)就采用滿鋪垂直凍結(jié)方式進(jìn)行了基坑工程的封底[11],國(guó)內(nèi)則在上海地區(qū)有過(guò)一次凍結(jié)法封底的成功實(shí)踐[12]。但此類施工均采用凍結(jié)管垂直滿鋪方式布置,因此,產(chǎn)生了開(kāi)挖面凍結(jié)管密布的問(wèn)題,進(jìn)而衍生出成本偏高、過(guò)度凍結(jié)、開(kāi)挖過(guò)程凍結(jié)管保護(hù)困難等一系列問(wèn)題。為此,張晉勛[13-15]提出了“盆型”凍結(jié)方案,利用局部?jī)鼋Y(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基坑凍結(jié)封底。該方法雖然在一定程度上減少了凍結(jié)體量,但仍無(wú)法徹底解決大量?jī)鼋Y(jié)管干擾開(kāi)挖的問(wèn)題;且凍結(jié)管局部保溫效果不佳時(shí),非凍結(jié)區(qū)仍會(huì)有大量冷量耗散,難以有效地壓縮制冷工程量,降低工程成本。

針對(duì)上述問(wèn)題,總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)并借鑒組合式支護(hù)體系的設(shè)計(jì)思路,提出基坑的組合式凍結(jié)法支護(hù)技術(shù):通過(guò)人為構(gòu)造小型鉆孔工作面實(shí)現(xiàn)水平凍結(jié)封底,并將其與傳統(tǒng)側(cè)壁止水帷幕相結(jié)合,形成一種新型組合式止水帷幕,實(shí)現(xiàn)基坑工程低成本、高效能的支護(hù)與止水,并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 組合式凍結(jié)法支護(hù)機(jī)理及適用范圍

組合式凍結(jié)法的支護(hù)機(jī)理是對(duì)傳統(tǒng)懸掛式止水帷幕的改進(jìn),利用凍土止水帷幕作為基底水平止水帷幕,而在基坑側(cè)壁采用傳統(tǒng)的止水帷幕,從而構(gòu)建出組合式止水系統(tǒng)。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該方法既能發(fā)揮傳統(tǒng)地連墻、排樁等支護(hù)體系低成本、高強(qiáng)度、施工簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì),又利用了凍結(jié)體的高效封水特性,實(shí)現(xiàn)了基坑的不排水開(kāi)挖,大幅度降低了基坑施工對(duì)周圍地層環(huán)境的干擾,實(shí)現(xiàn)了水資源的保護(hù)。

圖1 基坑組合式凍結(jié)法支護(hù)體系示意Fig.1 Schematic of foundation pit support by combined artificial ground freezing

由于組合式凍結(jié)法的應(yīng)用可以有效解決基坑工程的降水問(wèn)題,因此,當(dāng)基坑工程周圍存在對(duì)降水敏感的建構(gòu)筑物(如高鐵路基、建構(gòu)筑物基礎(chǔ))或環(huán)保政策導(dǎo)致的降水施工成本偏高等問(wèn)題時(shí),可考慮采用組合式凍結(jié)法進(jìn)行基坑支護(hù)。

“組合式凍結(jié)法”這一設(shè)計(jì)理念還可以拓展到基坑工程以外的地下工程中。如港珠澳跨海大橋拱北段凍結(jié)工程,即將管棚與凍土帷幕進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,利用管棚承載、凍結(jié)封水實(shí)現(xiàn)了地層支護(hù)[16-17]。近年來(lái),大量?jī)鼋Y(jié)工程[18]使用的“強(qiáng)管棚、弱凍結(jié)”設(shè)計(jì)理念也是對(duì)組合式凍結(jié)這一支護(hù)理念的特殊應(yīng)用。此類工程中凍土帷幕不再作為支護(hù)主體,而是作為強(qiáng)效封水材料,在保證工程安全的基礎(chǔ)上,使得凍結(jié)體量得到大幅度縮減,節(jié)省了工程造價(jià)。

綜上所述,組合式凍結(jié)法不僅能夠保證工程安全,也能夠大幅度壓縮凍結(jié)體量,因此具有良好的應(yīng)用前景。

2 基坑組合式凍結(jié)法施工流程

參考以往凍結(jié)工程和基坑工程的施工經(jīng)驗(yàn),考慮基坑傳統(tǒng)支護(hù)方法,建議優(yōu)先考慮地連墻作為側(cè)向支護(hù)及止水結(jié)構(gòu),并利用放射性布置的水平凍結(jié)孔形成水平凍土止水帷幕,通過(guò)二者的結(jié)合形成基坑工程的支護(hù)體系。規(guī)劃施工流程如圖2所示。

圖2 基坑組合式凍結(jié)法施工流程Fig.2 Construction process of foundation pit by combined artificial ground freezing

步驟1:施作基坑地連墻,并同時(shí)施作臨時(shí)豎井井壁,井底封閉采用“盆型”凍結(jié)方案。

步驟2:在已完成臨時(shí)豎井內(nèi)施工水平凍結(jié)孔,凍結(jié)孔呈放射性布置,同時(shí)在基坑附近地面安裝冷凍站。

步驟3:凍結(jié)系統(tǒng)安裝,連接凍結(jié)器與冷凍站,并開(kāi)機(jī)凍結(jié)。

步驟4:凍結(jié)效果達(dá)標(biāo)后開(kāi)始,進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工,并伴隨基坑掘進(jìn),進(jìn)行臨時(shí)豎井拆除和鹽水干管的支護(hù)。

步驟5:開(kāi)挖到設(shè)計(jì)高程后,進(jìn)行底板施工,并在臨時(shí)豎井附近預(yù)留接茬縫。

步驟6:停止凍結(jié),割除凍結(jié)管,并回填臨時(shí)豎井至與基坑底部平齊。

步驟7:對(duì)臨時(shí)豎井回填位置進(jìn)行底板澆筑,做好搭接與防水。

步驟8:澆筑底板以上結(jié)構(gòu)。

3 施工重、難點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)策略

由于地連墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)在各類基坑工程中已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證,因此,組合式凍結(jié)法的關(guān)鍵重難點(diǎn)主要集中于凍土帷幕,以及凍土帷幕與地連墻界面區(qū)域。梳理主要工程重、難點(diǎn)如下。

(1)如何控制凍脹對(duì)基坑的影響

在組合式凍結(jié)法施工中凍脹主要集中于基坑底部,且可以劃分為垂直于凍結(jié)管方向和平行于凍結(jié)管方向兩部分。由于距離凍土帷幕越近,凍脹效果越明顯,因此認(rèn)為凍脹控制的關(guān)鍵位置是基底區(qū)域。為解決基底凍脹問(wèn)題,可適當(dāng)提高基底與設(shè)計(jì)凍土帷幕之間距離,并在靠近基底區(qū)域施工泄壓孔或溫度限位孔,減少凍脹影響。

由于凍結(jié)管呈放射性布置,在靠近臨時(shí)豎井區(qū)域密布的凍結(jié)管會(huì)造成凍脹量激增,從而引起一系列次生災(zāi)害。應(yīng)根據(jù)布置情況選擇部分凍結(jié)管在靠近臨時(shí)豎井一側(cè)進(jìn)行局部?jī)鼋Y(jié)保溫,在保證凍結(jié)效果的前提下,降低其冷量輸入,控制凍結(jié)體量,減少凍脹。

(2)如何保證凍土帷幕與地連墻界面區(qū)的凍結(jié)效果

大量實(shí)踐證明,凍結(jié)過(guò)程中凍土帷幕沿凍結(jié)管縱向發(fā)育要遠(yuǎn)低于橫向發(fā)育,而在組合式凍結(jié)法設(shè)計(jì)中當(dāng)凍結(jié)管與地連墻僅為接觸時(shí),界面區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)主要依靠?jī)鐾玲∧坏目v向發(fā)育形成,凍結(jié)效果較差。為解決這一問(wèn)題,擬將凍結(jié)管嵌入地連墻內(nèi)部一定深度,使得凍土帷幕-地連墻界面區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)改為依靠?jī)鐾玲∧粰M向發(fā)育形成,從而強(qiáng)化界面區(qū)的凍結(jié)效果。

4 工藝驗(yàn)證

4.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證組合式凍結(jié)法的可行性,針對(duì)基坑的組合式凍結(jié)法加固進(jìn)行模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)基坑原型尺寸為15 m×15 m×12 m,其中凍結(jié)管布置于第13 m和第14 m層位,實(shí)際工況和模擬工況的設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。根據(jù)相似原理,最終確定幾何縮比Cl=1/10,時(shí)間縮比Ct=1/100,溫度縮比CT=1。

表1 組合式凍結(jié)法模型試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of combined artificial ground freezing model test

模型試驗(yàn)臺(tái)由基坑區(qū)域模擬系統(tǒng)、外部地層模擬系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng)三部分組成,其中基坑區(qū)域模擬系統(tǒng)如圖3所示,凍結(jié)孔布置形式如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)采用預(yù)澆筑方案制作臨時(shí)豎井結(jié)構(gòu)和地連墻結(jié)構(gòu),其中地連墻結(jié)構(gòu)在與凍結(jié)管交接位置預(yù)留空槽,保證與凍結(jié)管進(jìn)行有效搭接。

圖3 基坑區(qū)域模擬系統(tǒng)Fig.3 Foundation pit area simulation system

圖4 凍結(jié)孔布置方式Fig.4 Layout of freezing pipe

制冷循環(huán)系統(tǒng)選擇一臺(tái)31 kW螺桿冷凍機(jī)組配合3 m3鹽水箱,試驗(yàn)過(guò)程中可將鹽水箱溫度持續(xù)保持在-25±1.5 ℃范圍內(nèi)。鹽水箱與凍結(jié)器間采用一臺(tái)2.2 kW管道泵作為循環(huán)動(dòng)力源,并安裝電磁流量計(jì)對(duì)干管流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)中各分組凍結(jié)器流量一致,單管流量保持在3.62 m/s左右,全試驗(yàn)過(guò)程要求變化量≯5%。

模型試驗(yàn)臺(tái)安裝過(guò)程如下。

步驟1:在模型試驗(yàn)臺(tái)(外部地層模擬系統(tǒng))內(nèi)填筑10 cm基礎(chǔ)層。

步驟2:安裝帶有凍結(jié)管的臨時(shí)豎井結(jié)構(gòu)。

步驟3:地連墻結(jié)構(gòu)依次拼裝到位,并將與凍結(jié)管搭接預(yù)留槽用快速水泥進(jìn)行充填、找平。

步驟4:自下而上分層填筑試驗(yàn)土樣,土樣單次填筑高度10 cm。每次裝填前按試驗(yàn)要求含水率進(jìn)行配比,并夯實(shí)至設(shè)計(jì)孔隙率,伴隨填土過(guò)程根據(jù)設(shè)計(jì)位置進(jìn)行測(cè)溫系統(tǒng)安裝。

步驟5:土樣填筑完成后,將凍結(jié)管依序分組并與制冷循環(huán)系統(tǒng)連接。

模型試驗(yàn)臺(tái)安裝完成后在外側(cè)覆蓋5 cm聚乙烯保溫板,保溫板導(dǎo)熱系數(shù)≯0.04 W/m2,用于防止試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部與外部發(fā)生明顯熱交換。模型試驗(yàn)臺(tái)最終形態(tài)如圖5所示。

圖5 模型試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 The model test platform

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 凍土帷幕達(dá)標(biāo)性驗(yàn)證

本次測(cè)試共設(shè)置3個(gè)測(cè)溫平面,分別位于上排凍結(jié)孔平面外側(cè)0.5 m,兩排凍結(jié)孔之間和下排凍結(jié)孔平面外側(cè)0.5 m位置。由于凍結(jié)孔呈放射形分布,因此,不同位置孔間距各不相同,表2所列為距離地連墻最近測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的原型孔間距尺寸及計(jì)算所得凍土帷幕擴(kuò)展厚度[19]。

表2 不同區(qū)域凍土帷幕擴(kuò)展厚度Tab.2 Thickness of frozen curtain in difference zone

由表2計(jì)算結(jié)果可知,在設(shè)計(jì)凍結(jié)末期,各區(qū)域凍土帷幕擴(kuò)展厚度均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)1.0 m,但隨著孔間距增大,凍土帷幕擴(kuò)展厚度逐步減小,為進(jìn)一步探索凍結(jié)區(qū)域的溫度場(chǎng)分布,利用雙排交叉布置凍結(jié)孔的穩(wěn)態(tài)解析解公式[20]對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行全域求解,計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中,Tf為凍結(jié)管外表面溫度,℃;r0為凍結(jié)孔半徑,m;其余參數(shù)及求解后溫度場(chǎng)方程如圖6所示,每個(gè)區(qū)域獨(dú)立使用該區(qū)域內(nèi)部坐標(biāo)系。

圖6 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)Fig.6 The calculation model and parameters

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,求解不同區(qū)域的凍土帷幕平均溫度分別為-12.6 ℃(區(qū)域1)、-12.4 ℃(區(qū)域2)、-11.7 ℃(區(qū)域3)、-10 ℃(區(qū)域4),均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)-10 ℃。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出本試驗(yàn)中凍土帷幕擴(kuò)展厚度和平均溫度的函數(shù)關(guān)系為

ξ=43e-3.15l+1.08R2=0.99

(3)

(4)

根據(jù)擬合數(shù)據(jù)可知,隨著孔間距增大,凍土帷幕平均溫度線性增大,同時(shí)厚度呈指數(shù)型下降。由于最大孔間距位置并未設(shè)置測(cè)點(diǎn),因此將其對(duì)應(yīng)孔間距l(xiāng)=2.18 m代入式(3)和式(4),求得最危險(xiǎn)區(qū)域的凍土帷幕擴(kuò)展厚度為1.12 m,平均溫度-9.6 ℃。這表明該區(qū)域凍土帷幕擴(kuò)展厚度達(dá)標(biāo),但凍土帷幕平均溫度稍差。

凍土帷幕承載能力與凍土帷幕厚度和平均溫度二者密切相關(guān),因此,求解區(qū)域凍土帷幕承載能力系數(shù)[21]為1.21,表明該區(qū)域凍土帷幕承載能力仍超過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)值1.0,滿足承載要求。

4.2.2 局部?jī)鼋Y(jié)效果驗(yàn)證

模型試驗(yàn)中上排凍結(jié)管部分區(qū)域進(jìn)行了保溫處理,圖7為保溫處理區(qū)域與非保溫處理區(qū)域的測(cè)點(diǎn)溫度曲線。采用保溫措施后,測(cè)點(diǎn)C2-1溫度基本未發(fā)生變化,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程溫度下降約3 ℃,而未保溫測(cè)點(diǎn)C1-1則在試驗(yàn)過(guò)程下降約14 ℃。這表明上排凍結(jié)管的保溫效果良好,根據(jù)上中下3個(gè)平面的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),可得該區(qū)域豎向溫度分布如圖8所示。利用圖乘法可以得出,凍土帷幕厚度為1.97 m,平均溫度-12.7 ℃,凍土帷幕承載能力系數(shù)為1.21,與4.2.1節(jié)計(jì)算的地連墻附近凍土帷幕承載能力一致。這表明在凍土帷幕最薄弱的近地連墻區(qū)域和近臨時(shí)豎井區(qū)域,組合式凍結(jié)法的加固效果均滿足要求,因此,采用組合式凍結(jié)法進(jìn)行基坑支護(hù)是可行且有效的。

圖7 保溫區(qū)與非保溫區(qū)測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比Fig.7 Temperature comparison in insulated area and non-insulated area

圖8 局部保溫區(qū)域溫度場(chǎng)分布Fig.8 The temperature distribution in partially insulated area

4.2.3 凍結(jié)對(duì)既有地連墻結(jié)構(gòu)影響

基坑組合式凍結(jié)法施工中,凍脹變形會(huì)在凍土帷幕周圍形成垂直凍結(jié)鋒面的法向力和平行凍結(jié)鋒面水平剪切力,二者在水平方向的分量是推動(dòng)地連墻側(cè)移的主要作用力。設(shè)計(jì)中將凍結(jié)管與地連墻設(shè)置了部分搭接區(qū),區(qū)域原型長(zhǎng)度0.3 m,因此凍結(jié)前期凍結(jié)鋒面與地連墻呈一定夾角時(shí),其水平向分力伴隨凍結(jié)發(fā)展逐步增大,但凍結(jié)后期凍結(jié)鋒面與凍結(jié)管基本平行后,法向力不再提供水平分量,此時(shí)地連墻所受力基本穩(wěn)定,其變形也基本趨于穩(wěn)定。這一過(guò)程凍土帷幕形態(tài)及其擠壓地連墻受力狀態(tài)如圖9所示。墻內(nèi)凍結(jié)管引起的混凝土凍脹變形對(duì)墻體結(jié)構(gòu)影響可控。

圖9 凍結(jié)對(duì)地連墻影響效果Fig.9 Freezing effect on diaphragm wall

圖9中數(shù)據(jù)曲線為地連墻上所布置應(yīng)變片的測(cè)試數(shù)據(jù),應(yīng)變片位于上下兩排凍結(jié)孔之間(圖3),在凍結(jié)前100 min(原型7 d),應(yīng)變快速增長(zhǎng),隨后應(yīng)變基本穩(wěn)定。由于整個(gè)工程應(yīng)變值相對(duì)較小,試驗(yàn)后觀察地連墻也未產(chǎn)生裂縫或破壞(圖9),因此認(rèn)為凍結(jié)對(duì)地連墻既有結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯影響。

5 結(jié)論

基于對(duì)現(xiàn)有基坑工程所面臨施工環(huán)境的分析,指出基坑不降水開(kāi)挖的必要性和緊迫性,并通過(guò)對(duì)組合式凍結(jié)法的研究,對(duì)基坑高效凍結(jié)封水的可行性進(jìn)行了探討,得出以下結(jié)論。

(1)采用組合式凍結(jié)法進(jìn)行基坑坑底封水,可以有效實(shí)現(xiàn)基坑的免降水開(kāi)挖。組合式凍結(jié)法有望成為基坑、車站隧道、綜合管廊等大體量地下工程凍結(jié)施工的重要選項(xiàng)。

(2)梳理出基坑組合式凍結(jié)法的建議施工流程及重難點(diǎn)處置方案。提出了通過(guò)設(shè)置泄壓孔、溫度限位孔以及部分凍結(jié)孔局部?jī)鼋Y(jié)保溫的方法進(jìn)行凍脹控制的解決方案,以及利用凍結(jié)器嵌入地連墻的方式,保證凍土帷幕-地連墻界面區(qū)搭接效果的解決方案。

(3)模型試驗(yàn)表明,組合式凍結(jié)法是可行且可靠的,試驗(yàn)中整體凍結(jié)效果在設(shè)計(jì)時(shí)間超過(guò)了目標(biāo)值,最小承載能力為設(shè)計(jì)值的1.21倍;局部保溫方案有效控制了臨時(shí)工作豎井區(qū)域的凍結(jié)體量,并保證承載能力仍為設(shè)計(jì)值的1.21倍;整個(gè)凍結(jié)過(guò)程中凍土帷幕對(duì)地連墻未產(chǎn)生明顯影響。