上海淤泥質黏土層凍結法施工溫度及位移場監測分析

唐益群，劉 昶，趙文強

（1. 同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

凍結法加固土體具有凍結壁均勻性好、與隧道管片結合嚴密、強度高、封水性好、安全可靠的優點，在地下工程施工中被廣泛應用。為了保證凍土帷幕的安全有效，必須實時掌握相關的各種參數[1-2]。

不少學者對凍結法做了相關的研究。姜耀東等在不同施工階段中，對鹽水溫度、土層溫度、地表變形、凍土壓力、隧道襯砌變形等多個參量進行現場監測[3]。楊平等對軟弱地層聯絡通道凍結法施工溫度及位移場進行了全程實測研究[4]。劉波等使用FLAC3D模擬分析了在復雜地質條件下，采用凍結法修建上海地鐵旁通道時，土體的凍脹和融沉的現象[5]。對于上海淺部的淤泥質黏土，宋志剛和洪軍對其凍融前后無側限抗壓強度做了一定的研究[6-7]。

本文依托上海某地區凍結法施工的聯絡通道，對其鹽水溫度、泄壓孔壓力、凍土溫度、分層沉降進行了長期監測，并對其進行相應規律性分析，為后續淤泥質黏土層的凍結方案設計提供依據和參考。

1 工程概況

上海地區某工程聯絡通道采用凍結法施工，該處右行線盾構隧道里程為WYDK2+502.180，隧道中心標高為-7.412m，地面標高約為+4.80m，隧道管片內直徑5900mm，管片壁厚350mm，隧道中心與逃生井內側墻面間距10.2m。聯絡通道由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構成。聯絡通道所處土層及主要參數如表1所示。

表1 土層物理參數Table 1 The coefficients for soil properties

2 凍結加固方案

施工方案采用隧道內鉆孔，凍結臨時加固土體，礦山法暗挖構筑。為保證凍結壁厚度達到凍土帷幕厚度，采用喇叭口≥1.4m、通道正常段≥1.7m，凍結孔從疏散井往隧道打孔方式，并按上仰、水平、下俯三種角度布置在聯絡通道的四周（圖1），共36個凍結孔。

為準確判斷凍結壁是否交圈，并釋放減少土層水土凍脹壓力，在與每個聯絡通道相接的隧道內兩側非凍結處，各布置2個泄壓孔，共計4個。

圖1 凍結管布置圖Fig.1 Layout of measuring points in soils for freezing holes

3 監測方案

為監測凍結及解凍全過程中，溫度及位移變化情況，在垂直聯絡通道軸線位置上布置了4組測孔，每組測孔分別由測溫孔和分層沉降孔組成。1、2、3組測點間的距離分別為2.5 m、1.3 m、1.5 m，同一組測點間距為0.5 m，同一測孔內各測點入土深度分別為2.45 m、5.40 m、7.05 m、8.278 m、10.822 m。布設如圖2所示。

同時，在沉降孔的頂部每次使用全站儀檢測地表標高，以確定地表位移情況。

圖2 測溫孔與沉降孔布設示意圖Fig.2 Schematic diagram for measuring temperature hole and settlement hole

4 凍結監測及數據分析

本次凍結周期共計48天，在第37天開挖，計3天。得到48天的鹽水和泄壓孔監測數據。此次監測歷時116天，得到了從凍結到自然解凍過程中的溫度及位移變化數據。由于第2組分層沉降孔損壞，故沒有得到數據。對上述數據做出如下分析總結。

4.1 去回路鹽水監測分析

鹽水溫度變化大致分為三個階段：第一階段，鹽水溫度快速下降階段，平均降溫速度為3.2℃/d，大致持續6天。第二階段，鹽水溫度緩慢下降階段，期間共降溫3℃，大致持續12天。第三階段，鹽水溫度穩定階段，鹽水去路穩定在-30℃，大致持續31天。如圖3所示。

圖3 鹽水溫度隨時間變化Fig.3 Variation of temperature of salty water with time

4.2 泄壓孔壓力變化

泄壓孔壓力在0.05 MPa以下時當0處理，監測發現在第25天壓力超過0.05 MPa，大小為0.08 Mpa，且維持了11天，在第36天時泄壓（圖4）。據此可以得到在23-25天左右，凍結已交圈，凍結帷幕基本形成。

圖4 泄壓孔壓力隨時間變化Fig.4 Pressure variation of pressure relief hole with time

4.3 土體溫度監測分析

（1）土體溫度隨時間變化規律

實際監測得到土體溫度變化主要分為三類：凍結壁土體溫度、受凍結影響的凍結壁外土體溫度、不受凍結影響的土體溫度。

凍結壁土體溫度隨時間變化主要分為6個階段：快速降溫階段，由于土體溫度與凍結管溫度差較大，最大降溫速度達到5℃/d，持續到溫度降至0℃左右；緩慢降溫階段，由于水潛熱影響，導致土體降溫速度較慢，從0℃降至-5℃左右；快速降溫階段，此階段土體溫度與凍結管溫差小于第一階段，故此階段降溫速度相比第一階段速度慢，此階段溫度降至設計溫度左右。維護凍結階段，溫度達到設計要求后進行開挖，開挖過程中溫度略有上升，但上升幅度不大。在開挖完成后，由于繼續凍結，此時溫度又有所下降，一直到關機為止；快速升溫階段，由于凍結站關閉，土體溫度快速回升，達到-5℃左右；緩慢升溫階段，此階段升溫較為緩慢，主要是由于土中冰進入相變階段，需要吸收大量的熱。

受凍結影響的凍結壁外土體溫度，分為兩類，一種是距離較近的，另一種是距離較遠的。較近的隨時間主要分為2個階段，快速降溫階段，由于地層溫度高，鹽水溫度低，使溫度快速下降；之后溫度緩慢下降，距離原因導致溫度未降到零下，直到100多天后，溫度開始緩慢回升。距離較遠的，土體溫度隨時間主要分為3個階段，在凍結壁交圈以前溫度緩慢下降，交圈后溫度才開始快速下降，由于過程中土體溫度一直在零上，所以在凍結壁內溫度升溫時，外面溫度仍在緩慢下降，一直到凍結壁緩慢升溫時溫度才停止下降；故距離凍結管2.4m外的土體受凍結影響較小。

不受凍結影響的土體溫度不隨時間變化，本次監測到的是距離凍結管8m，距離地表2.5m，溫度一直維持在15℃（圖5）。

圖5 2號孔土體溫度隨時間變化Fig.5 Variation of soil temperature in No.2 hole with time

（2）土體溫度隨空間變化規律

根據以上分析可得，距離凍結壁距離的遠近，其溫度隨時間變化規律是不同的：靠近凍結管的溫度下降的越快，遠離凍結管的溫度下降慢；凍結壁內側降溫快于凍結壁外側（圖6）。溫度降至0℃，測點1-4用了10天，測點2-4用了4天，測點3-4用了24天，據此可以算出凍結壁發展速率分別為：75mm/d、200mm/d、41mm/d。

4.4 土體位移監測分析

（1）土體位移隨時間變化規律

土體位移分為兩類，一類是凍結管外部土體位移變化情況，另一類是凍結管內部土體位移情況。

凍結管外部土體位移主要分為6個階段：位移快速上升階段，由于凍脹作用使得土層產生向上的位移；土層位移下降階段，由于開挖導致位移臺階式下降，由于開挖時間短，且開挖階段有相應支護措施，故到開挖完成時位移變化不大；土層位移上升階段，開挖完成后由于凍結一直進行，所以位移緩慢上升；土層位移下降階段，第一次注漿，凍土溫度較高，且混凝土散熱，使得凍土融化，土層位移下降；土層位移上升階段，關機13天后，土層溫度降到0～5℃之間，此時混凝土的澆注使得地層位移上升；土層位移下降，一直到監測結束，由于未受到其他因素干擾，地層一直保持融沉下降。

圖6 第4號測點斷面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of section No.4

凍結管外部土體位移根據測點1-4可得，內部位移主要有兩個方向的變化趨勢：一是，冷鋒面向下移動，發生水分遷移，導致位移向下；二是，整體凍結壁有向上的位移，故有向上的趨勢；故形成內部測點位移先增大，后減小，再增大的變化規律（圖7）。

圖7 1號分層沉降孔位移隨時間變化Fig.7 Displacement of 1 layered settlement hole varies with time

（2）土體位移規律分析

根據1號孔位移可得，3號點位移大于1、2號，3號點最大凍脹量為56.95 mm，1、2號點最大凍脹量分別為37.95 mm和38.45 mm。據此作出此孔的分層位移圖（圖8），可得到2、3點間土層發生壓縮，主要是由于3號點溫度未形成負溫，故下部土體凍脹導致其隆起，上部土體水分遷移并在自重作用下，發生土層壓縮；1、2號點位移大致相同。故凍結壁上部1.6 m內土層發生壓縮，1.6 m外土體整體發生移動。

圖8 1號孔分層位移Fig.8 Stratified displacement of No.1 hole

根據3、4孔位移可得，1、2、3號點位移基本保持一致，可得到凍結壁側上方位移基本保持一致，土體發生整體移動；對于4、5號測點，4號測點位移大于5號測點位移，故可得凍結壁側部土層隆起（圖9）。故凍結壁外位移，主要是由凍結壁邊側土體隆起抬升上部土體導致。

圖9 3號孔分層位移Fig.9 Stratified displacement of No.3 hole

對于同一水平層位移，凍脹壁上部土體，中間位移最大，遠離凍結壁位移??；凍結壁邊壁側的土體，凍脹量近處大于遠處的，且融沉量也是如此。對最終地表位移的影響如圖10所示，中間位移大于遠處的位移。

圖10 地表位移Fig.10 Displacement of ground surface

5 結論

通過對聯絡通道凍結法施工的溫度及位移全過程監測與分析，主要得到如下結論：

（1）凍結法施工中，土層溫度變化趨勢主要分為三類：凍結壁土體溫度、受凍結影響的凍結壁外土體溫度、不受凍結影響的土體溫度。受凍結管溫度影響的范圍大致距離為2.4 m。

（2）土體位移分為兩類，一類是凍結管外部土體位移變化情況，另一類是凍結管內部土體位移情況。

（3）凍結壁正上方土體出現壓縮。側上方土體土層未發生變動，主要受到凍結壁兩側土體凍脹及融沉影響。本次可得到凍結管2.3 m內的區域，土體位移受影響。