平面斜交聯(lián)絡通道水平凍結(jié)及實測分析

馬 俊， 胡導云， 楊 平, *

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院， 江蘇 南京 210037； 2. 常州市軌道交通有限公司， 江蘇 常州 213022)

0 引言

隨著我國城市地下空間的大力開發(fā)，地鐵施工安全變得尤為重要。人工凍結(jié)加固技術(shù)相比其他工法具有諸多優(yōu)點，如止水密封性好、強度高、環(huán)境適應性好等，因此被視為地鐵施工中土層加固的較優(yōu)選擇，尤其是上海、杭州、南京等地下含水量較豐富的長三角城市[1-3]。

目前，關(guān)于人工凍結(jié)法已有詳細研究。國內(nèi)外專家采用現(xiàn)場實測[1,4-5]、數(shù)值模擬[6-8]和室內(nèi)試驗[9-11]等方法對人工凍結(jié)法凍結(jié)及解凍溫度場、土層位移、應力等物理力學特性進行了較為系統(tǒng)的研究。李大勇等[12]針對南京地鐵聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工過程中鹽水溫度、土體溫度及地表變形等進行監(jiān)測分析，獲得其變化規(guī)律，以此判斷最佳開挖時機。但現(xiàn)有研究均針對常規(guī)直交聯(lián)絡通道及盾構(gòu)始發(fā)與接收工程。

目前，工程中多以水平直墻圓拱型結(jié)構(gòu)的常規(guī)聯(lián)絡通道為主，但有時會遇到因施工不慎，導致聯(lián)絡通道預留鋼管片錯環(huán)，或因工程環(huán)境的需要，出現(xiàn)傾斜聯(lián)絡通道，而目前關(guān)于異型通道的研究尚鮮有報道。

樊文虎等[13]對出入口及風道矩形斷面加固工程進行方案比選，提出全斷面注漿+頂部管棚+矩形水平凍結(jié)加固方案，并進行土體溫度、地表及管線位移實測，獲得加固土體的溫度分布規(guī)律及地表位移規(guī)律。張軍等[14]對港珠澳大橋長距離曲線管幕凍結(jié)淺埋暗挖隧道工程的近20種方案進行比選，采用管幕間分段分區(qū)水平動態(tài)控制性凍結(jié)止水技術(shù)。首次建立了由常規(guī)、異形和限位凍結(jié)管構(gòu)成的“管幕凍結(jié)法”凍結(jié)體系。文獻[15]對南京地鐵10號線大直徑跨江盾構(gòu)隧道垂直凍結(jié)工程進行改造并現(xiàn)場實測，詳細分析隧道末端垂直凍土墻整個凍結(jié)期間溫度分布和地表變形情況。黃浩斌[16]以因特殊原因存在豎向高差的武漢某異型地鐵聯(lián)絡通道人工凍結(jié)法施工工程為背景，對其各影響因素及參數(shù)進行數(shù)值模擬分析，從而得到異型聯(lián)絡通道人工凍結(jié)法施工過程中各結(jié)構(gòu)的應力與位移發(fā)展規(guī)律。

綜上，盡管人工凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡通道、盾構(gòu)隧道端頭加固、地鐵事故修復及特殊工程等均有著廣泛應用，專家學者通過實測、室內(nèi)試驗研究、數(shù)值模擬等手段對人工凍結(jié)法加固機制、凍結(jié)及解凍溫度場變化規(guī)律、開挖應力場與位移場等進行了針對性的研究，形成了一套成熟的凍結(jié)理論。但在聯(lián)絡通道的研究中主要集中于常規(guī)聯(lián)絡通道，對異型聯(lián)絡通道的研究很少，為此有必要對異型聯(lián)絡通道進行研究。本文以常州地鐵1號線翠竹站—常州火車站區(qū)間隧道平面斜交聯(lián)絡通道工程為依托，給出其凍結(jié)加固方案，并通過對土體溫度、地表沉降進行現(xiàn)場實測分析，研究凍結(jié)溫度場、位移場的變化規(guī)律，以便為今后類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概述

常州地鐵1號線1期工程翠竹站—常州火車站區(qū)間隧道平面斜交聯(lián)絡通道工程，兩隧道中心間距12.277 m，隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝。隧道外徑為6.2 m、內(nèi)徑為5.5 m，隧道管片厚0.35 m、寬1.2 m。上行線隧道中心標高為-9.982 m，下行線隧道中心標高為-9.977 m，聯(lián)絡通道所處位置地面標高上行線約為+4.09 m(下行線為+4.91 m)。地面均為拆遷區(qū)，無重要建筑物及管線。但因施工原因，聯(lián)絡通道兩側(cè)安設的盾構(gòu)鋼管片中心距偏差2.35 m。

該區(qū)間范圍內(nèi)無不良地質(zhì)環(huán)境，地質(zhì)勘察報告顯示聯(lián)絡通道施工深度范圍內(nèi)的土層由上而下分別為： ⑤1粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑤2粉砂、⑥3黏土，地下水系發(fā)達，表現(xiàn)出自穩(wěn)能力差、易變形和坍塌的特征。

2 聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)、凍結(jié)加固及監(jiān)測方案

2.1 聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)方案

基于聯(lián)絡通道兩側(cè)按盾構(gòu)鋼管片中心距偏差已達2.35 m的情況，因此本通道必須設計成平面斜交聯(lián)絡通道。為緩解與隧道連接處受力狀態(tài)，與隧道連接的兩端部0.8 m為直交，其余部分轉(zhuǎn)為斜交，計算得聯(lián)絡通道傾斜部分水平傾角為31.2°，水平通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，通道初期支護(木背板+型鋼支架+噴射C25混凝土)厚0.15 m，二次襯砌為厚0.45 m的C35、P8模筑防水鋼筋混凝土，如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)平面圖(單位： mm)

2.2 凍結(jié)加固方案

由于盾構(gòu)隧道鋼管片中心距偏差較大，確定采用“水平人工凍結(jié)法+礦山法開挖”的平面斜交聯(lián)絡通道施工方案。

平面斜交聯(lián)絡通道布置采用從上、下行線隧道兩側(cè)打孔方式進行，凍結(jié)孔按上仰傾斜、水平、水平傾斜、下俯傾斜4種角度布置在通道的四周。共布置凍結(jié)孔79個，其中下行線54個(包括4個透孔)，上行線25個。因聯(lián)絡通道水平傾斜，所以大部分凍結(jié)管水平夾角為31.2°，只有少數(shù)加強凍結(jié)孔位于水平面上夾角0°處。考慮到平面斜交聯(lián)絡通道拐角處存在應力集中現(xiàn)象，故在聯(lián)絡通道頂部、底部及兩側(cè)均增設長度較短的加強凍結(jié)孔共23個。其中下行線聯(lián)絡通道頂部與底部均布置6個，為F1—F6和F7—F12，長度為3.5 m；副線聯(lián)絡通道左右兩側(cè)分別增設E排7個(E1—E7)與E排4個(E8—E11)加強凍結(jié)孔，長度均超過1.5 m，即深入土體長度均超過聯(lián)絡通道拐角處，凍結(jié)管布置如圖2所示。

設計最低鹽水溫度-28～-30 ℃，凍結(jié)壁設計平均溫度≤-10 ℃，有效厚度≥1.7 m，喇叭口處≥1.4 m，凍結(jié)壁與管片交界面平均溫度≤-5 ℃，積極凍結(jié)45 d。

(a) 下行線凍結(jié)孔及測溫孔立面圖(單位： mm)

(b) 上行線凍結(jié)孔及測溫孔立面圖(單位： mm)

(c) 頂部凍結(jié)孔及測溫孔俯視圖

(d) 底部凍結(jié)孔及測溫孔俯視圖

(e) 凍結(jié)孔及測溫孔剖面圖(單位： mm)

2.3 測溫孔及地表位移點布置

2.3.1 測溫孔布置

為掌握凍土帷幕溫度變化情況，研究凍土體溫度發(fā)展規(guī)律，在上、下行線平面斜交聯(lián)絡通道四周分別埋設11個測溫孔，其中下行線凍結(jié)站側(cè)4個測溫孔，從左往右依次為C1—C4，副線7個溫測溫孔分別為C5—C11。其中，C1—C4、C6—C9位于聯(lián)絡通道主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)，且每個測孔內(nèi)同等間距埋設4個溫度測點，由隧道管片外往土體內(nèi)部依次位于0.50、1.10、1.70、2.30 m深度處。C5位于聯(lián)絡通道拱頂位置，測孔內(nèi)同等間距埋設5個溫度測點，從隧道管片外往土體內(nèi)部依次位于0.50、1.35、2.20、3.05、3.90 m深度處；C10、C11位于聯(lián)絡通道底部位置，測孔內(nèi)同等間距埋設5個溫度測點，沿隧道管片往土體內(nèi)部依次位于0.50、1.38、2.25、3.13、4.00 m深度處。除C6和C8垂直于隧道管片外，其余測溫孔在水平面上的夾角與斜交聯(lián)絡通道軸線相同，為31.2°，各測溫孔位置如圖2所示。

2.3.2 地表位移點布置

在聯(lián)絡通道正上方布置5排沉降監(jiān)測點D2—D6，每排間距為3 m。D2、D3排測點編號為Di-1—Di-9及中間點Di共10個測點；D4、D5、D6排測點編號為Di-1—Di-8及中間點Di共9個測點。在聯(lián)絡通道上方區(qū)域測點間距為3 m，在聯(lián)絡通道區(qū)域外間距為5 m。地表沉降監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖3 地表沉降監(jiān)測點布置圖

3 凍結(jié)實測分析

3.1 干管鹽水溫度分析

為高效控制干管與各分支管路中鹽水溫度的變化，在鹽水干管去、回路上均布設測溫點，并在各分支管路上布設測溫點，共17個。干管溫度變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，鹽水干管測點溫度曲線可細分為以下4個階段： 1)迅速降溫期，在該階段內(nèi)迅速拉低鹽水干管溫度，10 d內(nèi)總?cè)ス苈窚囟扔?15 ℃降至-27 ℃，平均降溫速率達到1.2 ℃/d； 2)緩慢降溫期，在此14 d內(nèi)，鹽水干管溫度下調(diào)至設計要求-31 ℃，平均降溫速率約0.29 ℃/d； 3)溫度穩(wěn)定階段，鹽水干管溫度維持于-31 ℃左右； 4)維護凍結(jié)階段，為保證安全開挖，需維持干管鹽水溫度不回升。凍結(jié)降溫速率遠快于鹽水降溫計劃表(積極凍結(jié)7 d降至-18 ℃，15 d降至-24 ℃，開挖時降至-28 ℃以下)，積極凍結(jié)10 d已降至-27 ℃以下。各鹽水分支回路溫度變化曲線基本一致，且與鹽水干管溫度變化曲線基本保持同步，如圖5所示。

圖4 總?cè)ァ⒒佧}水溫度隨時間變化曲線圖

Fig. 4 Curves of total temperature of desalination and brine water with time

(a) 左分支回路

(b) 右分支回路

Fig. 5 Curves of brine water temperature with time in branch circuit

3.2 測溫孔溫度分析

3.2.1 凍結(jié)帷幕發(fā)展速率分析

根據(jù)實際測溫數(shù)據(jù)可知，原始地層溫度約為25 ℃。凍結(jié)期間，各測點溫度變化趨勢大致相同。凍結(jié)前期，地層溫度高，與鹽水溫差大，測點降溫速率較快，隨著土體溫度降低，鹽水與地層溫差逐漸縮小，土體降溫速率亦逐漸減小。為獲得同一界面上凍結(jié)壁溫度發(fā)展及分布規(guī)律，選取位于主線一側(cè)同一界面上的測溫孔C1—C4進行分析，如圖6所示，該測溫孔均平行凍結(jié)管布置。

(a) C1測溫孔溫度變化曲線

(b) C2測溫孔溫度變化曲線

(c) C3測溫孔溫度變化曲線

(d) C4測溫孔溫度變化曲線

Fig. 6 Temperature variation curves of measuring points C1 to C4

測溫孔C1—C4在0.5 m深度處測點溫度下降至0 ℃所需時間分別為9、10、10、7 d。C1—C4測溫孔與相鄰凍結(jié)管的間距依次為55、76、83、45 cm，由此推算可得，凍土帷幕發(fā)展至C1-1—C4-1的發(fā)展速率分別為61.1、76.0、83.0、62.3 mm/d。由此可見，凍土帷幕往內(nèi)側(cè)擴展速率是向外側(cè)擴展速率的1.3倍左右。這是由于凍結(jié)管冷量向外側(cè)擴散范圍較大，冷量損失嚴重，而凍結(jié)管向內(nèi)側(cè)擴散范圍局限于聯(lián)絡通道內(nèi)，冷量流失較小。

3.2.2 凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)溫度規(guī)律差異性分析

測點間距如圖7所示。由圖7可知，C3內(nèi)部測點與外部測點距凍結(jié)孔距離相同，但C4內(nèi)部測點距凍結(jié)孔間距比外部測點小，故出現(xiàn)降溫速率不一致的情形。C1—C4測溫孔溫度下降速率較快，在凍結(jié)5～15 d各測點溫度均已降至0 ℃以下，同時水相變期亦不明顯。這一方面是由于干管鹽水溫度下降較快，使得土體降溫速率加快；另一方面是由于大部分測點與凍結(jié)孔實際距離較近，溫度傳至測點較快。

圖7 測點間距(單位： mm)

當積極凍結(jié)結(jié)束，進入維護凍結(jié)階段，各測點溫度保持在一個固定溫度附近上下波動。由于開挖使得位于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的C2、C3測溫孔周圍凍結(jié)土體暴露于空氣中，開挖后有效凍結(jié)壁厚度減小，溫度陡然升高，隨著凍結(jié)的持續(xù)，溫度逐漸趨于穩(wěn)定。由于聯(lián)絡通道入口處與隧道直交，而中部與隧道平面斜交，以及測溫孔傾斜(見圖2(c))，使得同一測孔的不同測點與開挖邊線距離不一，導致測孔溫度規(guī)律不一。C3測孔內(nèi)部測點C3-4更接近于開挖邊線，而外部測點C3-1距開挖面較遠，導致其C3-4溫度回升較大，但C3-1溫度未回升。C2測孔剛好與其相反，C2測孔內(nèi)部測點C2-4距開挖邊線較遠，而外部測點C2-1距開挖面較近，造成開挖時測點C2-1溫度回升較大，而測點C2-4溫度未回升。這與平面直交聯(lián)絡通道的統(tǒng)一性有所區(qū)別。

3.2.3 不同降溫階段溫度變化

圖8示出C6—C9測溫孔溫度變化曲線。其中C7、C8位于聯(lián)絡通道開挖面內(nèi)，在凍結(jié)54 d時由于聯(lián)絡通道開挖，2個測點被挖出，后期無數(shù)據(jù)。各測溫孔溫度變化曲線大致可分為4個階段，如圖8(d)所示。1)快速降溫期： 此階段內(nèi)，土體初始溫度較高，低溫鹽水與其進行大量熱交換，使得該階段12 d內(nèi)平均降溫速率達2.08 ℃/d，各測點溫度下降速率較快。 2)水相變期： 該階段內(nèi)各測點溫度維持在0 ℃左右，在該階段的8 d內(nèi)，溫度基本維持不變。 3)繼續(xù)降溫期： 當各測點溫度降至0 ℃以下后再次快速下降，但其降溫速率比第1階段慢，該階段持續(xù)約25 d左右，在此期間凍結(jié)帷幕迅速發(fā)展擴大，逐漸達到設計厚度。 4)開挖維護凍結(jié)期： 各測點溫度基本趨于平緩，此時土體內(nèi)熱交換已達到平衡。當聯(lián)絡通道開挖時，由于部分測點靠近開挖面，甚至被挖出，溫度在短時間內(nèi)會大幅上升，但此為正常現(xiàn)象。

(a) C6測溫孔溫度變化曲線

(b) C7測溫孔溫度溫度變化曲線

(c) C8測溫孔溫度溫度變化曲線

(d) C9測溫孔溫度變化曲線

圖8C6—C9測溫孔溫度變化曲線

Fig. 8 Temperature variation curves of measuring points C6 to C9

不同測點各階段顯著程度不同，測點周圍加強凍結(jié)孔較多或與凍結(jié)管距離較小，則溫度下降較快，其水相變期較短，測點溫度較早進入穩(wěn)定階段。由圖8分析可知，C6、C8測溫孔附近設有一排加強凍結(jié)孔，且距離較近，因此降溫速率比C7、C9快，最終溫度較低，無論測溫孔位于凍結(jié)管內(nèi)側(cè)亦或是外側(cè)。由此可見加強凍結(jié)孔的存在對凍結(jié)起到積極推動的作用，使得土體降溫速率快，溫度低，凍土帷幕厚度大。

4 地表位移實測分析

4.1 不同斷面沉降分析

為掌握平面斜交聯(lián)絡通道水平凍結(jié)對地表凍脹融沉的影響，對地表變形進行監(jiān)測，對地表沉降位移自2017年9月18日鉆孔起進行監(jiān)測記錄，凍結(jié)起始日期為2017年10月18日，停止凍結(jié)日期為2017年12月24日，至2018年5月10日結(jié)束融沉注漿，然后繪制地表各斷面累計豎向位移曲線。圖9示出D4排各測點位移曲線。

圖9 D4排測點累計豎向位移曲線

由圖9可知，地表凍脹融沉變形可分為6個階段。1)鉆孔階段： 在該期間由于凍結(jié)孔施工，存在少量水土流失，導致地表有所沉降。2)地表緩慢隆起階段：該階段持續(xù)8 d左右，此時土體溫度雖快速下降，但尚未凍結(jié)成凍土，且由于鉆孔期間的影響地表甚至仍有所下沉，所以地表凍脹變形無顯著變化。 3)地表迅速隆起階段： 該階段持續(xù)約37 d左右，此時土體溫度降至0 ℃以下，凍結(jié)帷幕迅速擴展，土體產(chǎn)生的凍脹變形迅速傳至地表。 4)開挖階段： 由于開挖應力釋放導致地表略有沉降，但總體波動不大，趨于穩(wěn)定。此階段持續(xù)至開挖結(jié)束停止凍結(jié)后10 d，這是由于第95 d停止凍結(jié)后凍土體尚未立即融化，所以地表未發(fā)生明顯沉降，而因工后充填注漿導致地表上抬。 5)地表快速下沉階段： 在105～140 d，凍土體開始融化，體積減小，土體在自重作用下壓縮變形產(chǎn)生顯著下沉。 6)融沉跟蹤注漿階段： 為防止土體發(fā)生過大融沉變形造成不良影響，在此期間根據(jù)地表變形進行跟蹤注漿，因此導致地表變形反復波動。進行多次跟蹤注漿后，地表逐漸趨于穩(wěn)定。

總體上，地表變形規(guī)律與溫度變化規(guī)律相對應。溫度變化的前3個階段(溫度快速下降階段、水相變階段、溫度繼續(xù)下降階段)凍結(jié)帷幕迅速向外擴展，凍結(jié)壁厚度快速增大，導致地表快速隆起，這與地表凍脹變形第2、3階段相對應。溫度變化的第4階段至開挖結(jié)束，溫度變化不大，這與地表凍脹變形第4階段的結(jié)果相對應。

4.2 各斷面最大沉降分析

圖10示出各斷面最大累計豎向位移。由圖10可知，開機凍結(jié)后，凍結(jié)壁因凍結(jié)體積增大而向外膨脹變形，使得地表發(fā)生不均勻上抬，這與土體因凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹變形相符。在整個凍結(jié)期間，由土體凍脹引起的地表變形不大，最大變形量為D4-5點的10.94 mm。該點位于聯(lián)絡通道正上方，這是由于聯(lián)絡通道中間應力無處釋放導致。隨著距聯(lián)絡通道水平距離增大，其產(chǎn)生的位移減小，且D4-5地表隆起值最大，向兩側(cè)逐漸減小。D2、D3、D4、D5排地表隆起最大值分別為測點D2-6、D3、D4-5、D5-5、D6-4，如圖11所示，由此推測平面斜交聯(lián)絡通道地表隆起最大值分布線也是斜交，其斜交角度約為36.2°，與聯(lián)絡通道相近。由此推斷，斜交聯(lián)絡通道地表隆起最大值分布線與凍結(jié)孔一致。且由圖10可知，主線聯(lián)絡通道上方地表隆起值比副線聯(lián)絡通道上方地表隆起值大，這是由于主線處拱頂與拱底均為3排凍結(jié)孔，相比副線均多1排凍結(jié)孔。

正值為隆起，負值為沉降。

圖10各斷面最大累計豎向位移曲線

Fig. 10 Maximum cumulative vertical displacement curve of each cross-section

圖11 75 d各測點豎向累計位移值(單位： mm)

Fig. 11 Vertical cumulative displacement of each measuring point in 75 days (unit： mm)

5 結(jié)論與建議

1)斜交聯(lián)絡通道采用Z型直墻圓拱結(jié)構(gòu)形式，凍結(jié)采用平行于軸線的通長凍結(jié)孔加水平加強孔的凍結(jié)孔布置方案，本工程實踐驗證了其合理有效性。

2)凍結(jié)期間，各測點溫度變化趨勢大致相同。由于向外側(cè)擴散時冷量損失較大，而向內(nèi)側(cè)擴散冷量流失較小，導致凍土帷幕往內(nèi)側(cè)擴展速率相比于向外側(cè)擴展速率更快，大約為1.3倍。

3)由于平面斜交聯(lián)絡通道凍結(jié)管與測溫孔傾斜，導致部分測溫孔內(nèi)部測點至凍結(jié)管的距離比外部測點小，并非隧道內(nèi)直觀所見間距，使得同一界面處測溫孔內(nèi)部與外部測點溫度降至0 ℃的先后次序不一致。這與常規(guī)直交聯(lián)絡通道有所不同。

4)由于聯(lián)絡通道入口處與隧道直交但中部與隧道平面斜交，以及測溫孔傾斜，使得同一測孔的不同測點與開挖邊線距離不一。部分測溫孔內(nèi)部測點更接近于開挖邊線，而部分測溫孔剛好相反，使得開挖時溫度回升測點分別為土體深處測點和界面處測點。這與常規(guī)直交聯(lián)絡通道的統(tǒng)一性區(qū)別。

5)加強凍結(jié)孔的存在對凍結(jié)起到積極推動作用，致使土體降溫速率快，溫度低，凍土帷幕厚度大。

6)斜交聯(lián)絡通道地表隆起最大值分布線亦傾斜，其傾斜角度約為36.2°，與聯(lián)絡通道傾斜角度幾近相同。

7)因設計測溫孔數(shù)量限制及施工過程中測溫孔位置的偏差，本分析結(jié)果有限。今后可在凍結(jié)孔至凍結(jié)壁交界面處的內(nèi)外兩側(cè)均布置2～3個測溫孔，以分析斜交聯(lián)絡通道平行凍結(jié)孔及垂直隧道土體溫度分布及發(fā)展規(guī)律。