第三系富水粉細(xì)砂巖地層基坑凍結(jié)加固研究

向 亮,尹隴娟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

隨著我國城市化的快速推進(jìn)，城市擁堵問題日益嚴(yán)峻。城市軌道技術(shù)具有運(yùn)量大，速度快的優(yōu)點(diǎn)，對于解決擁堵問題和提升公共交通服務(wù)水平有著重要的意義[1-2]。多數(shù)地鐵隧道需穿越城市中心地區(qū)、建筑物密集區(qū)，有的也位于江河下方，或穿越軟土、富水砂層等特殊地層。在復(fù)雜地層條件下，城市軌道技術(shù)中的地鐵車站開挖常采用人工凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行止水加固，對人工凍結(jié)施工時產(chǎn)生的溫度場的變化以及凍脹對周邊構(gòu)筑物、管線的影響仍需進(jìn)一步研究[3]。

人工凍結(jié)法施工占用地面面積小，容易將凍結(jié)和開挖引起的地表沉降控制在規(guī)范要求之內(nèi)，具有對周圍環(huán)境影響小，不影響交通的優(yōu)點(diǎn)[4]。凍結(jié)法早期運(yùn)用于礦井工程，近些年隨著城市地下空間的擴(kuò)展，采用凍結(jié)施工的防水、支護(hù)等功能越來越多的運(yùn)用于城市地鐵、基坑、隧道、人防等工程中[5]。從70年代開始，國內(nèi)學(xué)者對人工凍結(jié)法進(jìn)行了大量研究，陸續(xù)將人工凍結(jié)法運(yùn)用于地鐵隧道工程[6-10]。陳湘生等對人工凍土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析[11-12]；胡向東等對多種情況下人工凍結(jié)施工中溫度場與凍結(jié)帷幕進(jìn)行了研究[13-14]；何川、晏啟祥等進(jìn)行了復(fù)雜工況下凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道的力學(xué)研究，考慮了地層凍結(jié)的水、熱、力三場耦合優(yōu)化凍結(jié)法設(shè)計[15]；蔡海兵等開展了凍結(jié)施工對地層與地表的融沉影響模型試驗(yàn)研究[16-18]，盧亦焱[19]對港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道管幕凍結(jié)過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，分析了凍結(jié)管布置圈整體溫度場及凍結(jié)帷幕厚度隨時間的變化規(guī)律；孫冠東[20]分析了人工凍結(jié)在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展，提出凍結(jié)帷幕厚度的確定及凍脹融沉給工程帶來的影響是二者共同的核心問題。

蘭州地鐵1號線是國內(nèi)首次在第三系富水粉細(xì)砂巖地層中修建地鐵暗挖工程，也是首次在蘭州第三系富水粉細(xì)砂巖地層進(jìn)行凍結(jié)施工。以蘭州市地鐵1號線省政府車站基坑開挖為例，通過參數(shù)分析、監(jiān)控數(shù)據(jù)、關(guān)鍵施工技術(shù)研究等方面，介紹凍結(jié)法在車站基坑工程中的應(yīng)用，并對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，希望能對類似工程提供一定借鑒。

1 工程概況

省政府車站段為蘭州地鐵1號線的控制工程，全長為170.75 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.9 m，結(jié)構(gòu)底部埋深30 m。車站位于城關(guān)區(qū)張掖路與酒泉路十字東南象限地塊內(nèi)，周邊建筑物密度大，建筑物級別高：車站北側(cè)為甘肅省人民政府，西側(cè)為農(nóng)業(yè)銀行辦公樓，東側(cè)中環(huán)廣場高層建筑距車站最近為7.9 m，車站穿越中央商務(wù)區(qū)(已拆除)與農(nóng)業(yè)銀行裙樓且其周邊存在電纜槽、污水管道等管線。

車站基坑分為兩個部分：省政府端基坑長70.84 m，基坑寬度23.5 m，采用連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)，中央商務(wù)區(qū)端基坑與中央商務(wù)區(qū)結(jié)合，長99.91 m，車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.1 m，車站大里程擴(kuò)大端基坑寬度26.6 m，采用連續(xù)墻+鋼管內(nèi)支撐系統(tǒng)支護(hù)，兩個基坑間采用咬合樁分隔。

特殊地質(zhì)為第三系富水粉細(xì)砂巖，其成巖作用差，但原巖一般含水率不高，在4%～6%，結(jié)構(gòu)緊密，直立性較好。當(dāng)?shù)叵滤噬邥r，此類砂巖經(jīng)開挖擾動、受水浸潤或浸泡后，圍巖軟化現(xiàn)象明顯，尤其是在地下水富集地段，將會出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象。施工擾動后多呈粉細(xì)砂狀，軟化，地表變形現(xiàn)象很嚴(yán)重，對于車站、聯(lián)絡(luò)通道、周邊建筑物及管線安全性有很大隱患，所以基坑的防水處理是重大難題。

2 人工凍結(jié)設(shè)計

面對富水第三系粉細(xì)砂巖特殊地層深大基坑，基坑內(nèi)出現(xiàn)漏水，并導(dǎo)致大面積流沙現(xiàn)象(圖1)。若不在基坑開挖中做好防水措施，第三系粉細(xì)砂巖將會迅速失去強(qiáng)度，輕則形成孔洞導(dǎo)致基坑涌水涌砂，嚴(yán)重時基坑四周建筑會產(chǎn)生不均勻沉降，甚至基坑倒塌。由于之前在其他區(qū)段施工中使用的一般降水和防水方法的效果都不夠理想，而相鄰區(qū)段的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工都相繼取得了初步成功，因此，最終決定在咬合樁周邊進(jìn)行局部人工凍結(jié)，以達(dá)到加固止水的目的。

圖1 基坑內(nèi)砂巖軟化現(xiàn)象

本工程局部人工凍結(jié)加固的方式是，采用人工制冷方法對基坑地下連續(xù)墻與咬合樁間的土層降溫凍結(jié)，形成一個封閉的凍土帷幕結(jié)構(gòu)，由于凍土帷幕的存在隔絕了側(cè)向地下水影響，后續(xù)的基坑開挖構(gòu)筑難度也隨之降低。基坑支護(hù)與凍結(jié)加固方案如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)與凍結(jié)加固方案

2.1 凍結(jié)法適用性分析

2.1.1 單管凍結(jié)溫度場

為研究凍結(jié)法施工在第三系富水粉細(xì)砂巖中的適用性，可從該地層單管凍結(jié)效果入手。由于凍結(jié)管的半徑遠(yuǎn)小于其長度，可將其作為平面內(nèi)冷源的熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行研究。在計算分析之前先做如下假設(shè)。

(1)凍結(jié)管的溫度輻射僅發(fā)生在垂直于軸線方向。

(2)平面內(nèi)某點(diǎn)的溫度不僅與其坐標(biāo)位置有關(guān)，也與凍結(jié)時間相關(guān)。

(3)待凍土體均質(zhì)連續(xù)，且具有同一初始凍結(jié)溫度。

(4)無窮遠(yuǎn)處的溫度為地層初始溫度。

(5)不計相變發(fā)生的時間，當(dāng)某點(diǎn)達(dá)到凍結(jié)溫度時，即可認(rèn)為該位置土體已經(jīng)凍結(jié)。

因此，平面內(nèi)某一點(diǎn)的溫度可以用函數(shù)T(r，t)表示，其中r為任意點(diǎn)與熱源之間的距離；t為時間。

如圖3所示，以凍結(jié)管位置為中心，由內(nèi)到外將平面分為凍結(jié)區(qū)Ⅰ與未凍區(qū)Ⅱ兩部分。

圖3 單管凍結(jié)計算模型

由于凍土與未凍土的熱物理參數(shù)不同，因此熱傳導(dǎo)方程分開表示

(1)

(2)

式中，T1、T2分別為凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)溫度，℃；t為凍結(jié)時間，s；a1、a2為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s，a=λ/c；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·s·℃)；c為體積比熱，kJ/(m3·℃)；r為任意點(diǎn)距離凍結(jié)管中心的距離，m；r0為凍結(jié)管半徑，m；R為凍結(jié)鋒面半徑，m。

凍結(jié)管外表面的熱交換可表示為

(3)

式中，Q為凍結(jié)管外表面吸收的熱量，kJ/(m·s)。

由假設(shè)條件，凍結(jié)開始之前地層溫度恒定(以T0表示)，無窮遠(yuǎn)處的土體溫度依然為初始溫度T0

T(r，0)=T0

(4)

T2(∞，t)=T0

(5)

凍結(jié)區(qū)的半徑R是隨時間變化，其邊界溫度為凍結(jié)溫度Td

T1(R，t)=T2(R，t)=Td

(6)

凍結(jié)鋒面兩側(cè)始終存在如下熱力關(guān)系

(7)

式中，Ψ為單位體積巖土的結(jié)冰潛熱，W/m3。

為簡化計算，可忽略凍結(jié)管半徑r0的影響，可將凍結(jié)管作為點(diǎn)熱源研究。式(7)可轉(zhuǎn)化為

(8)

參考文獻(xiàn)[21-22]，引入新變量

(9)

將式(9)代入式(1)和式(2)可得

(10)

(11)

式中，β為兩函數(shù)自變量的邊界值，代表凍結(jié)鋒面。

式(10)和式(11)的通解為

T1=A+BEi(u1)

(12)

T2=C+DEi(u2)

(13)

將式(6)和式(8)代入式(12)可得A，B；將式(4)和式(6)代入式(13)可得C，D。經(jīng)整理，單管凍結(jié)下的土體溫度分布如下

(0

(14)

(15)

式中，除β外各參數(shù)均為已知值，將式(7)代入式(12)和式(13)可得關(guān)于β的超越方程

(16)

將式(9)代入式(12)和式(13)可得完整的單管凍結(jié)模型溫度表達(dá)式

(r0

(17)

(18)

(19)

由于式(19)中的超越方程無法直接寫出其解析解β，因此只能在給定參數(shù)的情況下解得瞬態(tài)溫度場的數(shù)值解。

2.1.2 粉細(xì)砂巖地層單管凍結(jié)條件下溫度場研究

凍結(jié)管半徑r0取0.127 m，凍結(jié)管中心溫度tp取-28 ℃，凍結(jié)管外表面吸收的熱量Q取17 798.4 kJ/(m·d)，地層初始溫度T0取17.4 ℃，凍結(jié)溫度Td取0 ℃，凍結(jié)粉細(xì)砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)λ1取221.46kJ/(m·d·℃)，未凍結(jié)粉細(xì)砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)λ2取212.54 kJ/(m·d·℃)，凍結(jié)粉細(xì)砂巖體積比熱c1取2 121.4 kJ/(m·d·℃)，未凍結(jié)粉細(xì)砂巖體積比熱c2取2275.5kJ/(m·d·℃)，單位體積粉細(xì)砂巖的結(jié)冰潛熱Ψ取1.184×105kJ/m3。由此可得，凍結(jié)粉細(xì)砂巖的導(dǎo)溫系數(shù)a1為10.44×10-2m2/d，凍結(jié)粉細(xì)砂巖的導(dǎo)溫系數(shù)a2為9.34×10-2m2/d。

圖4 單管凍結(jié)瞬態(tài)溫度場的凍結(jié)鋒面半徑變化曲線

圖5 FLAC3D計算效果

由圖4可以看出。

(1)根據(jù)設(shè)計的凍結(jié)施工參數(shù)，在蘭州富水粉細(xì)砂巖地層中的單管凍結(jié)40d形成的凍結(jié)壁厚度約為1.2 m，且在該時間點(diǎn)上理論解析計算與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

(2)通過瞬態(tài)溫度計算公式得出的凍結(jié)鋒面與數(shù)值模擬結(jié)果在20～60d的時間范圍內(nèi)吻合性較好，盾構(gòu)隧道相關(guān)凍結(jié)施工的積極凍結(jié)期一般也在此范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為在實(shí)際工程中瞬態(tài)場解析解和數(shù)值模擬計算的指導(dǎo)效果相當(dāng)。

(3)理論上來說，隨著時間的增加，凍結(jié)鋒面半徑會不斷增大，但是增長的速率會逐漸降低，最終凍結(jié)鋒面半徑會穩(wěn)定在一個特定值。這是由于平面點(diǎn)冷源引起的熱流沿徑向流動，熱傳熱介質(zhì)中熱阻使流路徑上的傳熱量逐漸減小，反映在宏觀上即隨著距冷源點(diǎn)距離的增加溫度梯度逐漸減小。

該理論計算公式計算所得結(jié)果與已有文獻(xiàn)[21-22]中單管凍結(jié)壁厚度對比如圖6所示。

圖6 單管凍結(jié)壁厚度對比曲線

可以發(fā)現(xiàn)，盡管存在著地層上的差異性，但總體來說，第三系粉細(xì)砂巖地層的單管凍結(jié)半徑較大，凍結(jié)效果顯著，即該地層對凍結(jié)法適用性較好。

2.2 凍土承壓計算

第三系粉細(xì)砂巖經(jīng)凍結(jié)后強(qiáng)度會發(fā)生改變，強(qiáng)度的大小與溫度、含水率等因素有關(guān)。第三系粉細(xì)砂巖的基本參數(shù)如表1所示。

表1 第三系粉細(xì)砂巖的基本參數(shù)

通過現(xiàn)場原位測試得不同溫度及含水率下凍土強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同溫度及含水率下第三系粉細(xì)砂巖凍結(jié)強(qiáng)度 MPa

本工程凍結(jié)帷幕功能僅是止水，只需強(qiáng)度高于水土壓力防止地下水在靜水壓作用下滲入基坑，無特殊的抗壓要求。地層水土壓力偏安全考慮，按水位高程為地面高程進(jìn)行計算，計算基坑加固底邊緣水壓力

P=0.010H=0.39 MPa

式中，H為上部土體計算厚度，m。

取最不利土層，即第三系粉細(xì)砂巖，最不利含水率4%，最高凍結(jié)溫度0 ℃，以及最大地層水土壓力0.39 MPa，其驗(yàn)算結(jié)果仍滿足承壓要求。且富水砂巖含水率與設(shè)計凍結(jié)溫度遠(yuǎn)優(yōu)于此值，所以地層最不利水土壓力遠(yuǎn)低于單軸凍土的抵抗壓力。

2.3 凍結(jié)設(shè)計參數(shù)的確定

中央商務(wù)區(qū)既有圍護(hù)樁深度19 m左右，省政府站地連墻施工深度39 m，為安全起見取設(shè)計凍結(jié)深度39 m。凍結(jié)壁平均溫度應(yīng)根據(jù)凍結(jié)的深度、承載能力，以及后期融沉對環(huán)境造成的影響綜合確定。一般來說，淺層凍結(jié)工程可按照表3選取凍結(jié)平均溫度[24]。

表3 凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計參考值[24]

依照表3，凍土帷幕平均溫度T≤-10 ℃，取凍土帷幕平均溫度為-10 ℃。

對于凍結(jié)壁厚度的確定，按照不同的計算深度需選取具體的理論進(jìn)行計算(表4)，由于設(shè)計最大埋深為39 m，最終根據(jù)拉麥公式進(jìn)行確定。

設(shè)凍結(jié)壁為無限長彈性厚壁圓筒，凍結(jié)壁厚E的計算公式為

(20)

式中，a為凍結(jié)壁等效開挖半徑，取2 m；P0為計算深度的地壓，一般按P0=0.013γwH，H為計算深度，m；γw為水的容重，q為凍土設(shè)計強(qiáng)度，取3.417 MPa。

表4 凍結(jié)壁厚計算方法

凍結(jié)壁設(shè)計平均溫度-10 ℃的凍土瞬時抗壓強(qiáng)度為3.417 MPa，安全系數(shù)取2。按式(20)求得凍結(jié)壁厚度約為1.3 m。

本工程采用雙層管凍結(jié)，故整體凍結(jié)壁厚度D按下式計算

D=D0+L

(21)

式中，D為整體凍結(jié)壁厚度；D0為單管凍結(jié)壁厚度；L為兩排凍結(jié)管間距，取1.2 m。所以整體凍結(jié)壁厚度為2.5 m。

2.4 凍結(jié)孔及測溫孔布置

凍結(jié)孔總共37個，孔間距1 000～1 200 mm，單孔深度39 m，累計凍結(jié)孔長度1 443 m。凍結(jié)孔距離圍護(hù)樁邊緣500 mm。布置測溫孔2個，深度與凍結(jié)管相同，分別監(jiān)測凍結(jié)孔凍結(jié)壁厚度，監(jiān)測有無流動水存在，進(jìn)而確定開挖條件，布置形式如圖7所示。積極凍結(jié)期間，確保基坑周邊降水不會對冷凍范圍內(nèi)形成擾動，最好在凍結(jié)交圈后且凍結(jié)壁達(dá)到一定厚度以后再進(jìn)行微弱適量降水。

圖7 凍結(jié)孔與測溫孔的布置(單位：mm)

3 施工監(jiān)測

3.1 溫度監(jiān)測

以5 m為間隔，提取測溫孔監(jiān)測得出的溫度數(shù)據(jù)，并分別根據(jù)其隨時間的變化情況繪制測點(diǎn)溫度隨時間的變化規(guī)律曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 測溫孔A溫度-時間曲線

圖8和圖9表明，隨著凍結(jié)時間的增加，不同深度的土體的溫度變化大抵相同；當(dāng)凍結(jié)溫度在0 ℃以上時，凍結(jié)速度較快，基本呈線性分布；當(dāng)凍結(jié)溫度降到0 ℃以下，土體中水分結(jié)冰，可自由流動的水含量變少，且水的導(dǎo)熱性明顯優(yōu)于冰，導(dǎo)致凍結(jié)溫度的速率隨著水分不斷減少而減慢，同時隨著時間的增長，溫度不斷降低，從而形成堅實(shí)的凍結(jié)帷幕，起到堵水的效果，最終凍結(jié)帷幕溫度最低可達(dá)到-12 ℃以下；當(dāng)測溫孔溫度達(dá)到0 ℃即可認(rèn)為凍結(jié)壁交圈，由圖8、圖9可知，A孔附近凍結(jié)壁交圈時間為55 d左右，B孔為37 d。

繼續(xù)以深度為橫坐標(biāo)，可繪制不同時間點(diǎn)的地層豎向溫度變化規(guī)律，如圖10、圖11所示。

圖9 測溫孔B溫度-時間曲線

圖10 測溫孔A溫度-深度曲線

如圖10、圖11所示，凍結(jié)帷幕的最低溫度出現(xiàn)在凍結(jié)管埋深中段，最低溫度在-10 ℃以下。當(dāng)凍結(jié)深度小于10 m時，溫度隨著凍結(jié)深度下降，前5 m下降明顯；距離地表近的地層與空氣熱交換作用強(qiáng)，熱量散失快，而隨著埋深的增加上覆土層與空氣熱交換活躍程度減少，上覆土層的保溫效果越來越顯著。當(dāng)埋深超過10 m后，可認(rèn)為土層的保溫效果充分發(fā)揮，完全不與大氣接觸基本不造成熱量散失，凍結(jié)效果穩(wěn)定。隨著埋深繼續(xù)增加，由于凍結(jié)管中鹽水的熱量隨著熱交換而不斷提高，到了35 m之后凍結(jié)效果下降明顯，導(dǎo)致凍結(jié)溫度升高。隨著凍結(jié)時間的均勻增加，每5 d的溫度-深度曲線間距減小，可得隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)溫度的降低越困難，且不同時間段各深度的土體(各條曲線)的溫差基本一致。由此可知，凍結(jié)管所形成的凍結(jié)效果是均勻的，即溫度場變化發(fā)展速度是均勻的，凍結(jié)效果與凍結(jié)帷幕的發(fā)展效果良好。

3.2 沉降監(jiān)測

考慮到本工程所處的特殊地層，地面沉降變化報警值以±20 mm作為累計報警值，±3 mm作為日變量報警值。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖12所示。

注：JZ—建筑物；SW—水位線；DB—地表監(jiān)測；WS—污水管線；YH—咬合樁。圖12 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2.1 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖13和圖14可以看出，省政府側(cè)地表與污水管線沉降變形均在10 mm以內(nèi)，滿足20 mm以內(nèi)的要求。地表1處沉降監(jiān)測點(diǎn)位于凍結(jié)區(qū)以外地表，距離凍結(jié)區(qū)距離適中。距離凍結(jié)區(qū)遠(yuǎn)的地表2、污水管線1兩個沉降監(jiān)測點(diǎn)的沉降變化不大，受凍結(jié)施工與基坑開挖的影響小。從監(jiān)測第48 d開始進(jìn)行凍結(jié)作業(yè)，隨著凍結(jié)作業(yè)的進(jìn)行在監(jiān)測的第50 d后，污水管線1處發(fā)生了幅度較大且速度快的沉降變形。這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)區(qū)進(jìn)行凍結(jié)時，凍結(jié)壁開始發(fā)展，土壤中的水分逐漸轉(zhuǎn)化為冰體而減少，此時周圍土體中的水分將不斷向凍結(jié)區(qū)域中的凍結(jié)壁上遷移來補(bǔ)充水位，導(dǎo)致污水管線1處沉降監(jiān)測點(diǎn)處土體水位下降進(jìn)而產(chǎn)生沉降變形。當(dāng)監(jiān)測天數(shù)達(dá)到120 d時積極凍結(jié)已經(jīng)完成，開始進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段，凍結(jié)壁已經(jīng)不再發(fā)展，所以地下水位也同時進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，污水管線1處沉降監(jiān)測點(diǎn)的沉降變形也趨于穩(wěn)定。地表沉降3、4處沉降監(jiān)測點(diǎn)距離凍結(jié)區(qū)距離近，污水管線2處沉降檢測點(diǎn)位于凍結(jié)區(qū)域內(nèi)。在基坑凍結(jié)施工前，基坑與凍結(jié)區(qū)進(jìn)行的降水導(dǎo)致這3個監(jiān)測點(diǎn)隨著地下水位下降發(fā)生了沉降變形。當(dāng)監(jiān)測到第48 d及積極凍結(jié)作業(yè)開始時，地層中水分逐漸被凍結(jié)成冰，地層土體發(fā)生凍脹，這3處土體監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生了隆起變形。監(jiān)測到第120 d后，積極凍結(jié)完成進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)與基坑開挖階段，省政府側(cè)3處監(jiān)測點(diǎn)受基坑開挖的影響，根據(jù)距離基坑的遠(yuǎn)近不同產(chǎn)生了相應(yīng)的沉降。

圖13 中央商務(wù)區(qū)側(cè)地表沉降曲線

圖14 省政府側(cè)地表沉降曲線

3.2.2 建筑物以及咬合樁沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖15和圖16分別為兩側(cè)建筑物與咬合樁的沉降監(jiān)測結(jié)果。可以看出，各建筑物與咬合樁沉降監(jiān)測點(diǎn)的變形量均小于10 mm。距離凍結(jié)區(qū)遠(yuǎn)的建筑物1、4沉降監(jiān)測點(diǎn)，受到凍結(jié)作業(yè)與基坑開挖施工的影響十分小，所以其沉降基本不變。而建筑物2、3沉降監(jiān)測點(diǎn)，距離凍結(jié)區(qū)距離適中，在監(jiān)測第48 d后即積極凍結(jié)施工開始時，凍結(jié)區(qū)凍結(jié)壁發(fā)展，凍結(jié)區(qū)域內(nèi)土體中水分結(jié)冰導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)水位下降，未凍結(jié)區(qū)土體(即建筑物2、3沉降監(jiān)測點(diǎn))中水分開始不斷地向凍結(jié)壁上遷移并補(bǔ)充地下水位，造成其逐漸產(chǎn)生較大沉降，隨著監(jiān)測進(jìn)行到120 d，積極凍結(jié)結(jié)束伴隨著維護(hù)凍結(jié)與基坑開挖施工的開始，此時兩處建筑物將受其影響繼續(xù)產(chǎn)生沉降直到結(jié)束。咬合樁1、2號沉降監(jiān)測點(diǎn)處有較明顯的抬升，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)時此處位于凍結(jié)區(qū)域以內(nèi)，積極凍結(jié)階段地層土體的凍脹使得樁基有一定的上抬，在基坑的開挖進(jìn)行中，隨著基坑中土體的減少而下沉直至穩(wěn)定。

圖15 中央商務(wù)區(qū)側(cè)建筑物地表沉降曲線

圖16 省政府側(cè)建筑物地表沉降曲線

3.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：地表沉降，污水管線沉降，樁頂豎向沉降，建筑物沉降和樁體側(cè)向位移的最大日變量和累計最大變化量都符合變化量要求，隆起沉降得到了控制。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)整理如表5、表6所示。

表5 省政府站監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

表6 中心商務(wù)區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

4 結(jié)論

通過對第三系粉細(xì)砂巖深大基坑咬合樁局部凍結(jié)加固設(shè)計與監(jiān)測結(jié)果分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)提出了單管凍結(jié)溫度場計算公式，并對第三系粉細(xì)砂巖地層進(jìn)行了適用性分析，結(jié)果證明，單管凍結(jié)壁較大，凍結(jié)法適用性較好。

(2)根據(jù)第三系粉細(xì)砂巖的工程特性，采用整體凍結(jié)+局部差異凍結(jié)，確定了適用于該特殊軟弱地層的凍結(jié)方案，并分析了凍結(jié)參數(shù)取值。

(3)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，凍結(jié)區(qū)域溫度的降低速率與地層水分含量相關(guān)，并隨時間呈現(xiàn)逐步減慢的趨勢，55 d左右凍結(jié)帷幕基本形成，此時基本達(dá)到開挖條件，凍結(jié)帷幕形成和發(fā)展過程較為穩(wěn)定。

(4)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，省政府側(cè)地表沉降變形最大為6 mm，污水管線沉降最大為10 mm，滿足20 mm以內(nèi)的要求，且凍脹引起的地表隆起現(xiàn)象不明顯；局部凍結(jié)施工有效降低了周邊地下水位，且開挖過程中地層水位穩(wěn)定，未再出現(xiàn)嚴(yán)重涌水、涌砂事故。