基于凍結法的復合圍護墻溫度及受力變形特征分析

諸 穎

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

0 引言

地下空間開發過程中涌現出大量新建基坑鄰近既有隧道的近接工程[1-2]。國內已經有大量的類似工程實例，姚燕明[3]以明珠二期張楊路車站緊靠已運營的地鐵二號線基坑開挖為例，采取高壓旋噴樁對地基進行加固，有效的調整了結構的整體受力；田帥[4]以某上跨地鐵隧道深基坑開挖工程為例，采用三維數值模擬計算和施工監測數據分析的方法，對基底加固+ 抽條施工的基坑開挖方案進行評估，確保地鐵區間隧道的正常運營。

人工凍結法具有加固土體和防水密封的雙重效果，已被廣泛應用于軟土地基地鐵交叉口和連通道項目施工中，并可以通過溫度特性來判斷凍結壁再尺寸和強度上是否滿足要求[5]。郜新軍等[6]基于現場試驗，對富水軟土地層條件下的地鐵橫通道在凍結法施工中溫度場變化和地表變形規律進行研究。于長一[7]結合某地鐵橫通道凍土帷幕工程，采用數值模擬方法對人工凍結過程中溫度場、位移場的耦合作用進行分析，研究溫度場的發展規律及凍結施工對周圍環境的影響。因此，人工凍結法在復雜地下環境基坑開挖工程中可以廣泛應用，實現加固土體和防水密封的雙重效果，但是仍需考慮凍結法施工對周圍環境產生的不利影響以及凍結過程溫度、土體強度、圍護墻受力變形等發展規律。

本文以上海某地鐵車站上跨既有隧道的深基坑開挖工程為例，采用有限元進行熱流耦合分析，模擬隧道周邊土體溫度分布情況；同時在現場開展土體溫度、圍護墻彎矩和變形、支撐軸力和凍結壁移動的實時監測，得到深基坑開挖過程中“凍結法+ 地下連續墻”復合圍護墻的受力和變形特征，并為同地區類似工程的凍結施工提供參考。

1 工程概況

上海市地鐵14 號線大世界站位于西藏南路金陵路口，為地下二層換乘車站，基坑開挖深度為15.62 m，與已建成的8 號線大世界站形成“T”形換乘。基坑周圍建筑物和地下管線分布密集，基坑開挖面下部橫穿一根Ф3 200 的電力隧道，電力隧道內徑和外徑分別為2 700 mm 和3 200 mm，且基坑底部距隧道頂部只有0.5 m。基坑南北側圍護墻采用“門”字形地下連續墻，隧道正上方和兩側地下連續墻深度分別為15 m和35 m，使得靠近電力隧道兩側0.5 m 及底部范圍無圍護封閉措施。電力隧道與基坑關系見圖1、圖2。

圖1 電力隧道及周邊基坑平面示意圖

圖2 電力隧道及周邊基坑剖面示意圖

2 凍結法設計及開挖方案

考慮到基坑開挖時對電力隧道的保護，將基坑分為A、B、C 三個基坑，先進行電力隧道兩側的A、C 基坑，再進行B 區基坑開挖。根據本工程項目所處土層和凍結加固特點，采用垂直和斜向凍結管在基坑南北兩側進行凍結施工，設計凍結有效厚度為3.0 m，平均溫度T≤－15℃。南北兩側均沿地連墻外側，電力隧道兩側布置兩排各2 個斜向凍結孔，孔深35 m；電力隧道正上方布置一個垂直凍結孔，孔深15.7 m。凍結管選用Ф127×5mm 的R304 不銹鋼管，供液管規格選用Ф32×3mm 的R304 不銹鋼管，凍結管內液氮溫度-100℃。圖3 為隧道凍結區域示意圖。

圖3 隧道凍結區域示意圖

B 區基坑內部共設置3 個小基坑，坑內圍護采用MJS 內插H 型鋼密插，小基坑采用“彈鋼琴法”分步施工。基坑開挖不案件節點匯總見表1。

表1 基坑開挖關鍵節點匯總

3 數值模擬及溫度場分析

基坑積極凍結過程中，對地下水滲流和凍結管熱傳導的耦合進行分析。基坑凍結過程將消耗大量能量，因此模擬地下水滲流和凍結行為進而為凍結系統進行優化設計[8]。

模擬地下水滲流和凍結行為過程中不考慮隧道的影響，從全局分析凍結過程隧道周邊土體溫度場分布和地下水滲流情況。采用PLAXIS2D 軟件進行熱流耦合模擬，關鍵參數是土體滲透系數、凍結管對流溫度控制函數、土體和水的各種溫度參數等。計算時初始溫度按照18℃（291K）考慮，土體凍結溫度為-1℃（272K），凍結管考慮對流傳熱過程，積極凍結時間為50 d。

下面根據數值模擬結果對隧道周邊凍結過程進行分析，選取了凍結體頂、電力隧道中部和凍結體第三個標準斷面，重點關注凍結壁寬度、斷面交圈時間、凍土平均溫度三個指標。隧道周邊積極凍結期間10 d、19 d、34 d、50 d 四個節點的溫度場分布見圖4。

圖4 隧道周邊積極凍結期間10 d、19 d、34 d、50 d四個節點的溫度場分布圖

參考相似土層導熱系數比熱容等參數，對凍結管水平截面進行溫度場計算。計算得到斷面一處積極凍結約19 d 開始交圈，凍結50 d 時凍結壁寬度約9.6 m；斷面二處積極凍結約34 d 開始交圈，凍結50 d時凍結壁寬度大10.2 m；斷面三處積極凍結約10 d開始交圈，凍結50 d 時凍結壁寬度約6 m，積極凍結50 d 時凍結壁厚度可滿足開挖要求。三個斷面凍結區隨著時間平均溫度見表2。

表2 三個斷面凍結區隨著時間平均溫度

4 現場監測及結果分析

為分析基坑凍結過程和開挖過程復合墻溫度及受力變形特征，需對凍結區域土體溫度、地連墻測斜和內力、和支撐軸力等進行現場監測。

4.1 測溫孔監測分析

為了解圍護結構范圍內不同部位的溫度發展狀況，以便采取相應的控制措施。本項目分別在B 區北側、南側各布置4 個測溫孔，北側為N-T1、N-T2、N-T3、N-T4，南側為S-T1、S-T2、S-T3、S-T4。測溫點埋深依次為9.8 m、11.8 m、13.8 m、15.8 m、17.9 m、20 m、25 m、30 m、35 m。布點見圖5。

圖5 基坑南北側測溫孔平面布置圖

B 區基坑南側以S-T3 測溫孔為研究對象，分析不同深度處土體溫度的變化規律。由圖6 可知，基坑施工全過程中凍結步驟依次為積極凍結、維護凍結、間歇凍結、維護凍結[9]，積極凍結天數為45～50 d，確保凍結土體達到所需強度和厚度值。綜合比較土體凍結的主要技術指標，南側土體平均溫度為-15℃，北側土體平均溫度為-20℃，符合北側開挖環境復雜難度大的特點，與溫度場的耦合分析預測的凍結溫度相近，整體滿足控制標準。

圖6 測溫孔S -T3 不同深度處溫度隨時間變化曲線圖

4.2 凍結土和地連墻典型工況下豎向側移分析

常規基坑開挖過程中，卸荷作用會導致地連墻和土體向坑內移動[10]。然而凍結法施工會對連續墻和坑外土體的變形產生影響，最直觀的情況為凍結使得土體體積發生凍脹，改變常規基坑中土體和墻體的變形協調關系。因此有必要對凍結土和連續墻進行側向變形監測，觀察“凍結+ 地連墻”復合墻的變形協調關系，為類似工程提供借鑒和參考價。隧道正上方凍結土和連續墻典型工況下豎向變形曲線見圖7。

圖7 隧道上方凍結土和連續墻的豎向變形分布曲線

由圖7 可知，上部未凍結區域土體在基坑開挖卸荷作用下有向坑內側移的趨勢；然而凍結區域土體的平均溫度為-15℃，基坑開挖卸荷引起凍結土向坑內移動的能力較弱，使得凍結土和連續墻之間產生間隙，隨著承壓水向間隙不斷遷移和凍結，間隙內冰的體積不斷膨脹造成圍護墻和凍結壁進一步地向坑內和坑外方向移動。同時圍護墻整體抗側移剛度比凍結土大，所以凍結土的側向變形近似為墻體側向變形的3～4 倍。不過，實際情況中體積膨脹是發生在空間范圍內，會引起地表隆起和周圍結構物的位移響應，此部分僅分析了凍脹作用下土體和圍護墻的側向變形規律，更進一步的研究有望在后續的數值模擬、試驗等方面展開。

4.3 地下連續墻彎矩監測分析

為了掌握凍結過程、基坑開挖過程、自然解凍過程中圍護墻體的受力特征，需要對墻體內部彎矩進行測量，在基坑開挖側和擋土側對應位置處安裝鋼筋應力計，斷面位置沿墻身豎向由上至下2 m、5 m、8 m、11 m、14 m、18 m、24 m、30 m 分別布置, 鋼筋計可以用于測量圍護結構沿深度方向的應力，進而換算成彎矩。不同工況下墻體剖面彎矩分布曲線見圖8。

圖8 不同工況下隧道上部墻體彎矩分布曲線

由圖8 可知：地下連續墻上最大彎矩發生截面隨著開挖深度的增加逐漸下降，上部和下部兩端的彎矩整體上呈現單調減小和增長趨勢，中部彎矩變化趨勢相對復雜。同時在基坑積極凍結期間和前期開挖階段，凍結區域墻體負彎矩較大，后期隨著基坑自然融化（解凍過程），凍結區域墻體的彎矩不斷減小。在實際施工過程中，需要加大對圍護墻負彎矩的關注，迎土面同樣需滿足配筋需求，保證墻體能夠抵抗一定的負彎矩，從而保證基坑安全開挖。

5 結論

本文以上海某地鐵車站上跨既有隧道的深基坑開挖工程為例，使用人工凍結法對隧道周邊土體進行處理，實現加固土體和防水密封的雙重效果。

數值模擬的溫度場分布結果與現場實測結果吻合，凍結最薄弱處斷面積極凍結約34 d 開始交圈，凍結50 d 時凍結壁厚度可滿足開挖要求；隨著承壓水向間隙不斷遷移和凍結，其內部體積的膨脹造成圍護墻和凍結壁進一步地向坑內和坑外方向移動，開挖完成后凍結土的側移量約為墻體側移的3～4倍；通過計算彎矩來評價凍脹對地下連續墻的不利影響，并提出墻體抵抗負彎矩的加固要求，使墻體能夠抵抗一定的負彎矩，保證基坑安全開挖。