基于凍結(jié)法的復(fù)合圍護(hù)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(fā)過程中涌現(xiàn)出大量新建基坑鄰近既有隧道的近接工程[1-2]。國內(nèi)已經(jīng)有大量的類似工程實(shí)例，姚燕明[3]以明珠二期張楊路車站緊靠已運(yùn)營的地鐵二號線基坑開挖為例，采取高壓旋噴樁對地基進(jìn)行加固，有效的調(diào)整了結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬計(jì)算和施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方法，對基底加固+ 抽條施工的基坑開挖方案進(jìn)行評估，確保地鐵區(qū)間隧道的正常運(yùn)營。

人工凍結(jié)法具有加固土體和防水密封的雙重效果，已被廣泛應(yīng)用于軟土地基地鐵交叉口和連通道項(xiàng)目施工中，并可以通過溫度特性來判斷凍結(jié)壁再尺寸和強(qiáng)度上是否滿足要求[5]。郜新軍等[6]基于現(xiàn)場試驗(yàn)，對富水軟土地層條件下的地鐵橫通道在凍結(jié)法施工中溫度場變化和地表變形規(guī)律進(jìn)行研究。于長一[7]結(jié)合某地鐵橫通道凍土帷幕工程，采用數(shù)值模擬方法對人工凍結(jié)過程中溫度場、位移場的耦合作用進(jìn)行分析，研究溫度場的發(fā)展規(guī)律及凍結(jié)施工對周圍環(huán)境的影響。因此，人工凍結(jié)法在復(fù)雜地下環(huán)境基坑開挖工程中可以廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)加固土體和防水密封的雙重效果，但是仍需考慮凍結(jié)法施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生的不利影響以及凍結(jié)過程溫度、土體強(qiáng)度、圍護(hù)墻受力變形等發(fā)展規(guī)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(jìn)行熱流耦合分析，模擬隧道周邊土體溫度分布情況；同時(shí)在現(xiàn)場開展土體溫度、圍護(hù)墻彎矩和變形、支撐軸力和凍結(jié)壁移動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到深基坑開挖過程中“凍結(jié)法+ 地下連續(xù)墻”復(fù)合圍護(hù)墻的受力和變形特征，并為同地區(qū)類似工程的凍結(jié)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(nèi)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?；幽媳眰?cè)圍護(hù)墻采用“門”字形地下連續(xù)墻，隧道正上方和兩側(cè)地下連續(xù)墻深度分別為15 m和35 m，使得靠近電力隧道兩側(cè)0.5 m 及底部范圍無圍護(hù)封閉措施。電力隧道與基坑關(guān)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(jié)法設(shè)計(jì)及開挖方案

考慮到基坑開挖時(shí)對電力隧道的保護(hù)，將基坑分為A、B、C 三個(gè)基坑，先進(jìn)行電力隧道兩側(cè)的A、C 基坑，再進(jìn)行B 區(qū)基坑開挖。根據(jù)本工程項(xiàng)目所處土層和凍結(jié)加固特點(diǎn)，采用垂直和斜向凍結(jié)管在基坑南北兩側(cè)進(jìn)行凍結(jié)施工，設(shè)計(jì)凍結(jié)有效厚度為3.0 m，平均溫度T≤－15℃。南北兩側(cè)均沿地連墻外側(cè)，電力隧道兩側(cè)布置兩排各2 個(gè)斜向凍結(jié)孔，孔深35 m；電力隧道正上方布置一個(gè)垂直凍結(jié)孔，孔深15.7 m。凍結(jié)管選用Ф127×5mm 的R304 不銹鋼管，供液管規(guī)格選用Ф32×3mm 的R304 不銹鋼管，凍結(jié)管內(nèi)液氮溫度-100℃。圖3 為隧道凍結(jié)區(qū)域示意圖。

圖3 隧道凍結(jié)區(qū)域示意圖

B 區(qū)基坑內(nèi)部共設(shè)置3 個(gè)小基坑，坑內(nèi)圍護(hù)采用MJS 內(nèi)插H 型鋼密插，小基坑采用“彈鋼琴法”分步施工?；娱_挖不案件節(jié)點(diǎn)匯總見表1。

表1 基坑開挖關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)匯總

3 數(shù)值模擬及溫度場分析

基坑積極凍結(jié)過程中，對地下水滲流和凍結(jié)管熱傳導(dǎo)的耦合進(jìn)行分析?；觾鼋Y(jié)過程將消耗大量能量，因此模擬地下水滲流和凍結(jié)行為進(jìn)而為凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。

模擬地下水滲流和凍結(jié)行為過程中不考慮隧道的影響，從全局分析凍結(jié)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(jìn)行熱流耦合模擬，關(guān)鍵參數(shù)是土體滲透系數(shù)、凍結(jié)管對流溫度控制函數(shù)、土體和水的各種溫度參數(shù)等。計(jì)算時(shí)初始溫度按照18℃（291K）考慮，土體凍結(jié)溫度為-1℃（272K），凍結(jié)管考慮對流傳熱過程，積極凍結(jié)時(shí)間為50 d。

下面根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對隧道周邊凍結(jié)過程進(jìn)行分析，選取了凍結(jié)體頂、電力隧道中部和凍結(jié)體第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面，重點(diǎn)關(guān)注凍結(jié)壁寬度、斷面交圈時(shí)間、凍土平均溫度三個(gè)指標(biāo)。隧道周邊積極凍結(jié)期間10 d、19 d、34 d、50 d 四個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度場分布見圖4。

圖4 隧道周邊積極凍結(jié)期間10 d、19 d、34 d、50 d四個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度場分布圖

參考相似土層導(dǎo)熱系數(shù)比熱容等參數(shù)，對凍結(jié)管水平截面進(jìn)行溫度場計(jì)算。計(jì)算得到斷面一處積極凍結(jié)約19 d 開始交圈，凍結(jié)50 d 時(shí)凍結(jié)壁寬度約9.6 m；斷面二處積極凍結(jié)約34 d 開始交圈，凍結(jié)50 d時(shí)凍結(jié)壁寬度大10.2 m；斷面三處積極凍結(jié)約10 d開始交圈，凍結(jié)50 d 時(shí)凍結(jié)壁寬度約6 m，積極凍結(jié)50 d 時(shí)凍結(jié)壁厚度可滿足開挖要求。三個(gè)斷面凍結(jié)區(qū)隨著時(shí)間平均溫度見表2。

表2 三個(gè)斷面凍結(jié)區(qū)隨著時(shí)間平均溫度

4 現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

為分析基坑凍結(jié)過程和開挖過程復(fù)合墻溫度及受力變形特征，需對凍結(jié)區(qū)域土體溫度、地連墻測斜和內(nèi)力、和支撐軸力等進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。

4.1 測溫孔監(jiān)測分析

為了解圍護(hù)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)不同部位的溫度發(fā)展?fàn)顩r，以便采取相應(yīng)的控制措施。本項(xiàng)目分別在B 區(qū)北側(cè)、南側(cè)各布置4 個(gè)測溫孔，北側(cè)為N-T1、N-T2、N-T3、N-T4，南側(cè)為S-T1、S-T2、S-T3、S-T4。測溫點(diǎn)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(diǎn)見圖5。

圖5 基坑南北側(cè)測溫孔平面布置圖

B 區(qū)基坑南側(cè)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(guī)律。由圖6 可知，基坑施工全過程中凍結(jié)步驟依次為積極凍結(jié)、維護(hù)凍結(jié)、間歇凍結(jié)、維護(hù)凍結(jié)[9]，積極凍結(jié)天數(shù)為45～50 d，確保凍結(jié)土體達(dá)到所需強(qiáng)度和厚度值。綜合比較土體凍結(jié)的主要技術(shù)指標(biāo)，南側(cè)土體平均溫度為-15℃，北側(cè)土體平均溫度為-20℃，符合北側(cè)開挖環(huán)境復(fù)雜難度大的特點(diǎn)，與溫度場的耦合分析預(yù)測的凍結(jié)溫度相近，整體滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 測溫孔S -T3 不同深度處溫度隨時(shí)間變化曲線圖

4.2 凍結(jié)土和地連墻典型工況下豎向側(cè)移分析

常規(guī)基坑開挖過程中，卸荷作用會(huì)導(dǎo)致地連墻和土體向坑內(nèi)移動(dòng)[10]。然而凍結(jié)法施工會(huì)對連續(xù)墻和坑外土體的變形產(chǎn)生影響，最直觀的情況為凍結(jié)使得土體體積發(fā)生凍脹，改變常規(guī)基坑中土體和墻體的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。因此有必要對凍結(jié)土和連續(xù)墻進(jìn)行側(cè)向變形監(jiān)測，觀察“凍結(jié)+ 地連墻”復(fù)合墻的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，為類似工程提供借鑒和參考價(jià)。隧道正上方凍結(jié)土和連續(xù)墻典型工況下豎向變形曲線見圖7。

圖7 隧道上方凍結(jié)土和連續(xù)墻的豎向變形分布曲線

由圖7 可知，上部未凍結(jié)區(qū)域土體在基坑開挖卸荷作用下有向坑內(nèi)側(cè)移的趨勢；然而凍結(jié)區(qū)域土體的平均溫度為-15℃，基坑開挖卸荷引起凍結(jié)土向坑內(nèi)移動(dòng)的能力較弱，使得凍結(jié)土和連續(xù)墻之間產(chǎn)生間隙，隨著承壓水向間隙不斷遷移和凍結(jié)，間隙內(nèi)冰的體積不斷膨脹造成圍護(hù)墻和凍結(jié)壁進(jìn)一步地向坑內(nèi)和坑外方向移動(dòng)。同時(shí)圍護(hù)墻整體抗側(cè)移剛度比凍結(jié)土大，所以凍結(jié)土的側(cè)向變形近似為墻體側(cè)向變形的3～4 倍。不過，實(shí)際情況中體積膨脹是發(fā)生在空間范圍內(nèi)，會(huì)引起地表隆起和周圍結(jié)構(gòu)物的位移響應(yīng)，此部分僅分析了凍脹作用下土體和圍護(hù)墻的側(cè)向變形規(guī)律，更進(jìn)一步的研究有望在后續(xù)的數(shù)值模擬、試驗(yàn)等方面展開。

4.3 地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測分析

為了掌握凍結(jié)過程、基坑開挖過程、自然解凍過程中圍護(hù)墻體的受力特征，需要對墻體內(nèi)部彎矩進(jìn)行測量，在基坑開挖側(cè)和擋土側(cè)對應(yīng)位置處安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)，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(jì)可以用于測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿深度方向的應(yīng)力，進(jìn)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(xù)墻上最大彎矩發(fā)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(xiàn)單調(diào)減小和增長趨勢，中部彎矩變化趨勢相對復(fù)雜。同時(shí)在基坑積極凍結(jié)期間和前期開挖階段，凍結(jié)區(qū)域墻體負(fù)彎矩較大，后期隨著基坑自然融化（解凍過程），凍結(jié)區(qū)域墻體的彎矩不斷減小。在實(shí)際施工過程中，需要加大對圍護(hù)墻負(fù)彎矩的關(guān)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(fù)彎矩，從而保證基坑安全開挖。

5 結(jié)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(jié)法對隧道周邊土體進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)加固土體和防水密封的雙重效果。

數(shù)值模擬的溫度場分布結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果吻合，凍結(jié)最薄弱處斷面積極凍結(jié)約34 d 開始交圈，凍結(jié)50 d 時(shí)凍結(jié)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(jié)，其內(nèi)部體積的膨脹造成圍護(hù)墻和凍結(jié)壁進(jìn)一步地向坑內(nèi)和坑外方向移動(dòng)，開挖完成后凍結(jié)土的側(cè)移量約為墻體側(cè)移的3～4倍；通過計(jì)算彎矩來評價(jià)凍脹對地下連續(xù)墻的不利影響，并提出墻體抵抗負(fù)彎矩的加固要求，使墻體能夠抵抗一定的負(fù)彎矩，保證基坑安全開挖。