基坑免降水開挖的組合式凍結法支護工藝研究

張 松，岳祖潤，盧相忠，張慶武，孫鐵成，胡田飛，亓源水，張俊洋

(1.石家莊鐵道大學省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室,石家莊 050043;2.唐山開灤建設(集團)有限責任公司,河北唐山 063000; 3.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043; 4.蘇州軌道交通市域一號線有限公司,江蘇蘇州 215000)

引言

近年來,我國的城市建設向著立體化開發方向不斷邁進。城市地下空間的利用效率已經成為衡量城市發展水平的重要指標[1],隨之基坑工程數量與規模不斷增大。進入21世紀以來,我國基坑工程的占地面積、深度、規模和施工難度越來越大[2-4],同時基坑工程施工中所面臨的水資源保護問題也愈加突出,尤其是在北方地區近年來水位持續上漲的大背景下,越來越多的基坑工程面臨地下水控制困難的問題。傳統基坑工程一般采用降水方法進行地下水控制,但受限于環保政策[5]和水資源稅的征收[6],在基坑工程中使用降水方法的可行性越來越小,因此,大量工程轉而采用止水帷幕控水[7]。但傳統的落地式止水帷幕難以解決深厚潛水及含水層的基坑止水問題。而采用懸掛式止水帷幕時需要持續進行地下水抽排與回灌[8],會對周圍地層和建構筑物產生極大的影響[9-10],使得該方法應用受限。因此,亟待尋找一種建立人造水平隔水層的方法進行基坑工程封水。

目前人造水平隔水層的主要施工方案有水泥系加固和凍結法支護兩種,其中水泥系加固存在加固區域控制不精準干擾開挖,施工過程噪聲、污染大等一系列問題,因此,越來越多的學者考慮將凍結法引入基坑工程中。如上世紀美國就采用滿鋪垂直凍結方式進行了基坑工程的封底[11],國內則在上海地區有過一次凍結法封底的成功實踐[12]。但此類施工均采用凍結管垂直滿鋪方式布置,因此,產生了開挖面凍結管密布的問題,進而衍生出成本偏高、過度凍結、開挖過程凍結管保護困難等一系列問題。為此,張晉勛[13-15]提出了“盆型”凍結方案,利用局部凍結技術實現了基坑凍結封底。該方法雖然在一定程度上減少了凍結體量,但仍無法徹底解決大量凍結管干擾開挖的問題;且凍結管局部保溫效果不佳時,非凍結區仍會有大量冷量耗散,難以有效地壓縮制冷工程量,降低工程成本。

針對上述問題,總結相關施工經驗并借鑒組合式支護體系的設計思路,提出基坑的組合式凍結法支護技術:通過人為構造小型鉆孔工作面實現水平凍結封底,并將其與傳統側壁止水帷幕相結合,形成一種新型組合式止水帷幕,實現基坑工程低成本、高效能的支護與止水,并通過模型試驗對其可行性進行了驗證。

1 組合式凍結法支護機理及適用范圍

組合式凍結法的支護機理是對傳統懸掛式止水帷幕的改進,利用凍土止水帷幕作為基底水平止水帷幕,而在基坑側壁采用傳統的止水帷幕,從而構建出組合式止水系統。其整體結構如圖1所示。該方法既能發揮傳統地連墻、排樁等支護體系低成本、高強度、施工簡便的優勢,又利用了凍結體的高效封水特性,實現了基坑的不排水開挖,大幅度降低了基坑施工對周圍地層環境的干擾,實現了水資源的保護。

圖1 基坑組合式凍結法支護體系示意Fig.1 Schematic of foundation pit support by combined artificial ground freezing

由于組合式凍結法的應用可以有效解決基坑工程的降水問題,因此,當基坑工程周圍存在對降水敏感的建構筑物(如高鐵路基、建構筑物基礎)或環保政策導致的降水施工成本偏高等問題時,可考慮采用組合式凍結法進行基坑支護。

“組合式凍結法”這一設計理念還可以拓展到基坑工程以外的地下工程中。如港珠澳跨海大橋拱北段凍結工程,即將管棚與凍土帷幕進行有機結合,利用管棚承載、凍結封水實現了地層支護[16-17]。近年來,大量凍結工程[18]使用的“強管棚、弱凍結”設計理念也是對組合式凍結這一支護理念的特殊應用。此類工程中凍土帷幕不再作為支護主體,而是作為強效封水材料,在保證工程安全的基礎上,使得凍結體量得到大幅度縮減,節省了工程造價。

綜上所述,組合式凍結法不僅能夠保證工程安全,也能夠大幅度壓縮凍結體量,因此具有良好的應用前景。

2 基坑組合式凍結法施工流程

參考以往凍結工程和基坑工程的施工經驗,考慮基坑傳統支護方法,建議優先考慮地連墻作為側向支護及止水結構,并利用放射性布置的水平凍結孔形成水平凍土止水帷幕,通過二者的結合形成基坑工程的支護體系。規劃施工流程如圖2所示。

圖2 基坑組合式凍結法施工流程Fig.2 Construction process of foundation pit by combined artificial ground freezing

步驟1:施作基坑地連墻,并同時施作臨時豎井井壁,井底封閉采用“盆型”凍結方案。

步驟2:在已完成臨時豎井內施工水平凍結孔,凍結孔呈放射性布置,同時在基坑附近地面安裝冷凍站。

步驟3:凍結系統安裝,連接凍結器與冷凍站,并開機凍結。

步驟4:凍結效果達標后開始,進行基坑開挖施工,并伴隨基坑掘進,進行臨時豎井拆除和鹽水干管的支護。

步驟5:開挖到設計高程后,進行底板施工,并在臨時豎井附近預留接茬縫。

步驟6:停止凍結,割除凍結管,并回填臨時豎井至與基坑底部平齊。

步驟7:對臨時豎井回填位置進行底板澆筑,做好搭接與防水。

步驟8:澆筑底板以上結構。

3 施工重、難點分析及應對策略

由于地連墻作為支護結構在各類基坑工程中已經得到了充分驗證,因此,組合式凍結法的關鍵重難點主要集中于凍土帷幕,以及凍土帷幕與地連墻界面區域。梳理主要工程重、難點如下。

(1)如何控制凍脹對基坑的影響

在組合式凍結法施工中凍脹主要集中于基坑底部,且可以劃分為垂直于凍結管方向和平行于凍結管方向兩部分。由于距離凍土帷幕越近,凍脹效果越明顯,因此認為凍脹控制的關鍵位置是基底區域。為解決基底凍脹問題,可適當提高基底與設計凍土帷幕之間距離,并在靠近基底區域施工泄壓孔或溫度限位孔,減少凍脹影響。

由于凍結管呈放射性布置,在靠近臨時豎井區域密布的凍結管會造成凍脹量激增,從而引起一系列次生災害。應根據布置情況選擇部分凍結管在靠近臨時豎井一側進行局部凍結保溫,在保證凍結效果的前提下,降低其冷量輸入,控制凍結體量,減少凍脹。

(2)如何保證凍土帷幕與地連墻界面區的凍結效果

大量實踐證明,凍結過程中凍土帷幕沿凍結管縱向發育要遠低于橫向發育,而在組合式凍結法設計中當凍結管與地連墻僅為接觸時,界面區支護結構主要依靠凍土帷幕的縱向發育形成,凍結效果較差。為解決這一問題,擬將凍結管嵌入地連墻內部一定深度,使得凍土帷幕-地連墻界面區支護結構改為依靠凍土帷幕橫向發育形成,從而強化界面區的凍結效果。

4 工藝驗證

4.1 模型試驗設計

為驗證組合式凍結法的可行性,針對基坑的組合式凍結法加固進行模型試驗研究,試驗所對應基坑原型尺寸為15 m×15 m×12 m,其中凍結管布置于第13 m和第14 m層位,實際工況和模擬工況的設計參數列于表1。根據相似原理,最終確定幾何縮比Cl=1/10,時間縮比Ct=1/100,溫度縮比CT=1。

表1 組合式凍結法模型試驗參數Tab.1 Parameters of combined artificial ground freezing model test

模型試驗臺由基坑區域模擬系統、外部地層模擬系統和制冷循環系統三部分組成,其中基坑區域模擬系統如圖3所示,凍結孔布置形式如圖4所示。試驗時采用預澆筑方案制作臨時豎井結構和地連墻結構,其中地連墻結構在與凍結管交接位置預留空槽,保證與凍結管進行有效搭接。

圖3 基坑區域模擬系統Fig.3 Foundation pit area simulation system

圖4 凍結孔布置方式Fig.4 Layout of freezing pipe

制冷循環系統選擇一臺31 kW螺桿冷凍機組配合3 m3鹽水箱,試驗過程中可將鹽水箱溫度持續保持在-25±1.5 ℃范圍內。鹽水箱與凍結器間采用一臺2.2 kW管道泵作為循環動力源,并安裝電磁流量計對干管流量進行監測。試驗中各分組凍結器流量一致,單管流量保持在3.62 m/s左右,全試驗過程要求變化量≯5%。

模型試驗臺安裝過程如下。

步驟1:在模型試驗臺(外部地層模擬系統)內填筑10 cm基礎層。

步驟2:安裝帶有凍結管的臨時豎井結構。

步驟3:地連墻結構依次拼裝到位,并將與凍結管搭接預留槽用快速水泥進行充填、找平。

步驟4:自下而上分層填筑試驗土樣,土樣單次填筑高度10 cm。每次裝填前按試驗要求含水率進行配比,并夯實至設計孔隙率,伴隨填土過程根據設計位置進行測溫系統安裝。

步驟5:土樣填筑完成后,將凍結管依序分組并與制冷循環系統連接。

模型試驗臺安裝完成后在外側覆蓋5 cm聚乙烯保溫板,保溫板導熱系數≯0.04 W/m2,用于防止試驗臺內部與外部發生明顯熱交換。模型試驗臺最終形態如圖5所示。

圖5 模型試驗臺Fig.5 The model test platform

4.2 試驗結果分析

4.2.1 凍土帷幕達標性驗證

本次測試共設置3個測溫平面,分別位于上排凍結孔平面外側0.5 m,兩排凍結孔之間和下排凍結孔平面外側0.5 m位置。由于凍結孔呈放射形分布,因此,不同位置孔間距各不相同,表2所列為距離地連墻最近測點所對應的原型孔間距尺寸及計算所得凍土帷幕擴展厚度[19]。

表2 不同區域凍土帷幕擴展厚度Tab.2 Thickness of frozen curtain in difference zone

由表2計算結果可知,在設計凍結末期,各區域凍土帷幕擴展厚度均達到了設計目標1.0 m,但隨著孔間距增大,凍土帷幕擴展厚度逐步減小,為進一步探索凍結區域的溫度場分布,利用雙排交叉布置凍結孔的穩態解析解公式[20]對溫度場進行全域求解,計算公式為

(1)

(2)

式中,Tf為凍結管外表面溫度,℃;r0為凍結孔半徑,m;其余參數及求解后溫度場方程如圖6所示,每個區域獨立使用該區域內部坐標系。

圖6 計算模型及相關參數Fig.6 The calculation model and parameters

根據上述計算結果,求解不同區域的凍土帷幕平均溫度分別為-12.6 ℃(區域1)、-12.4 ℃(區域2)、-11.7 ℃(區域3)、-10 ℃(區域4),均達到設計目標-10 ℃。

對上述數據進行擬合得出本試驗中凍土帷幕擴展厚度和平均溫度的函數關系為

ξ=43e-3.15l+1.08R2=0.99

(3)

(4)

根據擬合數據可知,隨著孔間距增大,凍土帷幕平均溫度線性增大,同時厚度呈指數型下降。由于最大孔間距位置并未設置測點,因此將其對應孔間距l=2.18 m代入式(3)和式(4),求得最危險區域的凍土帷幕擴展厚度為1.12 m,平均溫度-9.6 ℃。這表明該區域凍土帷幕擴展厚度達標,但凍土帷幕平均溫度稍差。

凍土帷幕承載能力與凍土帷幕厚度和平均溫度二者密切相關,因此,求解區域凍土帷幕承載能力系數[21]為1.21,表明該區域凍土帷幕承載能力仍超過設計目標值1.0,滿足承載要求。

4.2.2 局部凍結效果驗證

模型試驗中上排凍結管部分區域進行了保溫處理,圖7為保溫處理區域與非保溫處理區域的測點溫度曲線。采用保溫措施后,測點C2-1溫度基本未發生變化,整個試驗過程溫度下降約3 ℃,而未保溫測點C1-1則在試驗過程下降約14 ℃。這表明上排凍結管的保溫效果良好,根據上中下3個平面的測溫數據,可得該區域豎向溫度分布如圖8所示。利用圖乘法可以得出,凍土帷幕厚度為1.97 m,平均溫度-12.7 ℃,凍土帷幕承載能力系數為1.21,與4.2.1節計算的地連墻附近凍土帷幕承載能力一致。這表明在凍土帷幕最薄弱的近地連墻區域和近臨時豎井區域,組合式凍結法的加固效果均滿足要求,因此,采用組合式凍結法進行基坑支護是可行且有效的。

圖7 保溫區與非保溫區測點溫度對比Fig.7 Temperature comparison in insulated area and non-insulated area

圖8 局部保溫區域溫度場分布Fig.8 The temperature distribution in partially insulated area

4.2.3 凍結對既有地連墻結構影響

基坑組合式凍結法施工中,凍脹變形會在凍土帷幕周圍形成垂直凍結鋒面的法向力和平行凍結鋒面水平剪切力,二者在水平方向的分量是推動地連墻側移的主要作用力。設計中將凍結管與地連墻設置了部分搭接區,區域原型長度0.3 m,因此凍結前期凍結鋒面與地連墻呈一定夾角時,其水平向分力伴隨凍結發展逐步增大,但凍結后期凍結鋒面與凍結管基本平行后,法向力不再提供水平分量,此時地連墻所受力基本穩定,其變形也基本趨于穩定。這一過程凍土帷幕形態及其擠壓地連墻受力狀態如圖9所示。墻內凍結管引起的混凝土凍脹變形對墻體結構影響可控。

圖9 凍結對地連墻影響效果Fig.9 Freezing effect on diaphragm wall

圖9中數據曲線為地連墻上所布置應變片的測試數據,應變片位于上下兩排凍結孔之間(圖3),在凍結前100 min(原型7 d),應變快速增長,隨后應變基本穩定。由于整個工程應變值相對較小,試驗后觀察地連墻也未產生裂縫或破壞(圖9),因此認為凍結對地連墻既有結構未產生明顯影響。

5 結論

基于對現有基坑工程所面臨施工環境的分析,指出基坑不降水開挖的必要性和緊迫性,并通過對組合式凍結法的研究,對基坑高效凍結封水的可行性進行了探討,得出以下結論。

(1)采用組合式凍結法進行基坑坑底封水,可以有效實現基坑的免降水開挖。組合式凍結法有望成為基坑、車站隧道、綜合管廊等大體量地下工程凍結施工的重要選項。

(2)梳理出基坑組合式凍結法的建議施工流程及重難點處置方案。提出了通過設置泄壓孔、溫度限位孔以及部分凍結孔局部凍結保溫的方法進行凍脹控制的解決方案,以及利用凍結器嵌入地連墻的方式,保證凍土帷幕-地連墻界面區搭接效果的解決方案。

(3)模型試驗表明,組合式凍結法是可行且可靠的,試驗中整體凍結效果在設計時間超過了目標值,最小承載能力為設計值的1.21倍;局部保溫方案有效控制了臨時工作豎井區域的凍結體量,并保證承載能力仍為設計值的1.21倍;整個凍結過程中凍土帷幕對地連墻未產生明顯影響。