上海淤泥质黏土层冻结法施工温度及位移场监测分析

唐益群，刘 昶，赵文强

（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

冻结法加固土体具有冻结壁均匀性好、与隧道管片结合严密、强度高、封水性好、安全可靠的优点，在地下工程施工中被广泛应用。为了保证冻土帷幕的安全有效，必须实时掌握相关的各种参数[1-2]。

不少学者对冻结法做了相关的研究。姜耀东等在不同施工阶段中，对盐水温度、土层温度、地表变形、冻土压力、隧道衬砌变形等多个参量进行现场监测[3]。杨平等对软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场进行了全程实测研究[4]。刘波等使用FLAC3D模拟分析了在复杂地质条件下，采用冻结法修建上海地铁旁通道时，土体的冻胀和融沉的现象[5]。对于上海浅部的淤泥质黏土，宋志刚和洪军对其冻融前后无侧限抗压强度做了一定的研究[6-7]。

本文依托上海某地区冻结法施工的联络通道，对其盐水温度、泄压孔压力、冻土温度、分层沉降进行了长期监测，并对其进行相应规律性分析，为后续淤泥质黏土层的冻结方案设计提供依据和参考。

1 工程概况

上海地区某工程联络通道采用冻结法施工，该处右行线盾构隧道里程为WYDK2+502.180，隧道中心标高为-7.412m，地面标高约为+4.80m，隧道管片内直径5900mm，管片壁厚350mm，隧道中心与逃生井内侧墙面间距10.2m。联络通道由与隧道管片相连的喇叭口、水平通道构成。联络通道所处土层及主要参数如表1所示。

表1 土层物理参数Table 1 The coefficients for soil properties

2 冻结加固方案

施工方案采用隧道内钻孔，冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑。为保证冻结壁厚度达到冻土帷幕厚度，采用喇叭口≥1.4m、通道正常段≥1.7m，冻结孔从疏散井往隧道打孔方式，并按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道的四周（图1），共36个冻结孔。

为准确判断冻结壁是否交圈，并释放减少土层水土冻胀压力，在与每个联络通道相接的隧道内两侧非冻结处，各布置2个泄压孔，共计4个。

图1 冻结管布置图Fig.1 Layout of measuring points in soils for freezing holes

3 监测方案

为监测冻结及解冻全过程中，温度及位移变化情况，在垂直联络通道轴线位置上布置了4组测孔，每组测孔分别由测温孔和分层沉降孔组成。1、2、3组测点间的距离分别为2.5 m、1.3 m、1.5 m，同一组测点间距为0.5 m，同一测孔内各测点入土深度分别为2.45 m、5.40 m、7.05 m、8.278 m、10.822 m。布设如图2所示。

同时，在沉降孔的顶部每次使用全站仪检测地表标高，以确定地表位移情况。

图2 测温孔与沉降孔布设示意图Fig.2 Schematic diagram for measuring temperature hole and settlement hole

4 冻结监测及数据分析

本次冻结周期共计48天，在第37天开挖，计3天。得到48天的盐水和泄压孔监测数据。此次监测历时116天，得到了从冻结到自然解冻过程中的温度及位移变化数据。由于第2组分层沉降孔损坏，故没有得到数据。对上述数据做出如下分析总结。

4.1 去回路盐水监测分析

盐水温度变化大致分为三个阶段：第一阶段，盐水温度快速下降阶段，平均降温速度为3.2℃/d，大致持续6天。第二阶段，盐水温度缓慢下降阶段，期间共降温3℃，大致持续12天。第三阶段，盐水温度稳定阶段，盐水去路稳定在-30℃，大致持续31天。如图3所示。

图3 盐水温度随时间变化Fig.3 Variation of temperature of salty water with time

4.2 泄压孔压力变化

泄压孔压力在0.05 MPa以下时当0处理，监测发现在第25天压力超过0.05 MPa，大小为0.08 Mpa，且维持了11天，在第36天时泄压（图4）。据此可以得到在23-25天左右，冻结已交圈，冻结帷幕基本形成。

图4 泄压孔压力随时间变化Fig.4 Pressure variation of pressure relief hole with time

4.3 土体温度监测分析

（1）土体温度随时间变化规律

实际监测得到土体温度变化主要分为三类：冻结壁土体温度、受冻结影响的冻结壁外土体温度、不受冻结影响的土体温度。

冻结壁土体温度随时间变化主要分为6个阶段：快速降温阶段，由于土体温度与冻结管温度差较大，最大降温速度达到5℃/d，持续到温度降至0℃左右；缓慢降温阶段，由于水潜热影响，导致土体降温速度较慢，从0℃降至-5℃左右；快速降温阶段，此阶段土体温度与冻结管温差小于第一阶段，故此阶段降温速度相比第一阶段速度慢，此阶段温度降至设计温度左右。维护冻结阶段，温度达到设计要求后进行开挖，开挖过程中温度略有上升，但上升幅度不大。在开挖完成后，由于继续冻结，此时温度又有所下降，一直到关机为止；快速升温阶段，由于冻结站关闭，土体温度快速回升，达到-5℃左右；缓慢升温阶段，此阶段升温较为缓慢，主要是由于土中冰进入相变阶段，需要吸收大量的热。

受冻结影响的冻结壁外土体温度，分为两类，一种是距离较近的，另一种是距离较远的。较近的随时间主要分为2个阶段，快速降温阶段，由于地层温度高，盐水温度低，使温度快速下降；之后温度缓慢下降，距离原因导致温度未降到零下，直到100多天后，温度开始缓慢回升。距离较远的，土体温度随时间主要分为3个阶段，在冻结壁交圈以前温度缓慢下降，交圈后温度才开始快速下降，由于过程中土体温度一直在零上，所以在冻结壁内温度升温时，外面温度仍在缓慢下降，一直到冻结壁缓慢升温时温度才停止下降；故距离冻结管2.4m外的土体受冻结影响较小。

不受冻结影响的土体温度不随时间变化，本次监测到的是距离冻结管8m，距离地表2.5m，温度一直维持在15℃（图5）。

图5 2号孔土体温度随时间变化Fig.5 Variation of soil temperature in No.2 hole with time

（2）土体温度随空间变化规律

根据以上分析可得，距离冻结壁距离的远近，其温度随时间变化规律是不同的：靠近冻结管的温度下降的越快，远离冻结管的温度下降慢；冻结壁内侧降温快于冻结壁外侧（图6）。温度降至0℃，测点1-4用了10天，测点2-4用了4天，测点3-4用了24天，据此可以算出冻结壁发展速率分别为：75mm/d、200mm/d、41mm/d。

4.4 土体位移监测分析

（1）土体位移随时间变化规律

土体位移分为两类，一类是冻结管外部土体位移变化情况，另一类是冻结管内部土体位移情况。

冻结管外部土体位移主要分为6个阶段：位移快速上升阶段，由于冻胀作用使得土层产生向上的位移；土层位移下降阶段，由于开挖导致位移台阶式下降，由于开挖时间短，且开挖阶段有相应支护措施，故到开挖完成时位移变化不大；土层位移上升阶段，开挖完成后由于冻结一直进行，所以位移缓慢上升；土层位移下降阶段，第一次注浆，冻土温度较高，且混凝土散热，使得冻土融化，土层位移下降；土层位移上升阶段，关机13天后，土层温度降到0～5℃之间，此时混凝土的浇注使得地层位移上升；土层位移下降，一直到监测结束，由于未受到其他因素干扰，地层一直保持融沉下降。

图6 第4号测点断面温度分布Fig.6 Temperature distribution of section No.4

冻结管外部土体位移根据测点1-4可得，内部位移主要有两个方向的变化趋势：一是，冷锋面向下移动，发生水分迁移，导致位移向下；二是，整体冻结壁有向上的位移，故有向上的趋势；故形成内部测点位移先增大，后减小，再增大的变化规律（图7）。

图7 1号分层沉降孔位移随时间变化Fig.7 Displacement of 1 layered settlement hole varies with time

（2）土体位移规律分析

根据1号孔位移可得，3号点位移大于1、2号，3号点最大冻胀量为56.95 mm，1、2号点最大冻胀量分别为37.95 mm和38.45 mm。据此作出此孔的分层位移图（图8），可得到2、3点间土层发生压缩，主要是由于3号点温度未形成负温，故下部土体冻胀导致其隆起，上部土体水分迁移并在自重作用下，发生土层压缩；1、2号点位移大致相同。故冻结壁上部1.6 m内土层发生压缩，1.6 m外土体整体发生移动。

图8 1号孔分层位移Fig.8 Stratified displacement of No.1 hole

根据3、4孔位移可得，1、2、3号点位移基本保持一致，可得到冻结壁侧上方位移基本保持一致，土体发生整体移动；对于4、5号测点，4号测点位移大于5号测点位移，故可得冻结壁侧部土层隆起（图9）。故冻结壁外位移，主要是由冻结壁边侧土体隆起抬升上部土体导致。

图9 3号孔分层位移Fig.9 Stratified displacement of No.3 hole

对于同一水平层位移，冻胀壁上部土体，中间位移最大，远离冻结壁位移小；冻结壁边壁侧的土体，冻胀量近处大于远处的，且融沉量也是如此。对最终地表位移的影响如图10所示，中间位移大于远处的位移。

图10 地表位移Fig.10 Displacement of ground surface

5 结论

通过对联络通道冻结法施工的温度及位移全过程监测与分析，主要得到如下结论：

（1）冻结法施工中，土层温度变化趋势主要分为三类：冻结壁土体温度、受冻结影响的冻结壁外土体温度、不受冻结影响的土体温度。受冻结管温度影响的范围大致距离为2.4 m。

（2）土体位移分为两类，一类是冻结管外部土体位移变化情况，另一类是冻结管内部土体位移情况。

（3）冻结壁正上方土体出现压缩。侧上方土体土层未发生变动，主要受到冻结壁两侧土体冻胀及融沉影响。本次可得到冻结管2.3 m内的区域，土体位移受影响。