人工地層水平凍結法研究的論文

摘要：結合上海地鐵四號線修復工程，採用基於“一線總線”的凍結法温度監測系統進行現場實時監測，並依據監測數據，判別了凍結管是否漏鹽水以及完好隧道段凍土壁的封水效果，得出了凍土壁温度場形成規律和積極凍結期結束時間，並分析了各施工工序對凍結壁的温度影響。

關鍵詞：水平凍結，隧道修復，温度場

引言

上海地鐵四號線修復江中暗挖段工程採用水平凍結結合礦山法將原建在黃浦江下的完好隧道和基坑內施工的隧道進行暗挖貫通。

工程位於黃浦江河牀下，施工風險很大，對凍結系統運行狀況和凍土帷幕發展狀況進行實時監測就顯得尤為重要。在監測中主要考慮幾個問題：凍結管是否漏鹽水；凍土帷幕的性能；完好隧道一側封水效果如何；暗挖施工過程對凍土壁温度有何影響。

水平凍結孔和測温孔佈置：每組去迴路在迴路上佈置1個測點，在每組幹管去路和迴路上各設置1個測點，鹽水去迴路共有59個測點。鹽水傳感器採用封裝在不鏽鋼螺釘中的DS1820ST傳感器，測點佈置在每組去迴路的迴路凍結管上。凍土帷幕温度監測採用封裝有DS1820ST傳感器的測温電纜，在凍結區域中共佈置了11個測温孔。採用基於“一線總線”的凍結法温度監測系統[1]，實現了信息化實時監測，掌握凍結壁温度場的變化規律，將不可見、不可控轉化為可見、可控，從而降低工程風險。

1鹽水凍結系統運行狀況分析

鹽水凍結系統於2007年2月13日開始運行，鹽水温度快速下降。凍結4d，幹管去路温度降至—22。5℃，凍結14d温度降到最低—30。1℃，以後積極凍結期幹管温度去路平均維持在—29。5℃左右。維護凍結從凍結44d後開始，維護凍結期幹管去路温度平均維持在—28。0℃左右。積極凍結期平均温差為1。8℃，維護凍結平均温差為1。0℃，説明凍結開始時熱交換量大，以後逐漸減少，進入維護凍結後熱交換達到穩定。

在凍結過程中，每天用標尺測量鹽水箱的鹽水水位一次，鹽水箱水位始終保持在34cm~35cm。水位下降主要是由於鹽水箱內鹽水蒸發損失產生的，且水位無突然下降情況出現，由此可以斷定鹽水凍結系統運轉正常，去迴路沒有發生漏液。

2凍土帷幕的性能分析

根據凍土試驗報告[2]，凍土壁所在土層的凍結温度在—1。0℃~1。4℃之間。凍土壁達到設計的厚度，且平均温度達到—12℃，積極凍結期才能結束，進入維護凍結期。

圖1為T2測孔各測點温度時程曲線，由曲線可知，凍結17d時，T2測孔附近土體温度已達到—5℃以下，此時T3測孔相同位置附近土體剛達到結冰温度，説明內外排凍結管之間的凍土壁已交圈。內排孔距開挖面1。0m，其凍土帷幕發展情況可由T4和T6測孔的温度值反映出來。

用T1測温孔中心線和上行線隧道中心線組成的平面作為凍結區域剖面，在剖面上作4個截面，A—A截面位於凍土區與地下連續牆交界面處，B—B截面位於凍土區中間位置，C—C截面位於凍土區與隧道內封堵牆交界面，D—D截面位於完好隧道管片外凍結管末端處。採用蘇聯學者Б。В。Бахолин[3]提出的凍土帷幕厚度計算公式，以測温孔測點監測數據為參數，結合凍結孔的實際情況，可計算出不同凍結時間各截面位置處的凍土帷幕厚度和平均温度，繪出如圖2，圖3所示的凍土帷幕厚度時程曲線和平均温度時程曲線。

由曲線可知，位於凍結壁中部的截面凍土帷幕最厚，在完好隧道一側的凍土壁發展最緩慢。凍結48d時此截面處的凍土壁才達到設計要求，D—D截面的平均温度達到了—17℃，滿足設計要求，可以轉入維護凍結階段。

3已建完好隧道端封水效果分析

為了監測凍土壁在完好隧道外側發展狀況，充分掌握凍土帷幕的封水效果，在下行線隧道內距封堵牆2環和3環管片（每環管片1m）上預留的注漿孔向外打探孔，佈置了7個測點。測到的温度值如表1所示。

從温度可以看出，管片外側距封堵牆1。5m處的土體已結冰，部分凍土壁已發展到距封堵牆2。5m外的地方。

由於開挖是從基坑內開始的，開挖到封堵牆位置處還需要時間，凍土壁可以進一步發展。因此，完好隧道端的凍土壁達到了預期的效果。

4施工工序對凍土帷幕温度影響分析

表2為江中暗挖施工工序及開始時間。當江中暗挖施工各工序施工時，必然會對凍土壁產生影響。圖4是在各工序施工時內外排凍結管之間T2測温孔附近的凍土帷幕温度時程曲線，圖5是在各工序施工時T測温孔測到的温度曲線。

由曲線可以看出，從暗挖工程施工開始，各測點附近的凍土壁温度都在升高，且澆築混凝土時各測點温度升得最高，隧道中部區域的温度接近0℃，這主要是由混凝土水化熱產生的。靠近地下連續牆的.測點，受空氣影響，温度一直較高。為了確保地下連續牆和凍土壁交界面的封水效果，特在積極凍結期每條隧道開挖洞門外，沿開挖面邊緣鋪設了2根凍結管，並在洞門外地下連續牆表面鋪設了泡沫保温板。採取這些措施後，取得了較好的效果，即便在開挖過程中，該交界面的温度也在—5℃以下，確保了工程的安全。

5結語

上海地鐵四號線修復江中段暗挖工程的成功再一次佐證了人工地層凍結法可形成承壓、封水凍土壁的獨特優勢，為凍結法在其他城市地下工程中的應用具有重要的參考價值。温度是計算凍土壁強度、厚度和平均温度的首要依據。通過合理佈置温度監測點，採用基於“一線總線”的温度監測系統，可以對凍土壁温度實現實時監測，從而實現信息化施工。通過温度數值和鹽水箱水位分析可實時掌握凍結系統的運行狀況和凍土壁的特徵，可確保凍結法施工安全。

參考文獻：

[1]胡向東，劉瑞鋒。基於“一線總線”的凍結法温度監測系統[J]。地下空間與工程學報，2007（5）：937—940。

[2]胡向東，程樺。上海軌道交通四號線凍土物理力學性能試驗研究報告[R]。合肥：安徽建築工業學院，2006。

[3]肖朝昀，胡向東，張慶賀。四排局部凍結法在上海地鐵修復工程中的應用[J]。巖土力學，2006（sup）：300—304。

[4]BaholdinBV。Selectionofoptimizedmodeofgroundfreezingforconstructionpurpose[M]。Moscow：StateConstructionPress，1963。

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