人工地層水平凍結(jié)法研究的論文
摘要：結(jié)合上海地鐵四號線修復(fù)工程，采用基于“一線總線”的凍結(jié)法溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，判別了凍結(jié)管是否漏鹽水以及完好隧道段凍土壁的封水效果，得出了凍土壁溫度場形成規(guī)律和積極凍結(jié)期結(jié)束時(shí)間，并分析了各施工工序?qū)鼋Y(jié)壁的溫度影響。
關(guān)鍵詞：水平凍結(jié)，隧道修復(fù)，溫度場
引言
上海地鐵四號線修復(fù)江中暗挖段工程采用水平凍結(jié)結(jié)合礦山法將原建在黃浦江下的完好隧道和基坑內(nèi)施工的隧道進(jìn)行暗挖貫通。
工程位于黃浦江河床下，施工風(fēng)險(xiǎn)很大，對凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和凍土帷幕發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測就顯得尤為重要。在監(jiān)測中主要考慮幾個(gè)問題：凍結(jié)管是否漏鹽水；凍土帷幕的性能；完好隧道一側(cè)封水效果如何；暗挖施工過程對凍土壁溫度有何影響。
水平凍結(jié)孔和測溫孔布置：每組去回路在回路上布置1個(gè)測點(diǎn)，在每組干管去路和回路上各設(shè)置1個(gè)測點(diǎn)，鹽水去回路共有59個(gè)測點(diǎn)。鹽水傳感器采用封裝在不銹鋼螺釘中的DS1820ST傳感器，測點(diǎn)布置在每組去回路的回路凍結(jié)管上。凍土帷幕溫度監(jiān)測采用封裝有DS1820ST傳感器的測溫電纜，在凍結(jié)區(qū)域中共布置了11個(gè)測溫孔。采用基于“一線總線”的凍結(jié)法溫度監(jiān)測系統(tǒng)[1]，實(shí)現(xiàn)了信息化實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握凍結(jié)壁溫度場的變化規(guī)律，將不可見、不可控轉(zhuǎn)化為可見、可控，從而降低工程風(fēng)險(xiǎn)。
1鹽水凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析
鹽水凍結(jié)系統(tǒng)于2007年2月13日開始運(yùn)行，鹽水溫度快速下降。凍結(jié)4d，干管去路溫度降至—22。5℃，凍結(jié)14d溫度降到最低—30。1℃，以后積極凍結(jié)期干管溫度去路平均維持在—29。5℃左右。維護(hù)凍結(jié)從凍結(jié)44d后開始，維護(hù)凍結(jié)期干管去路溫度平均維持在—28。0℃左右。積極凍結(jié)期平均溫差為1。8℃，維護(hù)凍結(jié)平均溫差為1。0℃，說明凍結(jié)開始時(shí)熱交換量大，以后逐漸減少，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)后熱交換達(dá)到穩(wěn)定。
在凍結(jié)過程中，每天用標(biāo)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。水位下降主要是由于鹽水箱內(nèi)鹽水蒸發(fā)損失產(chǎn)生的，且水位無突然下降情況出現(xiàn)，由此可以斷定鹽水凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，去回路沒有發(fā)生漏液。
2凍土帷幕的性能分析
根據(jù)凍土試驗(yàn)報(bào)告[2]，凍土壁所在土層的凍結(jié)溫度在—1。0℃~1。4℃之間。凍土壁達(dá)到設(shè)計(jì)的厚度，且平均溫度達(dá)到—12℃，積極凍結(jié)期才能結(jié)束，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)期。
圖1為T2測孔各測點(diǎn)溫度時(shí)程曲線，由曲線可知，凍結(jié)17d時(shí)，T2測孔附近土體溫度已達(dá)到—5℃以下，此時(shí)T3測孔相同位置附近土體剛達(dá)到結(jié)冰溫度，說明內(nèi)外排凍結(jié)管之間的`凍土壁已交圈。內(nèi)排孔距開挖面1。0m，其凍土帷幕發(fā)展情況可由T4和T6測孔的溫度值反映出來。
用T1測溫孔中心線和上行線隧道中心線組成的平面作為凍結(jié)區(qū)域剖面，在剖面上作4個(gè)截面，A—A截面位于凍土區(qū)與地下連續(xù)墻交界面處，B—B截面位于凍土區(qū)中間位置，C—C截面位于凍土區(qū)與隧道內(nèi)封堵墻交界面，D—D截面位于完好隧道管片外凍結(jié)管末端處。采用蘇聯(lián)學(xué)者Б。В。Бахолин[3]提出的凍土帷幕厚度計(jì)算公式，以測溫孔測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)為參數(shù)，結(jié)合凍結(jié)孔的實(shí)際情況，可計(jì)算出不同凍結(jié)時(shí)間各截面位置處的凍土帷幕厚度和平均溫度，繪出如圖2，圖3所示的凍土帷幕厚度時(shí)程曲線和平均溫度時(shí)程曲線。
由曲線可知，位于凍結(jié)壁中部的截面凍土帷幕最厚，在完好隧道一側(cè)的凍土壁發(fā)展最緩慢。凍結(jié)48d時(shí)此截面處的凍土壁才達(dá)到設(shè)計(jì)要求，D—D截面的平均溫度達(dá)到了—17℃，滿足設(shè)計(jì)要求，可以轉(zhuǎn)入維護(hù)凍結(jié)階段。
3已建完好隧道端封水效果分析
為了監(jiān)測凍土壁在完好隧道外側(cè)發(fā)展?fàn)顩r，充分掌握凍土帷幕的封水效果，在下行線隧道內(nèi)距封堵墻2環(huán)和3環(huán)管片（每環(huán)管片1m）上預(yù)留的注漿孔向外打探孔，布置了7個(gè)測點(diǎn)。測到的溫度值如表1所示。
從溫度可以看出，管片外側(cè)距封堵墻1。5m處的土體已結(jié)冰，部分凍土壁已發(fā)展到距封堵墻2。5m外的地方。
由于開挖是從基坑內(nèi)開始的，開挖到封堵墻位置處還需要時(shí)間，凍土壁可以進(jìn)一步發(fā)展。因此，完好隧道端的凍土壁達(dá)到了預(yù)期的效果。
4施工工序?qū)鐾玲∧粶囟扔绊懛治?/strong>
表2為江中暗挖施工工序及開始時(shí)間。當(dāng)江中暗挖施工各工序施工時(shí)，必然會(huì)對凍土壁產(chǎn)生影響。圖4是在各工序施工時(shí)內(nèi)外排凍結(jié)管之間T2測溫孔附近的凍土帷幕溫度時(shí)程曲線，圖5是在各工序施工時(shí)T測溫孔測到的溫度曲線。
由曲線可以看出，從暗挖工程施工開始，各測點(diǎn)附近的凍土壁溫度都在升高，且澆筑混凝土?xí)r各測點(diǎn)溫度升得最高，隧道中部區(qū)域的溫度接近0℃，這主要是由混凝土水化熱產(chǎn)生的。靠近地下連續(xù)墻的測點(diǎn)，受空氣影響，溫度一直較高。為了確保地下連續(xù)墻和凍土壁交界面的封水效果，特在積極凍結(jié)期每條隧道開挖洞門外，沿開挖面邊緣鋪設(shè)了2根凍結(jié)管，并在洞門外地下連續(xù)墻表面鋪設(shè)了泡沫保溫板。采取這些措施后，取得了較好的效果，即便在開挖過程中，該交界面的溫度也在—5℃以下，確保了工程的安全。
5結(jié)語
上海地鐵四號線修復(fù)江中段暗挖工程的成功再一次佐證了人工地層凍結(jié)法可形成承壓、封水凍土壁的獨(dú)特優(yōu)勢，為凍結(jié)法在其他城市地下工程中的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。溫度是計(jì)算凍土壁強(qiáng)度、厚度和平均溫度的首要依據(jù)。通過合理布置溫度監(jiān)測點(diǎn)，采用基于“一線總線”的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以對凍土壁溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)信息化施工。通過溫度數(shù)值和鹽水箱水位分析可實(shí)時(shí)掌握凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和凍土壁的特征，可確保凍結(jié)法施工安全。
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