人工地层水平冻结法研究论文

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摘要:结合上海地铁四号线修复工程,采用基于“一线总线”的冻结法温度监测系统进行现场实时监测,并依据监测数据,判别了冻结管是否漏盐水以及完好隧道段冻土壁的封水效果,得出了冻土壁温度场形成规律和积极冻结期结束时间,并分析了各施工工序对冻结壁的温度影响。

关键词:水平冻结,隧道修复,温度场

0引言

上海地铁四号线修复江中暗挖段工程采用水平冻结结合矿山法将原建在黄浦江下的完好隧道和基坑内施工的隧道进行暗挖贯通。

工程位于黄浦江河床下,施工风险很大,对冻结系统运行状况和冻土帷幕发展状况进行实时监测就显得尤为重要。在监测中主要考虑几个问题:冻结管是否漏盐水;冻土帷幕的性能;完好隧道一侧封水效果如何;暗挖施工过程对冻土壁温度有何影响。

水平冻结孔和测温孔布置:每组去回路在回路上布置1个测点,在每组干管去路和回路上各设置1个测点,盐水去回路共有59个测点。盐水传感器采用封装在不锈钢螺钉中的DS1820ST传感器,测点布置在每组去回路的回路冻结管上。冻土帷幕温度监测采用封装有DS1820ST传感器的测温电缆,在冻结区域中共布置了11个测温孔。采用基于“一线总线”的冻结法温度监测系统[1],实现了信息化实时监测,掌握冻结壁温度场的变化规律,将不可见、不可控转化为可见、可控,从而降低工程风险。

1盐水冻结系统运行状况分析

盐水冻结系统于2007年2月13日开始运行,盐水温度快速下降。冻结4d,干管去路温度降至-22.5℃,冻结14d温度降到最低-30.1℃,以后积极冻结期干管温度去路平均维持在-29.5℃左右。维护冻结从冻结44d后开始,维护冻结期干管去路温度平均维持在-28.0℃左右。积极冻结期平均温差为1.8℃,维护冻结平均温差为1.0℃,说明冻结开始时热交换量大,以后逐渐减少,进入维护冻结后热交换达到稳定。

在冻结过程中,每天用标尺测量盐水箱的盐水水位一次,盐水箱水位始终保持在34cm~35cm。水位下降主要是由于盐水箱内盐水蒸发损失产生的,且水位无突然下降情况出现,由此可以断定盐水冻结系统运转正常,去回路没有发生漏液。

2冻土帷幕的性能分析

根据冻土试验报告[2],冻土壁所在土层的冻结温度在-1.0℃~1.4℃之间。冻土壁达到设计的厚度,且平均温度达到-12℃,积极冻结期才能结束,进入维护冻结期。

图1为T2测孔各测点温度时程曲线,由曲线可知,冻结17d时,T2测孔附近土体温度已达到-5℃以下,此时T3测孔相同位置附近土体刚达到结冰温度,说明内外排冻结管之间的冻土壁已交圈。内排孔距开挖面1.0m,其冻土帷幕发展情况可由T4和T6测孔的温度值反映出来。

用T1测温孔中心线和上行线隧道中心线组成的平面作为冻结区域剖面,在剖面上作4个截面,A—A截面位于冻土区与地下连续墙交界面处,B—B截面位于冻土区中间位置,C—C截面位于冻土区与隧道内封堵墙交界面,D—D截面位于完好隧道管片外冻结管末端处。采用苏联学者Б.В.Бахолдин[3]提出的冻土帷幕厚度计算公式,以测温孔测点监测数据为参数,结合冻结孔的实际情况,可计算出不同冻结时间各截面位置处的冻土帷幕厚度和平均温度,绘出如图2,图3所示的冻土帷幕厚度时程曲线和平均温度时程曲线。

由曲线可知,位于冻结壁中部的截面冻土帷幕最厚,在完好隧道一侧的冻土壁发展最缓慢。冻结48d时此截面处的冻土壁才达到设计要求,D—D截面的平均温度达到了-17℃,满足设计要求,可以转入维护冻结阶段。

3已建完好隧道端封水效果分析

为了监测冻土壁在完好隧道外侧发展状况,充分掌握冻土帷幕的封水效果,在下行线隧道内距封堵墙2环和3环管片(每环管片1m)上预留的注浆孔向外打探孔,布置了7个测点。测到的温度值如表1所示。

从温度可以看出,管片外侧距封堵墙1.5m处的土体已结冰,部分冻土壁已发展到距封堵墙2.5m外的地方。

由于开挖是从基坑内开始的,开挖到封堵墙位置处还需要时间,冻土壁可以进一步发展。因此,完好隧道端的冻土壁达到了预期的效果。

4施工工序对冻土帷幕温度影响分析

表2为江中暗挖施工工序及开始时间。当江中暗挖施工各工序施工时,必然会对冻土壁产生影响。图4是在各工序施工时内外排冻结管之间T2测温孔附近的冻土帷幕温度时程曲线,图5是在各工序施工时T测温孔测到的温度曲线。

由曲线可以看出,从暗挖工程施工开始,各测点附近的冻土壁温度都在升高,且浇筑混凝土时各测点温度升得最高,隧道中部区域的温度接近0℃,这主要是由混凝土水化热产生的。靠近地下连续墙的测点,受空气影响,温度一直较高。为了确保地下连续墙和冻土壁交界面的封水效果,特在积极冻结期每条隧道开挖洞门外,沿开挖面边缘铺设了2根冻结管,并在洞门外地下连续墙表面铺设了泡沫保温板。采取这些措施后,取得了较好的效果,即便在开挖过程中,该交界面的温度也在-5℃以下,确保了工程的安全。

5结语

上海地铁四号线修复江中段暗挖工程的成功再一次佐证了人工地层冻结法可形成承压、封水冻土壁的独特优势,为冻结法在其他城市地下工程中的应用具有重要的参考价值。温度是计算冻土壁强度、厚度和平均温度的首要依据。通过合理布置温度监测点,采用基于“一线总线”的温度监测系统,可以对冻土壁温度实现实时监测,从而实现信息化施工。通过温度数值和盐水箱水位分析可实时掌握冻结系统的运行状况和冻土壁的特征,可确保冻结法施工安全。

参考文献:

[1]胡向东,刘瑞锋.基于“一线总线”的冻结法温度监测系统[J].地下空间与工程学报,2007(5):937-940.

[2]胡向东,程桦.上海轨道交通四号线冻土物理力学性能试验研究报告[R].合肥:安徽建筑工业学院,2006.

[3]肖朝昀,胡向东,张庆贺.四排局部冻结法在上海地铁修复工程中的应用[J].岩土力学,2006(sup):300-304.

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

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[7]马四新.冻结法在盾构始发和到达工程中的应用[J].山西建筑,2005,31(14):64-65.