人工冻结工程监测数据分析

人工冻结工程监测数据分析

1地铁隧道冻胀问题研究随着社会经济的快速发展，城市建设项目的规模和难度日益严重。维护设计周围土壤的稳定性已成为施工过程中的一个技术难题。尤其是在沿海地区，地下水位较低，土层较薄（如粘土、粘土、沉积物层等）。在这样的复杂环境下，传统的施工方法不能维持周围土壤的稳定性，而应采用各种特殊的施工方法。其中之一就是人工冻结法。人工冻结法形成的人工冻土与末冻结土体相比,冻土的工程性质要复杂得多,其中最重要的原因是土体在冻结过程中有冰的形成.冰的形成往往导致土体体积增大和内部水分的重新分布,这使得土体的力学性质变得极不稳定.同时也是人工冻结技术在地铁隧道施工中的主要问题,主要表现在人工冻土的冻胀与融沉问题及其在施工过程中的控制方法,冻胀力对地铁隧道纵向变形的影响及其分析方法.关于前者,国内外已有众多学者进行了详细论述.一般认为地表冻胀量是所观测某点冻胀量沿冻深的叠加,而法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围内的积分,二者无直接联系;同时认为引起土体冻胀的主要原因在于水分迁移.迁移量越大,冻胀量越大,其危害也越大.关于冻胀力对地铁隧道纵向变形的影响及其分析方法,现有文献对盾构施工对地铁隧道结构影响的监测研究、人工冻土在不同温度下的泊松比及地铁结构纵向分析理论的研究为分析冻胀力对地铁结构变形影响确立了初步方法,这些广泛的理论研究是人工冻结施工影响分析的理论基础.本文主要通过上海地铁隧道的冻结法施工,分析人工冻土帷幕形成状况、人工冻土形成过程中冻胀力的变化规律,判断安全施工的条件,探讨控制冻胀力对环境影响的方法,以便为理论分析提供事实依据.2人工冻结工程2.1地铁线线—工程概况明珠线二期(M4)上海体育场(简称上体场)车站位于零陵路与漕溪北路丁字路口,呈东向西设置,为曲线车站,与原地铁一号线上体馆站呈“丁”字相接.明珠线二期上体场车站为地下三层结构,地铁一号线上体馆车站为地下二层结构,二者共用地下一层站厅层(如图1所示).明珠线上体场车站穿越地铁一号线施工段,与地铁一号线斜交成约79°,大致为东西向.根据扩初设计方案,穿越段结构由相邻的上行线(南)通道、两线换乘通道和下行线(北)通道三部分组成,结构横截面尺寸约为5.74m(高)×21.45m(宽),穿越段顶面紧贴地铁一号线车站底板,穿越段结构顶部绝对标高约为-10.08m,底板底标高约为-15.82m,地面绝对标高为4.19m.通过经济技术分析,确定采用水平孔冻结加固地层,用矿山法进行开挖和结构施工,即:采用水平孔间接冻结法加固穿越段结构周围地层,使外围土体冻结,形成强度高、封闭的冻土帷幕,然后在冻土帷幕中进行分区、分层开挖施工.根据土工试验资料,穿越段施工范围内土层的孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩,在动力作用下易流变,开挖后天然土体本身难以自稳.尤其是饱和砂质粉土夹粉质粘土,透水性好,易发生流沙,因此在该地层内施工,必须保证冻土帷幕的止水效果.2.2冻结孔和测温孔布置设计冻土帷幕厚度为2m.取冻结孔允许偏斜率为1%.冻结孔开孔间距为700～800mm,冻结孔布置圈与隧道结构外缘间距为1300mm.冻结孔成孔最大控制间距为1.2m,成孔与隧道外缘的最小控制间距为1100mm.布置主冻结孔62个,孔深为22.6m;布置辅助冻结孔27个,孔深为21.8m.考虑10%补孔率,冻结孔累计长度为2189m.设计最低盐水温度为-28～-30℃,并要求冻结7d盐水温度达到-20℃.维护冻结盐水温度一般不高于-20℃;冻土帷幕平均温度不高于-9℃;冻结孔单孔盐水流量为6～8m3·h-1;冻结管规格为φ89×6～8mm;设测温孔和泄压孔各12个,深度均为21.8m,泄压孔孔口安装泄压阀和压力表.泄压孔下测温管以兼作测温孔.每个测温管内布置3个测温点,测点位置为测温管的中部和两端;冻结总需冷量为92.18×104J·h-1.2.3冻胀吸收孔为了对冻结土体冻结温度场和侧向及竖向冻胀压力进行监测,在开挖断面上共布置7个测温孔(C1～C7)和5个测压孔(Y1～Y5),测温孔及测压孔具体布置图见图2.在各测温孔内深度为1.6m、6.6m、11.6m、16.6m和21.6m设测点.在测压孔内不同深度安装压力盒测定冻胀力,其中有效压力盒为Y11(表示Y1测压孔中的第一个压力盒)、Y12、Y21、Y22、Y31、Y41和Y51.为了监测冻结土体对一号线车站底板的影响,在一号线车站底板上布置4个测温孔(T1～T4),在每个测温孔内深度为0.3m、0.5m、0.7m、0.9m和1.1m处分别布置5个测点.为了控制冻胀力对一号线车站底板的不利影响,共设置4个冻胀吸收孔(S2～S5),在4个冻胀吸收孔中各布置两个测点,冻胀吸收孔具体的位置见图2.2.4监控数据2.4.1间接冻结法的运转为确保穿越工程顺利施工,在施工前首先进行了人工冻土形成系统的试运转,以保证系统正常.穿越段冻结自2003年6月10日开始,至2003年7月23日冻结43d.该间接冻结法的运转过程为:6月10日14:00运转一台冷冻机;6月13日12:00运转两台冷冻机;6月16日13:00中间一排冻结管Q21～Q28及冻结管Q12和Q33停止盐水循环;6月20日19:00全部恢复正常盐水循环;7月3日冻结管Q12和Q33停止盐水循环;7月7日中间一排冻结管Q21～Q28停止盐水循环;7月9日Q21～Q23冻结管开始盐水循环.2.4.2回路盐水管去路特性循环盐水冻结法中,循环盐水的温度是衡量人工冻土形成状况的主要指标.循环盐水的压力变化主要反映循环系统的水力损失.通过控制循环盐水的压力可以调整循环盐水的温度,从而对人工冻土的范围和强度进行控制.从图3可知,在测试期内干管去路与回路盐水温度变化规律基本一致.在开机时干管去路与回路盐水温度约为27℃,冻结5d(至6月14日)后,盐水温度降到-20℃以下,并保持在-20℃左右.干管去路与回路盐水温度差相对来说变化比较小,最大相差2℃,最小相差0.5℃,平均相差1℃左右.从图4可知,在测试期内盐水干管循环去路压力与回路压力基本保持稳定.其中,干管循环去路压力最大值0.44MPa,最小值0.36MPa,平均值0.4MPa左右;回路压力最大值0.36MPa,最小值0.25MPa,平均0.3MPa左右;去回路压力差最大值0.15MPa,最小值0.03MPa,平均0.1MPa左右.因此,整个测试期内冻结过程比较稳定,去回路压力变化小.2.4.3冻结系统设计合理、降低设备安全从图5～7可知,尽管不同测温点由于温度边界条件不同而实测温度差别较大,但各测温孔不同测点的温度随时间的变化规律和不同测温孔温度随时间的变化规律基本一致.说明人工冻土冻结系统设计合理,施工优良,基本能使土体中的温度平稳下降而形成稳定人工冻土帷幕.图中的一段升温现象是由于中间一排冻结管停止循环后又恢复时,吸收热量的突然增加,致使盐水循环温度有所上升,同时测温孔的温度变化也有升高的趋势,但很快就恢复正常的下降趋势.由于冻结管和测温管受偏斜和散热条件不同的影响,同一测温孔不同深度测点的温度变化有所差异.2.4.4冻结管盐水平衡从冻结管回路温度监测数据来看,冻结管回路温度相差不大.这说明盐水循环基本上平衡,但为确保形成稳定均匀的人工冻土帷幕,保证施工顺利完成和施工阶段地铁一号线的正常运营,仍要随着冻结的进行,通过对冻结管盐水流量的调节,使冻结管盐水循环更平衡,保证各冻结管周围冻土发展速度基本一致,以达到预期的冻结效果.2.4.5地铁的运行压力变化规律由于测压孔距冻结孔距离、测压孔周围边界条件、介质热传导特性和冻结工艺等因素对冻胀力的大小有明显影响,因此图8所示的冻胀力差异较大.在冻结前10d左右,所测压力基本不随时间而变化.由于该期测温孔监测数据表明土体温度仍在零度以上,所以其值主要反映土体在冻结前的初始压力;冻结10d后,除Y11、Y12和Y51压力变化不明显外,其余均呈现增大趋势,但增大速率有所不同,最大为Y41,最小为Y31,Y21和Y22介于中间.造成上述现象的主要原因有二:其一是Y11、Y12和Y51距离冻结管距离较远,均为900mm,而Y21、Y22、Y41和Y31分别为300mm、300mm、400mm和600mm;其二是Y11、Y12和Y51距离刚性约束边界地铁一号线上海体育馆站底板和地下连续墙较远.距离冻结管越远,土层温度越高,其冻胀力就越小,反之亦然;距离刚性约束边界越远,在同温度下冻结时冻胀力由于易变形土体受力后的变形而减小,而距离刚性约束边界越近,在同温度下冻结时冻胀力由于受到刚性约束而冻胀力较大.由于开始冻结24d后,为了控制冻胀量,在邻近Y21和Y22的冻结管Q12和邻近Y41的冻结管Q33停止盐水循环,因此,Y21、Y22和Y41附近温度回升而冻胀力出现明显减少趋势.这说明人为控制人工冻土形成过程能够实现控制冻胀力变化,所以,在人工冻土形成过程中的冻胀力对上海地铁一号线上海体育馆站底板的影响是可以控制的.2.4.6各深度上的降温速率从图9与图10可知,各测点温度随时间增加而降低,而且测温点的埋深越大温度越低,但与其它测温数据相比,其各深度上的降温速率明显小.地铁一号线车站混凝土底板靠近冻土墙的地方,温度从20℃下降到10℃左右.这主要由于受到地铁运营的影响,上部温度比较高,而且混凝土的导热率比土体大,从而车站底板的降温率相对其它测温孔数据明显小.2.4.7冻结温度随时间的变化从图11和图12可知,冻胀吸收孔内11m和6m处所测温度变化规律基本一致.在人工冻结系统运转大约10d后基本降到零度以下,大约24d后其温度出现先升后降.在同一吸收孔中,11m和6m处所测温度差随时间增长而减小.这主要由于四个冻胀吸收孔离冻结管的距离都比较近,所以人工冻结系统运转后温度下降比较快,很快降到0℃以下.又由于开始冻结24d后,为了控制冻胀量,邻近S2和S3的冻结管Q12和邻近S4和S5的冻结管Q33停止盐水循环,致使各冻胀吸收孔内温度先升后降.随着冻结过程的继续,冻土帷幕的逐渐形成,土层中的温度场逐渐趋于均匀稳定,其同一冻胀吸收孔内不同测点温度的差就越来越小.2.5不同测温孔温度随时间的变化规律本次测试的各项数据主要有施工区域及施工影响范围内的温度和人工冻土形成过程中产生的冻胀力.测量前者主要为了评价人工冻土的范围及其强度,确保人工冻土帷幕在施工中安全承受各种荷载.而测量后者主要为了确定冻胀力对周围环境的影响,尤其对地铁一号线上海体育馆站结构的影响,以判断其是否影响地铁的安全运营及车站结构的安全.根据上述各组观测数据的分析,可知:(1)在温度方面,在干管循环去路压力平均值0.4MPa左右、温度在-20℃左右,回路压力平均值0.3MPa左右、去回路压力差平均值0.1MPa左右、盐水温度差平均相差1℃左右的条件下,人工冻土范围的温度(根据测温孔、地板测温孔和冻胀吸收孔的温度)变化规律为:越靠近一号线车站底板,温度越高,如冻结40d时靠近一号线车站地板的C3温度约为4℃,而测温点C6处约为-7℃;越靠近冻结管的区域,温度越低,如冻结40d时靠近冻结管的测温点C6处约为-7℃,而S2处温度约为-10℃.不仅各测温孔不同测点的温度随时间的变化规律基本一致,而且不同测温孔温度随时间的变化规律也基本一致.由于冻结管和测温管受偏斜和散热条件不同的影响,同一测温孔不同深度测点的温度变化有所差异.尤其在靠近一号线车站底板的区域,由于车站内热量通过混凝土底板传递致使该处温度降速缓慢,在部分区域接近或超过冻土帷幕设计的平均温度-9℃时,底板附近温度还未达到负温.这必将成为冻土帷幕强度和止水作用的薄弱点,影响施工的顺利进行.因此,施工技术人员在施工前应该着重注意冻土帷幕区域的温度场问题,只有在该区温度达到设计值时才可进行施工.同时在冻土帷幕区域如何形成温度均匀的温度场也是科研人员应进一步研究的问题.(2)在冻胀力方面,在与上述同样的条件下,人工冻结范围的冻胀力(根据测压孔的压力)变化规律为:除个别点外,大多数测压点压力随温度降低和冻结时间的增加均呈现增大趋势,但增大速率有所不同,最大为Y41,最小为Y31,Y21和Y22介于中间.冻胀力的大小与测压孔距冻结孔距离、测压孔周围边界条件、介质热传导特性和冻结工艺等因素有关.距离冻结管越远,土层温度越高,其冻胀力就越小,反之亦然;距离刚性约束边界越远,冻胀力越小;而距离刚性约束边界越近,冻胀力越大.文献[1～7]认为地表冻胀量是所观测某点冻胀量沿冻深的叠加,而法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围内的积分,二者无直接联系.然而,本次实测数据表明在地铁一号线上海体育馆站底板和地下连续墙这样的刚性约束边界附近进行冻结时,土体冻结过程中的体积膨胀由于受到刚性约束而表现为冻胀力较大;而距离刚性约束边界较远时,人工冻土在同温度下的体积膨胀由于其周围易变形土体受力后的变形而表现为冻胀力较小.因此,在刚性约束条件下,人工冻土的冻胀量显然与冻胀力有关.而同样处于刚性约束边界附近的上海体育馆