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，采用基于“一線總線”的凍結法溫度監測系統進行現場實時監測，并依據監測數據，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，得出了凍土壁溫度場形成規律和積極凍結期結束時間，并分析了各施工工序對凍結壁的溫度影響。
關鍵詞：水平凍結，隧道修復，溫度場
引言
上海地鐵四號線修復江中暗挖段工程采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。
工程位于黃浦江河床下，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溫度有何影響。
水平凍結孔和測溫孔布置：每組去回路在回路上布置1個測點，在每組干管去路和回路上各設置1個測點，鹽水去回路共有59個測點。鹽水傳感器采用封裝在不銹鋼螺釘中的DS1820ST傳感器，測點布置在每組去回路的回路凍結管上。凍土帷幕溫度監測采用封裝有DS1820ST傳感器的測溫電纜，在凍結區域中共布置了11個測溫孔。采用基于“一線總線”的凍結法溫度監測系統[1]，實現了信息化實時監測，掌握凍結壁溫度場的變化規律，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
鹽水凍結系統于2007年2月13日開始運行，鹽水溫度快速下降。凍結4d，干管去路溫度降至—22。5℃，凍結14d溫度降到最低—30。1℃，以后積極凍結期干管溫度去路平均維持在—29。5℃左右。維護凍結從凍結44d后開始，維護凍結期干管去路溫度平均維持在—28。0℃左右。積極凍結期平均溫差為1。8℃，維護凍結平均溫差為1。0℃，說明凍結開始時熱交換量大，以后逐漸減少，進入維護凍結后熱交換達到穩定。
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。水位下降主要是由于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，去回路沒有發生漏液。
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溫度在—1。0℃~1。4℃之間。凍土壁達到設計的厚度，且平均溫度達到—12℃，積極凍結期才能結束，進入維護凍結期。
圖1為T2測孔各測點溫度時程曲線，由曲線可知，凍結17d時，T2測孔附近土體溫度已達到—5℃以下，此時T3測孔相同位置附近土體剛達到結冰溫度，說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區域剖面，在剖面上作4個截面，A—A截面位于凍土區與地下連續墻交界面處，B—B截面位于凍土區中間位置，C—C截面位于凍土區與隧道內封堵墻交界面，D—D截面位于完好隧道管片外凍結管末端處。采用蘇聯學者Б。В。Бахолин[3]提出的凍土帷幕厚度計算公式，以測溫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溫度，繪出如圖2，圖3所示的凍土帷幕厚度時程曲線和平均溫度時程曲線。
由曲線可知，位于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截面的平均溫度達到了—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墻2環和3環管片（每環管片1m）上預留的注漿孔向外打探孔，布置了7個測點。測到的溫度值如表1所示。
從溫度可以看出，管片外側距封堵墻1。5m處的土體已結冰，部分凍土壁已發展到距封堵墻2。5m外的地方。
由于開挖是從基坑內開始的，開挖到封堵墻位置處還需要時間，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溫度影響分析
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測溫孔附近的凍土帷幕溫度時程曲線，圖5是在各工序施工時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，各測點附近的凍土壁溫度都在升高，且澆筑混凝土時各測點溫度升得最高，隧道中部區域的溫度接近0℃，這主要是由混凝土水化熱產生的。靠近地下連續墻的測點，受空氣影響，溫度一直較高。為了確保地下連續墻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，并在洞門外地下連續墻表面鋪設了泡沫保溫板。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。溫度是計算凍土壁強度、厚度和平均溫度的首要依據。通過合理布置溫度監測點，采用基于“一線總線”的溫度監測系統，可以對凍土壁溫度實現實時監測，從而實現信息化施工。通過溫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征，可確保凍結法施工安全。
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