盾构出洞冻结法施工中的地下连续墙监测

盾构出洞冻结法施工中的地下连续墙监测
隧道网 (2007-2-6) 来源：中国市政工程
摘要：以某超大型盾构出洞冻结法施工中的地下连续墙监测为例，介绍了盾构出洞过程中地下连续墙所受冻胀压力、顶端水平位移和相对弯曲变形的监测疗法。

通过现场实测数据分析，证明用实时监测方法调整冻结和洞门凿除施工可
保证盾构安全顺利出洞。

关键词：冻结加固盾构出洞地下连续墙监测
盾构出洞是指盾构组装完成放置在事先安装好的机座上，所有施工准备就绪后，将盾构按设计高程及坡度推出预留工作井，贯入洞口地层并向前推进，直至盾构机完全进入地层的一系列作业[1]。

盾构出洞土体加固常用的方法有注浆加固、深层搅拌桩加固、旋喷桩加固、冻结加固等。

近年来由于盾构隧道埋深和断面的增大，迫切需要高强度的加固。

此外，由于拆除地下连续墙很费时间，故要求地层加固能长时间稳定。

对于大直径盾构出洞段穿越淤泥等含水量大的软弱地层时，为了使土层达到高强度和长时间稳定，且能与地下连续墙紧密粘结，冻结法能满足此类要求。

然而，采用冻结法在冻结期内存在地层膨胀问题。

土层中的自由水结冰会使周围地层产生附加应力，即冻胀压力。

冻胀压力虽然是一种临时荷载，但它对周围结构的作用远远超过水土压力。

因此不论在地下工程或煤矿立井的设计施工中均作为一种重要荷载加以考虑[2]。

对于大断面深埋盾构隧道，其出洞部位需要形成较厚的冻土壁以抵抗水土压力，由此产生的冻胀也更大。

实践证明，采取局部冻结，设置压力释放孔等措施可以有效控制冻胀。

但由于冻胀压力比水土压力大许多倍且缺乏数值预报，因此施工现场需要对冻胀压力进行实时监测。

盾构出洞冻结法施工时，地下连续墙在冻胀压力作用下发生变形。

为确保现场冻结施工和洞门凿除工作期间的安全，在重要部位预埋土压力传感器量测地层压力，并采用全站仪、测斜仪观测水平位移和弯曲变形。

此外，还可以在封洞梁浇注时预先布设钢筋计对梁内钢筋受力进行观测。

1 工程概况
某越江隧道工程，为双管双层双向4车道越江道路隧道，工程全长2.8 km。

隧道采用大直径泥水平衡盾构，盾构外径14.87 m，盾构长度12.6 m。

出洞口中心标高-11.35 m，洞口地面标高为+4.90 m。

盾构出洞时在工作井破洞口径15.2 m，出洞处钢筋混凝土地下连续墙厚度1.2 m。

盾构出洞洞门示意图如图1所示。

图1 洞门结构示意图
盾构出洞穿越土层主要为灰色淤泥质黏土、灰色粉质黏土。

灰色淤泥质黏土层土质均匀，夹极少量粉土，呈流塑状态；灰色粉质黏土层含水量高，孔隙率大，在盾构穿越该层时，受水头差的作用，极易产生涌砂、涌水现象。

冻结管布置具体见图2。

图2 地下连续墙和冻结管平面布置图
图2中C1～C14代表测温孔的位置。

冻结工程40 d时冻土帷幕厚度达4.34 m，此时凿除洞门墙厚0．6 m。

冻结53 d时开始墙体的分层凿除和围檩凿除，10 d内洞门完全凿除。

整个冻结工程至盾构推出冻结区，冷冻机组停机，冻结工期为100 d。

2 冻胀压力监测
冻胀压力是冻结管周围土中各点冻结膨胀形成的，作用在地下连续墙上可分解为沿表面的法向方向的法向冻胀力和沿与表面相切方向的切向冻胀力。

由于冻结区域深度较小，地表上部为自由面，冻胀容易向上发展，因此切向冻胀力对墙体的影响也可以忽略。

冻结加固体的法向冻胀力与地下连续墙的约束程度有直接关系。

如墙体比较稳固，则墙体承受的法向冻胀力可能很大。

但若墙体容易变形或变位，则法向冻胀力就可能较小，有试验表明冻胀力可能减小5倍左右[3]。

在墙体刚度确定的前提下，冻胀力的大小主要取决于土体。

资料显示，细粒土及粒径小于0.05 mm含量大于6％的粗粒土最容易发生冻胀变形。

大直径深埋盾构出洞段若穿越土层属冻胀性土，则在形成较厚冻结壁时必须考虑法向冻胀力对墙体的作用。

法向冻胀力监测采用钢弦式土压力传感器。

使用时如果墙体附近有测温孔，将压力传感器预先安装在测温管的外壁，随测温管一起打入土体中，测量墙后土层中冻胀压力。

此外，在洞门后等重要部位埋设压力传感器，观测墙体凿除期间墙后冻胀压力的变化。

压力传感器受力后，其频率信号通过屏蔽电缆引至地面监测站，由钢弦式频率接收仪量测，微机计算应力值。

从预埋的土压力传感器到微机计算得出应力值构成了整个冻胀压力监测系统。

1)监测方案。

在测温孔C7(如图2)内深度5 m、6.5 m、8 m的位置预埋压力传感器，测量地下连续墙附近冻土内的冻胀压力。

另外，现场在洞门内埋深15 m和21 m的位置分别布置压力传感器，共计5个冻胀压力测点，为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5，压力测点的具体位置见图3。

图3 洞门内冻胀压力测点分布图
2)监测分析。

C7内水土压力变化趋势，由图4可见，
图4 土层冻胀压力－时间实测曲线
沿深度方向，土体压力变化是顶部大、深部小的变化趋势，在冻结10～35 d内，即交圈期，土体的应力发生突变。

应力突变主要是由于在这一时期，大量水分相变，体积急剧膨胀所致。

交圈后由于冻土产生冻缩压力反而略有减小。

因施工的影响，洞门内冻胀压力传感器埋设时，前4排冻结管形成的冻结壁已经交圈，则现场测得的压力值是前冻结板块交圈后的冻胀压力变化情况；随着后7排冻结壁相继交圈，所测得的压力值逐渐升高。

一周内，洞门内冻胀压力达到最大值，Y1测点测得冻结壁对洞门内的最大冻胀压力为
0.465MPa。

墙体凿除期间，壁厚变小削减了限制土体冻胀变形的约束，压力得到释放，所测得的冻胀压力减小。

从两个不同深度的冻胀压力监测结果来看，由于冻土具有流变性，且应变率随着所受荷载
值的增大而增大，在相同时间内15 m位置测得的冻胀压力远小于2l m处的压力。

此受力状态直接决定了地下连续墙弯曲变形的形状。

3 变形监测
地下连续墙的变形监测一般可分为水平位移监测和相对弯曲变形监测两个方面。

由于忽略了切向冻胀力的作用，因此不考虑墙体平面内的变形。

位移测点固定在墙体顶端，利用前视固定点形成的测量基线，用全站仪测量各测点与基线间距离的变化。

相对弯曲变形监测预先在地下连续墙内埋设一条专门制造的测斜管，并用双向测斜仪测试测斜管的偏斜，得出弯曲变形量及变形曲线。

测斜管用PVC塑料制成，其内部有两对互成90。

角的测斜仪使用的“定向槽”。

1)监测方案。

墙体顶端布置3个测试点，为SW1、SW2、SW3，具体位置见图2。

弯曲变形监测的测斜管位于洞门中心线上，每隔0.5 m测试偏斜，得到相对弯曲变形曲线。

2)监测分析。

地下连续墙顶端位移监测变化曲线如图5所示。

图5 地下连续墙顶端位移变化曲线
可以看出：在冻结初期，冻胀压力较小，位移基本没有变化；在20 d左右冻结壁交圈前后位移略有增加，但由于墙体和封洞梁、围檩组成的围护结构刚度较大，位移变化不大。

冻结43 d时位移达到最大值4.68 mm，随后因冻土冷缩作用冻胀压力减小，位移略有减小。

随着墙体分层凿除和封洞梁、围檩的凿除，位移最大值达31.56 mm。

在围护结构刚度较大时，位移受冻胀压力的影响不大，并且随着冻结时间的增加冻胀压力还有减小的趋势。

洞门及其围护结构凿除过程中，墙体刚度减小，位移显著增大。

对于超大型盾构隧道，虽然冻结壁在未达到设计厚度时根据理论计算洞门可提前分层凿除，但施工过程中仍要有应急措施，达到位移警报值时应立即停止洞门凿除。

如果位移继续增大则需采取措施。

在冻结过程中对墙体相对弯曲变形进行了监测，图6为部分天数的弯曲变形曲线。

图6 地下连续墙相对弯曲变形曲线
从图6中可见：冻土交圈前后随着冻胀压力的增大，墙体相对弯曲越为剧烈，而后因冻土冷缩以
及墙体分层凿除冻胀压力得到释放，相对弯曲略有减小。

现场测得的弯曲变形可以看成是水土压力和冻胀力共同作用后的结果。

冻结前期冻胀力较小，可以视为只有水土压力的作用。

假设位移和变形是较小的，冻胀所引起的弯曲是交圈后弯曲变形与冻结前期弯曲变形的差值。

4 结语
冻结壁的设计是在完全凿除洞门后能独立抵抗水压．因此可在冻结壁未达到厚度前根据理论计算预先凿除部分墙体混凝土，为盾构出洞赢得时间。

通过墙后冻胀压力以及位移和弯曲变形的监测，一方面通过监测土体冻结过程中的受力和变形来指导冻结施工，保证地下连续墙的稳定；另一方面，变形的监测为预先凿除部分墙体的施工安全，提供了有力数据。

张水宾，岳丰田，朱学银，熊旺
(中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221008)
参考文献
1 秦爱芳，李永和．人工土层冻结法加固在盾构出洞施工中的应用[J]．岩土力学，
2004,25(11)．
2 吕善国．地铁车站下隧道冻结法施工压力监测[J]．中国市政工程，2004 1(6)：46—49.
3 陈树兴·浅析挡土墙冻胀的特点[J]·黑龙江水利科技，2003(2)。