王延廷，王 磊，李方政，劉志強(qiáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；4.中國鐵路工程集團(tuán)有限公司，北京 100055)

人工凍結(jié)法是礦井建設(shè)中的一種特殊施工方法，主要應(yīng)用于礦山井筒施工。1997年，凍結(jié)法成功應(yīng)用于中國市政工程，并在含水軟弱地層地下工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，解決了許多其他工法難以解決的工程難題[1]。近年來，中國軌道交通大規(guī)模建設(shè)，新建地鐵隧道下穿地面建筑、區(qū)間隧道等工程數(shù)量逐年增加，城市地表建筑密集的地區(qū)，不同軌道交通線路、地下結(jié)構(gòu)之間的隧道穿越工程逐年增多。凍結(jié)法作為富水地層新建隧道下穿既有結(jié)構(gòu)施工的重要方法[2–3]，具有隔水性好、施工靈活、無需降水等諸多優(yōu)勢，但凍結(jié)過程中會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，是凍結(jié)工法的最大弱點(diǎn)。富水地層含水量大、水分補(bǔ)給充沛，人工凍結(jié)產(chǎn)生的凍土體量大、凍結(jié)速度快，凍脹應(yīng)力容易引發(fā)上覆地表和相鄰建筑物出現(xiàn)不均勻變形，造成上覆結(jié)構(gòu)損壞，如圖1所示。

圖1 凍結(jié)隧道下穿上覆結(jié)構(gòu)凍脹作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of frost heaving effect of freezing tunnel under and overlying station

為保證凍結(jié)隧道下穿上覆結(jié)構(gòu)施工安全，有必要對上部結(jié)構(gòu)在凍結(jié)下穿過程中的變形規(guī)律進(jìn)行研究，對凍脹作用下的上覆結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行定量估算，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凍脹破壞。人工凍結(jié)法最早應(yīng)用于國外隧道下穿工程建設(shè)。1991年，維也納地鐵3號線區(qū)間隧道下穿大廈，隧道頂部距離大廈結(jié)構(gòu)底板2 m，Hinkel[4]監(jiān)測結(jié)構(gòu)不同位置的凍脹量為1～2 mm，開挖后上部結(jié)構(gòu)沉降量為7～9 mm。2002年，德國Fürth市新建雙線隧道凍結(jié)法下穿歷史建筑，隧道頂部距離結(jié)構(gòu)底板5 m，施工過程中上部結(jié)構(gòu)最大凍脹量為20 mm，開挖完成后最大沉降量為10 mm[5]。2005年，奧地利維也納地鐵6號線雙線隧道凍結(jié)下穿電信大樓，隧道頂部距離結(jié)構(gòu)底板1.6 m，Semprich[6]監(jiān)測得出大樓底板最大凍脹量為13 mm，開挖后凍脹量降低為3.0～8.5 mm。山田正男[7]基于某凍結(jié)工程，計算土體凍結(jié)引起的地表位移，得出地表位移計算的經(jīng)驗公式。

國內(nèi)在凍脹抬升方面研究多聚焦于凍脹引起的地表隆起。蔡海兵等[8]基于隨機(jī)介質(zhì)理論建立隧道凍結(jié)施工引起地表凍脹位移的歷時預(yù)測模型，得出了雙線隧道采用依次凍結(jié)方式可在一定程度上減小地層凍脹位移等結(jié)論。陽軍生[9]、陶德敬[10]等基于隨機(jī)介質(zhì)理論對凍結(jié)法施工引起的地表凍脹進(jìn)行研究，取得了大量有意義的結(jié)論。但這些研究的對象是地表變形，無法將地表變形預(yù)測公式應(yīng)用于凍結(jié)下穿結(jié)構(gòu)變形計算。上海明珠線二期上體場站區(qū)間隧道穿越地鐵1號線上體館站工程是中國凍結(jié)法下穿上部構(gòu)筑物的經(jīng)典案例，李方政[11]基于該工程得出凍脹與結(jié)構(gòu)相互作用的位移及接觸壓力，并采用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。2014年，無錫地鐵某區(qū)間隧道水平凍結(jié)下穿某商場，隧道頂部距離商場基礎(chǔ)底板3.7 m，施工完成后商場基礎(chǔ)底板沉降2.6 mm[12]。2017年，深圳軌道交通7號線某區(qū)間隧道凍結(jié)下穿兩層建筑及人行道工程[13]，施工監(jiān)測最大凍脹量為5.5 mm。2021年，南京市地鐵7號線下穿既有10號線中勝站采用MJS+人工凍結(jié)法加固，隧道交疊區(qū)結(jié)構(gòu)凈距0.6 m，趙宇輝等[14]對MJS加固后的凍結(jié)土體溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。常州地鐵1號線某區(qū)間隧道凍結(jié)下穿常州火車站基礎(chǔ)底板，隧道頂部距基礎(chǔ)底板3.75 m，馬俊等[15]使用凍結(jié)壁外圍卸水措施對凍脹抬升進(jìn)行控制。

以上工程可為凍結(jié)隧道下穿上覆結(jié)構(gòu)研究提供參考，但相關(guān)研究側(cè)重于凍結(jié)溫度場變化規(guī)律及工程效果評價，對凍土與結(jié)構(gòu)在不同工況下的相互作用規(guī)律的研究較少，難以為其他凍結(jié)下穿工程設(shè)計施工提供參考。

上海軌道交通18號線新建隧道穿越地鐵10號線國權(quán)路車站工程是上海地鐵建設(shè)中的特級風(fēng)險工程，擬建隧道處于富水軟土地層，采用凍結(jié)+礦山法開挖，開挖荒徑頂部距離車站底板1.4 m，隧道凍脹對上覆車站影響較大，施工風(fēng)險極高。為保證隧道凍結(jié)下穿上覆車站的施工安全，本文基于該工況進(jìn)行模型試驗和工程實測研究，對比不同施工方案引發(fā)上覆結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為凍結(jié)下穿工程提供設(shè)計參考。

1 工程概況

上海軌道交通新建18號線雙線隧道下穿運(yùn)營地鐵10號線車站，暗挖隧道與10號線車站豎直方向斜交，隧道長度為42.0 m，直徑為7.7 m，隧道中心線埋深22.2 m。凍結(jié)地層位于第⑤11灰色黏土層位，土體含水豐富，承載力低，土體性質(zhì)見表1。

表1 凍結(jié)土體參數(shù)Tab.1 Frozen soil parameters

工程設(shè)計凍結(jié)壁厚2 m，積極凍結(jié)期為45 d，在隧道內(nèi)部設(shè)計“十”字型凍結(jié)壁作為開挖支撐，上下行線隧道根據(jù)施工條件劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)段。隧道與車站位置如圖2所示。

圖2 隧道與車站位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tunnel and station location

由圖2可知，凍土與車站底板近距離接觸，不同凍結(jié)模式將對車站底板造成不同的凍脹變形。凍結(jié)鹽水溫度變化、取土卸壓、凍結(jié)三角區(qū)卸壓等凍脹控制措施也會對上部車站底板變形產(chǎn)生影響。為研究不同凍結(jié)模式引發(fā)上覆車站底板變形規(guī)律，根據(jù)設(shè)計方案提出以下兩種凍結(jié)模式：

1）全長凍結(jié)模式，全長凍結(jié)即同時開啟凍結(jié)的長度為上下行線全長（圖2中第Ⅰ段+第Ⅱ段），同時凍結(jié)上下行線的第Ⅰ段和第Ⅱ段，全長凍結(jié)45 d后凍結(jié)壁到達(dá)設(shè)計厚度。全長凍結(jié)工序簡單，可在短時間內(nèi)形成穩(wěn)固凍結(jié)壁，工期短；但單位時間所需冷量大，對凍結(jié)設(shè)備要求高。

2）分段凍結(jié)模式，即將上下行線基于Ⅰ、Ⅱ區(qū)段進(jìn)行錯時凍結(jié)。考慮實際施工過程中積極凍結(jié)時間和開挖工序銜接，將不同施工段錯開凍結(jié)時間設(shè)定為30 d。分段凍結(jié)方案可以減小單位時間供冷量，有利于工期組織和設(shè)備安排；但工期較長，分段凍結(jié)及開挖工序如圖3所示。首先，開始凍結(jié)上行線第Ⅰ段；錯時30 d后，開始凍結(jié)上行線第Ⅱ段；45 d后，上行線第Ⅰ段到達(dá)設(shè)計凍結(jié)壁厚度，進(jìn)行開挖；60 d后，開始凍結(jié)下行線第Ⅰ段；75 d后，上行線第Ⅱ段到達(dá)設(shè)計凍結(jié)壁厚度，進(jìn)行開挖；90 d后，開始凍結(jié)下行線第Ⅱ段；105 d后，下行線第Ⅰ段凍結(jié)壁到達(dá)設(shè)計厚度，進(jìn)行開挖；135 d后，下行線第Ⅱ段到達(dá)凍結(jié)壁設(shè)計厚度并開挖。

圖3 分段凍結(jié)試驗方案Fig.3 Experiment scheme of segmental freezing construction

雙線隧道凍結(jié)近接穿越上覆車站引發(fā)變形破壞的風(fēng)險較大，兩種凍結(jié)方案對上部車站底板產(chǎn)生的凍脹規(guī)律尚不明確。為保證凍結(jié)隧道施工安全，有必要對兩種方案進(jìn)行模型試驗研究，對比不同施工方案引發(fā)上覆結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，為施工提供設(shè)計參考。

2 物理模型試驗

試驗時，物理模型必須滿足溫度、濕度、應(yīng)力、位移等一系列相似準(zhǔn)則。1980年，Jumikis對人工凍結(jié)過程中的相似準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了諸多相似準(zhǔn)則，使模型試驗成為一種研究人工凍結(jié)規(guī)律的有效方法；1990年，崔廣心教授對煤礦建井過程中的人工凍結(jié)相似準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，并研發(fā)了凍結(jié)相似模擬試驗臺[16–17]。基于以上研究，試驗推導(dǎo)了人工凍結(jié)下穿上覆結(jié)構(gòu)工況下的各參數(shù)相似準(zhǔn)則方程。

2.1 相似準(zhǔn)則

1）低溫鹽水從土體中吸收熱量，然后將孔隙水凍結(jié)成冰，溫度場的相似準(zhǔn)則方程[16,18]可以表示為：

式中：Q為單位土體的潛熱，J/kg；c為土體比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度，℃；a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，t為時間，s；r0為徑向坐標(biāo)，m；rf為凍結(jié)管的外半徑，m；T0為初始溫度，℃；Ty為土體的冰點(diǎn)，℃；Tc為凍結(jié)管的表面溫度，℃。

試驗土體取自于現(xiàn)場，試驗過程中重新配置，調(diào)整密實度和含水量與原狀土一致。故可認(rèn)為內(nèi)摩擦角、泊松比、孔隙率等參數(shù)與原狀土相同。

濕度場的相似準(zhǔn)則方程[19]為：

式中：w為土體凍結(jié)后的濕度，%；w0為土體原始濕度，%。由濕度準(zhǔn)則可知，水遷移過程與導(dǎo)熱過程在數(shù)學(xué)上相似，兩者均遵循傅里葉準(zhǔn)則，因此在幾何相似的條件下，只要溫度場相似，濕度場可以達(dá)到“自模擬”而相似[17]。

2）凍結(jié)和開挖引起土體變形，應(yīng)力及位移場可以用無量綱形式表示[20]，即：

式中：σ為應(yīng)力，Pa；E為彈性模量，Pa；P為載荷，N；r為堆積密度，kg/m3；H為隧道深度，m；d為凍土的厚度，m；u為位移，m；ν為泊松比。

3）結(jié)構(gòu)因凍脹或融沉產(chǎn)生變形。由彈塑性力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)撓度us與剛度K成反比，即：

式中：K=EsI；Es為上覆結(jié)構(gòu)底板的彈性模量，Pa；I為靜矩，N·m。

基于以上相似準(zhǔn)則，各參數(shù)的相似比為：

式中，n為常數(shù)，CT、Cs、Ct，CL、Cρ和Cd分別為溫度、應(yīng)力、時間、長度、密度和位移的相似比。

2.2 試驗設(shè)計

根據(jù)凍結(jié)施工范圍及車站尺寸，邊界條件取凍結(jié)核心區(qū)域直徑的3～5倍；試驗同時考慮模型試驗的經(jīng)濟(jì)性和可行性，確定模擬施工邊界為長×寬×高=75 m×36 m×36 m。設(shè)定幾何相似比n=1/25，則試驗?zāi)Ｐ偷某叽鐬?.0 m×1.5 m×1.5 m，隧道模型直徑φ=280 mm。凍結(jié)溫度設(shè)定為?28 ℃，冷媒采用體積質(zhì)量為1 265 kg/m3的CaCl2溶液。時間比例n2=1/625，即模型試驗過程中的1 h相當(dāng)于實際過程的625 h。工程中積極凍結(jié)時間設(shè)定為45 d，換算得出試驗時間為104 min。根據(jù)總散熱量相等的原則，將實際布設(shè)的凍結(jié)管路換算為24根φ18的凍結(jié)管，材質(zhì)與工程中凍結(jié)管材質(zhì)相同，布置如圖4（a）所示。為實現(xiàn)分段凍結(jié)及開挖，在試驗土箱兩側(cè)布設(shè)凍結(jié)管，土箱兩側(cè)開挖，采用2個配液圈供冷，配液圈A為第Ⅰ區(qū)段提供冷量，配液圈B為第Ⅱ區(qū)段提供冷量。配液圈A、B上分別安裝有控制閥門，可以單獨(dú)控制隧道Ⅰ、Ⅱ區(qū)段的凍結(jié)循環(huán)。循環(huán)后的高溫鹽水匯集至集液圈返回冷凍機(jī)，如圖4（b）所示。在全長凍結(jié)模式中，第Ⅰ、Ⅱ區(qū)段配液圈同時開啟；在分段凍結(jié)模式中，上下行線Ⅰ、Ⅱ區(qū)段配液圈按試驗方案錯時開啟。

圖4 模型試驗管路系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the pipeline system in the similar simulation experiment

根據(jù)相似準(zhǔn)則，模型土體的重力密度應(yīng)為現(xiàn)場土體重力密度的25倍；因模型材料與原型相同，需采用離心[21]或者施加上覆荷載[22–25]的方法滿足土體重力密度相似比。試驗使用施加上覆荷載方法，根據(jù)上覆車站及土體總重量計算得出需加載80 t壓力，即反力架上安裝兩個伺服液壓油缸，每個油缸施加40 t壓力以滿足土體重力密度相似比，使用兩塊1.5 m×1.5 m的壓板將上覆荷載均勻分布在土體上，如圖5所示。

圖5 模型試驗系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of the similar simulation experiment

混凝土車站等比例縮小后容易被上覆載荷壓碎，因此，根據(jù)剛度相等準(zhǔn)則將車站模型材料由C35混凝土改為鋼材。顧寶和[26]、孫家樂[27]等認(rèn)為：由于上部結(jié)構(gòu)的剛度是在施工過程中逐步形成的，上部結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)有限，只有最下面幾層的剛度能夠發(fā)揮，故本次試驗取保守值；剛度換算僅考慮結(jié)構(gòu)底板的剛度，不考慮車站上部結(jié)構(gòu)的剛度。通過改變鋼底板的厚度以保證剛度相等，繼而使變形相等?；炷梁弯摰膹椥阅Ａ糠謩e為31.5和210.0 GPa。車站底板為矩形結(jié)構(gòu)，由矩形的靜矩可知：

式中，h為車站底板厚度，根據(jù)剛度相等準(zhǔn)則得出鋼制車站底板厚度為21 mm。

采用精度為0.1 ℃的DS18B20微型溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，將其布設(shè)在設(shè)計凍結(jié)壁的外緣，如圖4和6中的T1～T6。在車站底板寬度方向3等分處安裝6個精度為0.01 mm的百分表監(jiān)測底板變形，代號為A1、A2、B1、B2、C1、C2（圖6）。土箱開挖區(qū)域外側(cè)面為20 mm厚亞克力板，開挖時將亞克力板破拆，使用取芯鉆機(jī)鑿出土體模擬隧道開挖。

圖6 試驗開挖順序及位移傳感器位置Fig.6 Excavation sequence and the position of displacement sensors

2.3 試驗方案

連接試驗各系統(tǒng)，進(jìn)行3組試驗，應(yīng)變、位移、溫度數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。試驗于2018年10—12月進(jìn)行，工程于2018年12月進(jìn)場施工。

第1組試驗為全長凍結(jié)試驗，加載壓力80 t，不分段凍結(jié)，不開挖，試驗時間為104 min，對應(yīng)工程實際凍結(jié)時間為45 d。

第2組試驗分段凍結(jié)試驗，僅凍結(jié)，不開挖，加載壓力80 t，各段積極凍結(jié)完成以后轉(zhuǎn)入維護(hù)凍結(jié)，試驗時間為315 min，對應(yīng)工程實際凍結(jié)時間為135 d。

第3組試驗為分段凍結(jié)試驗，加載壓力80 t，采用分段凍結(jié)、分段開挖方法模擬實際工況，開挖模擬采用取芯鉆機(jī)掘進(jìn)。試驗時間315 min，對應(yīng)工程實際凍結(jié)時間135 d。

3 試驗結(jié)果及分析

提取溫度傳感器數(shù)據(jù)，可得積極凍結(jié)后，3組試驗凍結(jié)壁邊緣平均溫度分別為–4.60、–4.48和–4.42 ℃，表明分段凍結(jié)與全長凍結(jié)形成的凍結(jié)壁厚度可達(dá)到設(shè)計厚度。

3.1 全長凍結(jié)對車站底板產(chǎn)生的抬升

提取第1組（全長凍結(jié)）試驗數(shù)據(jù)，得出車站底板位移傳感器數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 全長凍結(jié)模式下車站底板位移隨時間變化Fig.7 Displacement of station base slab versus time induced by simultaneous freezing

由圖7可知：全長凍結(jié)模式下，6個傳感器數(shù)據(jù)偏差不大，但凍結(jié)壁正上方的底板抬升位移（A1、A2、B1、B2）大于下方無凍結(jié)壁的底板位移（C1、C2）；車站底板抬升模式為整體抬升，試驗得出抬升平均值為1.2 mm，可以換算得出實際工程平均抬升量為30.0 mm。

3.2 分段凍結(jié)對車站底板產(chǎn)生的抬升/沉降

試驗得出分段凍結(jié)與開挖過程中的車站底板位移量，將試驗時間換算為實際施工時間，車站底板在不開挖和開挖工況下的位移曲線如圖8所示，位移傳感器A2的數(shù)據(jù)因設(shè)備短路舍去。

圖8 不同施工工序下車站底板位移隨時間變化Fig.8 Displacement of station base slab versus time in different construction processes

圖8中，豎線1～4分別為凍結(jié)上行線第Ⅰ段和第Ⅱ段、下行線第Ⅰ段和第Ⅱ段的開始時間，虛線5～8為開挖上行線第Ⅰ段、第Ⅱ段、下行線第Ⅰ段和第Ⅱ段的開始時間。由圖8中不開挖工況下的試驗數(shù)據(jù)可知：上行線積極凍結(jié)、下行線未凍結(jié)時，下行線上部的車站底板仍然產(chǎn)生抬升，平均抬升位移為0.15 mm，換算后工程抬升量為3.75 mm，平均抬升速度為0.08 mm/d；當(dāng)下行線積極凍結(jié)時，處于維護(hù)凍結(jié)階段的上行線上方的底板也產(chǎn)生抬升。試驗中，分段凍結(jié)模式下的最大抬升位移為0.82 mm，換算為工程中的抬升量為20.50 mm，平均抬升速度為0.12 mm/d，約為全長凍結(jié)模式下凍脹位移的68%。分段凍結(jié)模式下的積極凍結(jié)時間135 d，可知分段凍結(jié)可以有效減少上部結(jié)構(gòu)的抬升位移但延長了工期。

由圖8中開挖工況下的試驗數(shù)據(jù)可知：隧道開挖引起上覆車站底板產(chǎn)生了明顯沉降，但是沉降后，車站底板再次被抬升，使底板位移曲線呈現(xiàn)鋸齒形。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為：當(dāng)上行線隧道開挖導(dǎo)致上部車站沉降時，下行線隧道上部底板仍處于積極凍結(jié)階段，凍脹對整體車站仍有較大的作用，因此，開挖區(qū)域的上部結(jié)構(gòu)沉降速度逐漸減小并再次抬升，造成上部車站底板的沉降和抬升交替出現(xiàn)。

分段開挖時，使用大功率取芯鉆機(jī)開挖土體，得出開挖4個區(qū)域的平均沉降分別為0.18、0.23、0.17和0.15 mm，相當(dāng)于工程中的4.50、5.75、4.25和3.75 mm。換算得出工程開挖約8 d后，結(jié)構(gòu)沉降趨于穩(wěn)定。根據(jù)平均沉降量可知，上行線Ⅱ段開挖時沉降最大。這是由于上行線隧道土體開挖后，上覆壓力完全由凍結(jié)壁支撐，造成下行線開挖后的沉降少于上行線開挖后的沉降。由于試驗開挖未考慮支護(hù)作用，且實際工程中采用臺階法開挖，試驗由于時間相似縮比難以做到相同條件，故該沉降規(guī)律僅作為參考。

4 工程實測數(shù)據(jù)分析

模型試驗得出的車站變形規(guī)律為后續(xù)施工方案的選擇提供了重要參考。工程于2018年12月至2020年8月期間完成了雙線隧道的凍結(jié)與開挖構(gòu)筑。為準(zhǔn)確監(jiān)測上覆車站底板抬升情況，施工期間在雙線隧道上方的車站底板上部布置一系列自動化監(jiān)測傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至控制中心。因上部車站施工期間正常運(yùn)營，無法將傳感器全部布置在隧道中心線正上方，布設(shè)位置如圖6所示。圖6中，SP1、SP2位于上行線上方車站底板，XP1、XP2位于下行線上方車站底板。

施工中，為保證凍結(jié)質(zhì)量，對積極凍結(jié)時間進(jìn)行延長，根據(jù)凍結(jié)壁擴(kuò)展情況實時調(diào)整了鹽水流量。監(jiān)測得出上覆車站底板凍脹變形數(shù)據(jù)如圖9所示，工序時間節(jié)點(diǎn)在圖中以編號1～8的形式進(jìn)行了標(biāo)注。時間節(jié)點(diǎn)及工序介紹見表2。

圖9 實際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Monitored data in actual engineering project

表2 時間節(jié)點(diǎn)及工序Tab.2 Timetable and construction procedures

由施工數(shù)據(jù)可知：

1）在凍結(jié)上行線第Ⅰ段時，下行線測點(diǎn)也出現(xiàn)了抬升，但抬升位移較小，如圖9中實線1到虛線2段間的曲線所示。該規(guī)律與試驗得出的規(guī)律相同，即分段凍結(jié)時車站底板同時抬升。

2）圖9中，上行線中實線1到虛線2段間的平滑段是因為工程中采用了取土卸壓、三角區(qū)卸壓、開挖等凍脹控制措施，有效控制了上行線上方車站底板的抬升。

3）上行線第Ⅰ段開挖時，上行線第Ⅱ段正在積極凍結(jié)，起始開挖速度低于凍結(jié)速度，因此上行線上方車站底板繼續(xù)迅速抬升；后因開挖致使抬升趨勢逐漸平緩，如圖9中虛線2到實線3之間的曲線所示。

4）下行線開機(jī)凍結(jié)后，凍脹位移增長速度較快，此時車站周圍土體溫度較低，下行線隧道的凍結(jié)壁迅速形成，產(chǎn)生較大的凍脹量，加之凍結(jié)上行線隧道時車站底板變形蓄能及土體與結(jié)構(gòu)之間的靜摩擦力減弱，使車站底板迅速抬升，該規(guī)律與模型試驗規(guī)律相似。由于人工凍土體量大、水分遷移劇烈，施工前期采用的取土卸壓、三角區(qū)卸壓等方法已經(jīng)難以緩解上覆車站的凍脹抬升。該階段車站底板最大抬升量為25.41 mm，盡管上行線正在開挖，但車站底板仍產(chǎn)生較大抬升，下行線開挖后抬升趨勢減弱，該規(guī)律與試驗呈現(xiàn)的規(guī)律一致。

5）實際工程中未出現(xiàn)試驗開挖中的迅速沉降現(xiàn)象，主要原因為：模型開挖時，取芯鉆機(jī)鉆出土體速度較快，在上覆壓力作用下，隧道出現(xiàn)較大沉降。實際施工中為避免出現(xiàn)隧道過大沉降，采用了臺階法開挖，將開挖隧道分為上、下兩個斷面，隨挖隨支，有效控制了上部結(jié)構(gòu)底板的沉降。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文基于上海軌道交通18號線新建隧道凍結(jié)穿越地鐵10號線國權(quán)路運(yùn)營車站工程工況，依據(jù)相似準(zhǔn)則進(jìn)行了模型試驗，研究了全長凍結(jié)和分段凍結(jié)兩種模式下，雙線水平凍結(jié)隧道對上部車站底板凍脹位移變化規(guī)律，并將試驗得出的規(guī)律與工程施工數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，主要得出以下結(jié)論：

1）模型試驗中，分段凍結(jié)模式對上覆結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大抬升量為20.5 mm，出現(xiàn)在下行線隧道凍結(jié)期間，小于全長凍結(jié)模式產(chǎn)生的抬升量30.0 mm。分段凍結(jié)模式產(chǎn)生的凍脹量小于全長凍結(jié)模式，在工期寬松時，應(yīng)采取分段凍結(jié)的方式減小凍脹對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響；當(dāng)工期嚴(yán)格時，可以采用全長凍結(jié)方式進(jìn)行施工，同時應(yīng)注意凍脹對上覆結(jié)構(gòu)的影響。

2）模型試驗中，雙線隧道凍結(jié)下穿運(yùn)營車站工程中，車站整體剛度較大，基礎(chǔ)底板受凍脹作用的抬升模式為整體抬升。模型試驗中，采用分段凍結(jié)、分段開挖施工時，凍脹抬升和開挖沉降交替產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板抬升位移曲線呈鋸齒形。實際施工過程中，可采用臺階法開挖，隨挖隨支，保障上覆結(jié)構(gòu)的安全。

3）模型試驗中，雙線隧道凍結(jié)過程中，下行線隧道積極凍結(jié)期間的抬升速度為0.12 mm/d，大于上行線凍結(jié)時的抬升速度0.08 mm/d。主要原因為：上行線隧道凍結(jié)時，車站底板變形蓄能及土體與結(jié)構(gòu)之間存在靜摩擦力，減緩了抬升速度；下行線隧道凍結(jié)時，蓄能及靜摩擦效應(yīng)均已減弱，且凍結(jié)過程中的水分遷移更加劇烈，造成下行線隧道凍結(jié)期間更大的凍脹速度和凍脹量。

4）實際工程中采用取土卸壓等方法降低凍脹，得出車站底板最大抬升量為25.41 mm。試驗得出的上覆車站底板變形規(guī)律與施工數(shù)據(jù)得出的規(guī)律相似，在底板抬升趨勢、開挖降低凍脹、分段凍結(jié)抬升規(guī)律等方面具有較好的指導(dǎo)意義，最終工程采用了分段凍結(jié)的方法進(jìn)行施工。

研究為凍結(jié)雙線隧道凍結(jié)近接下穿上覆結(jié)構(gòu)變形規(guī)律提供了參考，提高了工程設(shè)計的可靠性。試驗可以較好地預(yù)測施工風(fēng)險，為本工程和類似工程提供設(shè)計參考和數(shù)據(jù)支撐。

5.2 討論

1）本次模型試驗未考慮融沉影響，實際施工過程中，可以采用跟蹤注漿、多點(diǎn)注漿的方法減小融沉造成的地層沉降。

2）隨著中國城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā)，凍結(jié)近接穿越工程數(shù)量將進(jìn)一步增多。諸多凍脹控制措施中，分段凍結(jié)可有效控制凍脹的抬升，但其背后的機(jī)理仍需進(jìn)一步探索。在未來研究中，可基于凍脹的時空效應(yīng)，對分段凍脹與上覆結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入研究。