黃豐，石榮劍，岳豐田，張勇，陸路

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116)

盾構(gòu)始發(fā)和接收施工中常用人工凍結(jié)法來改良地層，以維護(hù)洞門鑿除時(shí)工作井外部土體的穩(wěn)定[1]，特別是在軟弱富含水地層中，凍結(jié)加固形成的凍土具有均勻性高、封水效果好的特點(diǎn)[2]。但凍土形成過程中產(chǎn)生的凍脹作用[3]會(huì)引起工作井槽壁和周圍地層變形，而盾構(gòu)始發(fā)前需對洞門處槽壁進(jìn)行鑿除，此時(shí)，較大的凍脹力極易對槽壁造成破壞，影響盾構(gòu)的正常始發(fā)，甚至造成較大的安全事故，特別是在大直徑盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)施工中，由于基坑槽壁深、形成凍土體積大，凍脹引起槽壁變形更加不容忽視[4]。在凍結(jié)過程中，凍脹變形和凍脹力的變化與凍土約束條件緊密相關(guān)，施工前很難準(zhǔn)確確定槽壁承受的凍脹力，因此，在盾構(gòu)始發(fā)工作井設(shè)計(jì)中一般不考慮凍脹力的作用，而是通過槽壁變形監(jiān)測結(jié)果來評價(jià)凍結(jié)施工中凍脹的影響，并采取相應(yīng)措施來保證工作井槽壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。

對于大直徑盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)加固工程來說，控制凍脹影響不僅是維護(hù)工作井穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是保證盾構(gòu)正常始發(fā)施工的技術(shù)要求[6]，眾多學(xué)者針對盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)加固過程開展了一系列研究，而數(shù)值模擬方法是分析凍脹影響的常用手段。針對盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)加固特點(diǎn)，姚直書等[7]通過數(shù)值模擬方法研究了凍脹力變化規(guī)律，建立了水平凍脹力和凍結(jié)壁厚度的關(guān)系。丁烈云等[8-9]基于武漢和南京地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)施工的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計(jì)算方法分析了盾構(gòu)始發(fā)段地層的變形規(guī)律，獲得了地表沉降計(jì)算曲線，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)期間地表最大變形量可達(dá)到35.5 mm。ZHANG 等[10]針對盾構(gòu)端頭凍結(jié)施工的復(fù)雜工況條件，通過數(shù)值模擬方法分析凍結(jié)過程中水、熱、力耦合的變化，研究了埋深、凍結(jié)溫度和凍結(jié)壁厚度對地表凍脹變形的影響。楊紀(jì)彥等[11-12]通過數(shù)值模擬方法研究了盾構(gòu)始發(fā)凍結(jié)施工過程中溫度場變化規(guī)律，分析了不同地質(zhì)條件對盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)施工的影響?；诠こ淘偷哪Ｐ蛯?shí)驗(yàn)也是分析凍脹影響的有效手段，姚直書等[13]通過深基坑排樁模型實(shí)驗(yàn)研究凍脹對排樁的影響，測得最大水平凍脹力達(dá)到0.238 MPa，而通過設(shè)置卸壓孔等施工措施可以將凍脹力降低到0.133 MPa；黃建華[14-15]通過凍結(jié)過程中應(yīng)力場、溫度場和應(yīng)變場耦合分析的方法來研究凍脹變形特征、凍脹特性與周圍約束條件的關(guān)系，分析了凍脹對止水帷幕結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；YANG等[16]采用盾構(gòu)始發(fā)段液氮凍結(jié)加固實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了0.15 MPa 水壓力下凍結(jié)加固體的密封效果，分析了凍結(jié)加固對周圍環(huán)境的影響。由于槽壁變形和盾構(gòu)推進(jìn)施工也會(huì)影響凍脹作用的演變過程[17-18]，因此，考慮施工工況的現(xiàn)場實(shí)測方法是評價(jià)凍脹影響的直接手段。楊平等[19-20]通過對盾構(gòu)工作井凍結(jié)加固溫度場的現(xiàn)場監(jiān)測，分析了地質(zhì)條件、地下水滲流以及地層改良對溫度場分布特征的影響；HU等[21]針對大直徑盾構(gòu)工作井垂直凍結(jié)施工監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)溫度變化對地表凍脹變形會(huì)產(chǎn)生明顯影響，而溫度場的分布特征和演變也會(huì)引起凍土凍脹力和凍脹變形的變化[22-23]，深基坑排樁凍結(jié)施工中實(shí)測的凍脹壓力可達(dá)到主動(dòng)土壓力的37%～184%，最大凍脹力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值[24]。

已有研究結(jié)果表明，盾構(gòu)始發(fā)過程中凍脹會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯影響，而周圍環(huán)境約束條件又會(huì)影響凍脹的演變過程，因此，深基坑槽壁變形和承受的凍脹力是評價(jià)凍脹影響的關(guān)鍵因素，對兩者之間協(xié)調(diào)關(guān)系的準(zhǔn)確評價(jià)也是數(shù)值模擬方法分析凍脹影響的基礎(chǔ)。由于工作井混凝土槽壁的強(qiáng)度遠(yuǎn)比地層的強(qiáng)度高，已有研究多關(guān)注地層的凍脹變形和槽壁承受的凍脹力，而忽略混凝土槽壁的變形，這會(huì)使研究結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。特別是對于大直徑盾構(gòu)始發(fā)段的凍結(jié)加固工程來說，槽壁承受凍脹力和變形的變化規(guī)律不僅是工作井設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而且是評價(jià)工作井槽壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。上海上中路隧道是國內(nèi)第一條直徑超過14 m 的超大直徑隧道[25]，本文作者通過對盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)工程的現(xiàn)場監(jiān)測，分析槽壁變形和承受凍脹力的變化特征，獲得凍結(jié)加固施工對槽壁的影響規(guī)律，研究成果可供大直徑盾構(gòu)始發(fā)段凍結(jié)加固設(shè)計(jì)、施工和相關(guān)研究時(shí)參考。

1 凍結(jié)工程施工過程

1.1 工程概況

上海上中路越江隧道選用直徑為14.87 m的泥水平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)始發(fā)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m 厚的C30 鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，深度為48 m。工作井底板深度為24.5 m，槽壁上洞門直徑為15.2 m，洞門中心標(biāo)高為-11.35 m，地面標(biāo)高為+4.90 m。盾構(gòu)始發(fā)段施工范圍涉及的地層為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③、灰色淤泥質(zhì)黏土④、灰色粉質(zhì)黏土⑤，采用凍結(jié)板塊加門型拱棚凍結(jié)方案進(jìn)行地層改良，影響槽壁變形的前凍結(jié)板塊由間距為1.5 m 的4 排凍結(jié)孔形成，凍結(jié)孔深度為27 m，間距為1 m，呈梅花形布置，如圖1所示。

1.2 測點(diǎn)布置

為了減小測溫管對盾構(gòu)推進(jìn)施工的影響，在盾構(gòu)推進(jìn)線路上布置2個(gè)深度為8 m的淺測溫孔C7和C12，在盾構(gòu)推進(jìn)線路外布置4個(gè)深度27 m的深測溫孔C4，C5，C6 和C8，用于監(jiān)測凍結(jié)范圍內(nèi)地層溫度變化，更好地評價(jià)凍結(jié)壁的質(zhì)量，保證盾構(gòu)始發(fā)時(shí)的工程安全。利用C6 測溫鋼管的固定作用，在其外部橫向布置6個(gè)壓力計(jì)[26]，用于監(jiān)測凍結(jié)過程中凍土的凍脹壓力。為了監(jiān)測工作井變形，在槽壁頂部設(shè)置3 個(gè)位移測點(diǎn)SW1，SW2 和SW3，在槽壁內(nèi)部豎向埋設(shè)深度為45 m的測斜管，通過測斜儀監(jiān)測槽壁的彎曲變形，具體測點(diǎn)布置如圖1所示。待凍結(jié)壁交圈后，從工作井槽壁內(nèi)側(cè)水平鉆孔，在洞門中心和邊側(cè)位置各布置1個(gè)壓力計(jì)，用于監(jiān)測槽壁承受的凍脹壓力。

圖1 凍結(jié)區(qū)域布置圖Fig.1 Layout of frozen area

1.3 凍結(jié)施工過程

工作井開挖及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行凍結(jié)孔施工，凍結(jié)加固范圍為洞門四周3 m區(qū)域，凍結(jié)管上部5.5 m 范圍采用接長回液管的局部凍結(jié)模式。對4排凍結(jié)管同時(shí)開始凍結(jié)施工，凍結(jié)38 d后開始分層鑿除洞門內(nèi)混凝土，凍結(jié)68 d 后開始盾構(gòu)始發(fā)推進(jìn)施工，盾構(gòu)推出凍結(jié)區(qū)域完成洞門密封后停止凍結(jié)。凍結(jié)過程共進(jìn)行97 d，在施工過程中，對地層溫度、凍脹壓力和槽壁變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 凍結(jié)溫度場的變化過程

凍結(jié)過程中，C6、C7 測溫孔內(nèi)不同深度的測點(diǎn)溫度變化如圖2所示。從圖2可以看出，不同深度測點(diǎn)的溫度變化規(guī)律基本一致，僅在深度為5.5 m和27 m的凍結(jié)區(qū)域上、下兩端位置，受到冷媒循環(huán)末端和周圍未凍地層的雙重影響，測點(diǎn)溫度偏高3～4 ℃，但在完全破除洞門前土體溫度均低于-20 ℃，凍結(jié)壁整體質(zhì)量滿足凍結(jié)設(shè)計(jì)要求。盾構(gòu)推進(jìn)線路上淺測溫孔C7 和邊界位置深測溫孔C6 的溫度變化規(guī)律基本一致，說明槽壁外形成凍結(jié)壁整體較均勻。

圖2 不同深度溫度變化曲線Fig.2 Temperature curves at different depths

從不同凍結(jié)時(shí)間的測點(diǎn)溫度變化過程可以看出，土體溫度在積極凍結(jié)、洞門槽壁破除和盾構(gòu)推進(jìn)3個(gè)不同施工階段的變化規(guī)律存在差別。受密集布孔良好凍結(jié)效果的影響，初始凍結(jié)期土體降溫梯度大，凍結(jié)開始10 d，測點(diǎn)溫度即降到0 ℃左右。受水結(jié)冰釋放潛熱影響，地層溫度在0 ℃維持近10 d，至凍結(jié)22 d 后，土體才全部進(jìn)入負(fù)溫狀態(tài)，使測點(diǎn)溫度明顯下降。凍結(jié)38 d 后，凍土溫度均低于-20 ℃，開始洞門混凝土鑿除施工。受表面保溫層拆除影響，土體溫度稍有上升，但溫升幅度不大，不會(huì)明顯降低凍土強(qiáng)度。凍結(jié)68 d，洞門完全鑿除后開始盾構(gòu)始發(fā)推進(jìn)，初始推進(jìn)階段對凍土溫度影響較小，凍結(jié)80 d 后，盾構(gòu)完全進(jìn)入凍土區(qū)域，設(shè)備熱量使土體溫度明顯升高，C7測溫孔中深度8.5 m 處的測點(diǎn)距離盾構(gòu)邊緣0.5 m，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中溫度升高近15 ℃，凍土強(qiáng)度明顯降低，因此，施工中應(yīng)注意監(jiān)測盾構(gòu)周圈凍土的穩(wěn)定性，避免影響盾構(gòu)正常推進(jìn)施工。

2.2 凍土的凍脹力變化過程

凍結(jié)過程中C6 測溫孔處不同深度的凍脹力變化曲線如圖3所示。壓力計(jì)固定在直徑為89 mm的測溫鋼管上，測試過程中壓力計(jì)不會(huì)發(fā)生水平移動(dòng)，所以，獲得的凍脹力為凍結(jié)壁內(nèi)最大凍脹力。從圖3可以看出，在凍結(jié)開始20 d內(nèi)的初始凍結(jié)階段，由于槽壁外未完全形成凍土，凍結(jié)壁之間的未凍土可以吸收凍土的凍脹作用，因此，不同深度的凍脹力均維持在原始地層壓力水平，未發(fā)生明顯變化。隨著槽壁外未凍土的消失，凍土的凍脹力開始增加，特別是凍結(jié)25 d 后，土體溫度降低會(huì)明顯提高凍土強(qiáng)度和彈性模量，使凍脹力明顯增加。凍結(jié)38 d 后，凍土凍脹力達(dá)到最大值，并維持基本穩(wěn)定，此時(shí)，凍土溫度均低于-20 ℃。

圖3 不同深度凍脹力變化曲線Fig.3 Curve of frost heave pressure at different depths

受到洞門混凝土鑿除、盾構(gòu)推進(jìn)等后續(xù)施工的影響，凍土的凍脹力會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。洞門混凝土鑿除施工降低了周圍土體對凍土的限制作用，導(dǎo)致凍土凍脹力減小，而盾構(gòu)推進(jìn)施工又會(huì)造成土體壓力增加，從而使凍脹力變大，因此，凍土周圍約束作用的變化會(huì)明顯改變凍脹力。

2.3 槽壁承受凍脹力的變化過程

凍結(jié)38 d 后，槽壁外凍結(jié)壁溫度均低于-20 ℃，從工作井槽壁內(nèi)側(cè)施工水平孔來布置凍脹壓力計(jì)，測試槽壁承受的凍脹壓力，凍結(jié)過程中洞門中心和側(cè)邊位置槽壁承受凍脹力的變化曲線如圖4所示。

圖4 槽壁凍脹力變化曲線Fig.4 Change curve of frost heave pressure

從圖4可以看出，水平鉆孔布置凍脹壓力計(jì)2～3 d 后即可測試到槽壁承受的最大凍脹力，說明槽壁外凍結(jié)壁在沒有支撐的條件下其變形速率較快，施工中需要及時(shí)支撐暴露的凍結(jié)壁，以減少開挖后凍結(jié)壁變形。洞門內(nèi)混凝土采用分層剝離方式進(jìn)行破除，凍結(jié)46 d 時(shí)槽壁強(qiáng)度降低使槽壁變形增加，導(dǎo)致槽壁承受的凍脹力變小，洞門側(cè)邊位置的凍脹力從0.465 MPa 減小至0.372 MPa。凍結(jié)58 d時(shí)，洞門剝離至槽壁外側(cè)最后一層鋼筋，洞門側(cè)邊的凍脹力仍有少許下降，由于鋼筋尚未割除，凍脹壓力變化幅度不大。

洞門中心和側(cè)邊凍脹壓力計(jì)的埋設(shè)深度均為16.25 m，凍結(jié)44 d 時(shí)，實(shí)測最大凍脹力分別為0.465 MPa 和0.144 MPa，而C6 測溫孔位置深度16 m處的最大凍脹力達(dá)到 0.686 MPa。洞門位置最大凍脹力偏小的原因是洞門內(nèi)混凝土的鑿除施工引起槽壁變形削弱了槽壁對凍土的約束作用，釋放部分凍脹變形，從而減小了槽壁承受的凍脹力。而洞門中心位置凍脹力小于洞門側(cè)邊位置的凍脹力，其原因也是洞門破除期間中心位置的槽壁變形大于側(cè)邊的槽壁變形，較大的槽壁變形釋放了部分凍脹力。因此，考慮到凍結(jié)施工期間槽壁變形影響，采用凍土最大凍脹力進(jìn)行槽壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是偏安全的，施工中，通過減少槽壁支撐強(qiáng)度等措施允許槽壁產(chǎn)生一定變形，也可以降低其承受的凍脹力，減小槽壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力。

2.4 槽壁頂端位移的變化過程

凍結(jié)施工期間，工作井槽壁頂端位移變化曲線如圖5所示 。

圖5 槽壁頂端位移變化曲線圖Fig.5 Variation curve of top displacement of groove wall

從圖5可以看出：受到凍土形成過程中凍脹作用影響，槽壁頂端整體向工作井內(nèi)部偏移；在開始凍結(jié)22 d 的初始凍結(jié)階段，槽壁外部未凍土及高溫凍土的強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)比槽壁混凝土的小，因此，凍脹作用主要被地層變形吸收，槽壁頂端位移較?。浑S著凍結(jié)壁完全交圈及凍土溫度降低，槽壁頂端位移開始增加，凍結(jié)38 d 時(shí)，其位移達(dá)到5.12 mm，凍土溫度均低于-20 ℃，凍土強(qiáng)度和彈性模量顯著提高；凍結(jié)38 d 后，分層鑿除洞門混凝土削弱了凍土的限制作用，凍脹力的降低也導(dǎo)致槽壁頂端位移減小，但隨著洞門鑿除造成槽壁整體支撐作用減弱，槽壁頂端的變形量明顯增加。

SW1，SW3 和SW2 測點(diǎn)分別位于槽壁兩端和中心位置，受到工作井兩側(cè)側(cè)墻的支撐作用，SW1 和SW3 測點(diǎn)的水平位移明顯小于中間位置的SW2 測點(diǎn)的水平位移，而SW3 測點(diǎn)距離左側(cè)側(cè)墻更近，此處的水平位移最小。因此，工作井槽壁頂端變形沿槽壁軸線方向近似呈弧形分布，洞門中心位置的水平位移最大，盾構(gòu)始發(fā)前最大位移達(dá)到28.76 mm。

2.5 槽壁彎曲變形的變化過程

以槽壁頂端為基準(zhǔn)，通過不同深度槽壁水平位移來表征槽壁的彎曲變形，凍結(jié)期間不同深度槽壁水平位移的分布曲線如圖6所示，圖中位移以遠(yuǎn)離凍結(jié)區(qū)域方向?yàn)樨?fù)。

圖6 槽壁彎曲變形曲線Fig.6 Bending deformation curve of groove wall

從圖6可以看出，由于上部地層采用局部凍結(jié)方式，受較弱凍脹作用及淺部槽壁自由變形影響，在凍結(jié)過程中，6 m深度范圍的槽壁水平位移相差不大，槽壁未產(chǎn)生彎曲變形。在工作井底板的支撐作用下，底板上部和下部槽壁分別向工作井內(nèi)、外產(chǎn)生彎曲變形。槽壁承受凍脹力是引起工作井槽壁彎曲變形的直接原因，凍土凍脹作用使凍結(jié)范圍槽壁向工作井內(nèi)部產(chǎn)生彎曲變形，最大水平位移約2.11 mm，出現(xiàn)在深度10～20 m 的范圍內(nèi)。受到工作井底板支撐作用影響，深度24.5 m 處槽壁水平位移較小，而底板以下槽壁向土層方向彎曲變形，深度35～40 m 范圍的最大水平位移約為3.62 mm。

從凍結(jié)范圍內(nèi)槽壁彎曲變形的變化過程看，隨著凍結(jié)過程中凍脹力增加，凍結(jié)范圍內(nèi)槽壁水平位移持續(xù)增大，最大水平位移出現(xiàn)在凍結(jié)30～40 d 期間，由圖3 和圖4 可以看出，此時(shí)凍結(jié)壁內(nèi)的凍脹力也達(dá)到最大值。隨著洞門混凝土鑿除造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移增加，減小了槽壁承受的凍脹力，使槽壁彎曲變形變小，凍結(jié)60 d 時(shí)，工作井底板上部槽壁的最大水平位移僅為1.21 mm。

3 討論

3.1 凍結(jié)過程對槽壁變形的影響分析

凍結(jié)過程中工作井槽壁承受凍脹力與頂端位移的變化曲線如圖7所示。在初始凍結(jié)階段，凍土的凍脹作用主要引起未凍土壓縮變形。從圖7可以看出：初始凍結(jié)階段凍脹力和槽壁位移的變化幅度較??；凍結(jié)15 d 后，凍結(jié)壁開始交圈，隨著槽壁外未凍土的消失，凍土凍脹力逐漸增大，特別是凍結(jié)25 d 后，整體凍結(jié)壁的平均溫度持續(xù)降低提高了凍土整體強(qiáng)度，從而使凍結(jié)壁內(nèi)的凍脹力明顯增加，此時(shí)，槽壁混凝土的強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)大于凍土的強(qiáng)度和剛度，所以，槽壁幾乎未出現(xiàn)水平位移，直至最大凍脹力增至0.9 MPa時(shí)，槽壁頂端才開始變形，且隨著凍脹力增加而持續(xù)增大；凍結(jié)38 d后，凍土溫度全部降低到-20 ℃以下，槽壁外形成凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度和彈性模量與槽壁混凝土的相差不大，凍脹力作用導(dǎo)致槽壁頂端位移持續(xù)增加，而凍結(jié)壁內(nèi)凍脹力不再增大；凍結(jié)68 d后，洞門混凝土鑿除施工削弱了凍土約束作用，不僅會(huì)降低凍脹力，而且槽壁頂端水平位移的增長率開始減小，槽壁逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；隨著盾構(gòu)始發(fā)推進(jìn)，盾構(gòu)推力也會(huì)影響地層內(nèi)壓力分布，導(dǎo)致凍土凍脹力在盾構(gòu)推進(jìn)過程中出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖7 槽壁頂端位移與凍脹力的變化曲線Fig.7 Curve of wall displacement and frost heave force

因此，在凍結(jié)過程中，凍脹力是影響工作井槽壁變形的直接原因，而槽壁變形是凍脹力作用的宏觀表現(xiàn)。槽壁外凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度和彈性模量的變化會(huì)影響凍脹力的增長過程，而槽壁遠(yuǎn)離凍土區(qū)的變形又會(huì)吸收凍脹作用，抑制凍脹力的持續(xù)增長，因此，在凍結(jié)施工過程中允許工作井槽壁產(chǎn)生一定變形，可以減小凍脹力的增長幅度，改善工作井槽壁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高工作井的穩(wěn)定性。

3.2 地層深度對凍脹力分布的影響分析

凍結(jié)過程中，凍結(jié)范圍內(nèi)不同深度地層最大凍脹力的分布特征如圖8所示。

圖8 地層凍脹力的分布曲線Fig.8 Curve of formation frost heave force

從圖8可以看出，地層最大凍脹力隨著埋深的增加而呈近線性增大，施工中，實(shí)測最大凍脹力由淺部埋深6 m 處的0.314 MPa 呈近線性增加至埋深20 m處的0.782 MPa，不同深度地層的最大凍脹力差別由周圍地層限制作用的差異造成，深部較大土壓力對凍脹變形的限制作用強(qiáng)，導(dǎo)致最大凍脹力增大，在凍結(jié)過程中，不同深度地層最大凍脹力約是相應(yīng)深度地層壓力的1.5～2.0 倍。深度24 m 處的凍脹力明顯偏大的原因是槽壁受到工作井底板的支撐作用，變形量較小，最大凍脹力達(dá)到1.176 MPa，是原始地層壓力的3.018 倍，這也說明地層最大凍脹力與周圍地層的約束作用緊密相關(guān)，施工中可采取措施減小地層限制作用，來降低凍結(jié)壁內(nèi)的最大凍脹力。

3.3 槽壁彎曲變形的變化特征分析

在凍結(jié)過程中，不同深度槽壁水平位移的變化如圖9所示，圖中位移以偏離凍土方向?yàn)樨?fù)。

從圖9可以看出：受到凍結(jié)施工影響，初始凍結(jié)階段工作井槽壁整體向工作井方向偏移；隨著凍結(jié)進(jìn)行，不同深度槽壁變形量開始增加，最大水平位移出現(xiàn)在凍結(jié)30～40 d時(shí)，此時(shí)，槽壁外凍結(jié)壁溫度低于-20 ℃，凍土的強(qiáng)度和彈性模量較高，凍脹力明顯增加而槽壁頂端水平位移較小，凍脹力增加造成槽壁出現(xiàn)較大彎曲變形；凍結(jié)40 d后，槽壁水平位移增加，不僅使凍脹力不再增加，而且也減小了不同深度槽壁水平位移的差距，縮小了槽壁整體彎曲的曲率，因此，槽壁承受的凍脹力是其產(chǎn)生彎曲變形的直接原因。

圖9 不同深度的槽壁彎曲變形變化曲線Fig.9 Variation curve of bending deformation of groove wall at different depths

從槽壁水平位移的豎向分布來看，受到工作井底板的支撐作用，深度為25 m 的底板位置槽壁水平位移的變化量較小，底板以上槽壁向工作井方向偏離，最大水平位移出現(xiàn)在凍結(jié)30 d 左右，而底板以下槽壁向凍土方向偏移，最大水平位移出現(xiàn)在凍結(jié)40 d 后。下部槽壁變形較上部延遲以及變形量偏小的原因是工作井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)提高了槽壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，從而減小其變形量。

從洞門深度范圍的槽壁水平位移來看，洞門混凝土分層鑿除施工對槽壁彎曲變形不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，說明外層鋼筋割除前槽壁仍能保持一定強(qiáng)度，而且工作井外凍結(jié)壁也可以提供良好的支撐作用，所以，洞門內(nèi)混凝土被完全破除后，凍結(jié)壁可以有效抵擋外部水土壓力，維持外部土體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1) 凍結(jié)初始階段的凍脹作用主要引起地層壓縮變形，當(dāng)凍結(jié)壁溫度均降低到-20 ℃以下時(shí)，凍脹力才會(huì)引起槽壁水平位移明顯增大，盾構(gòu)始發(fā)前實(shí)測槽壁頂端的最大位移達(dá)到28.76 mm。

2) 凍土內(nèi)最大凍脹力隨著埋深的增加而呈近線性增大，在深度6～20 m 范圍內(nèi)，凍土最大凍脹力從0.314 MPa 呈近線性增至0.782 MPa，是相應(yīng)深度原始地層壓力的1.5～2.0倍。

3) 工作井底板上部和下部的槽壁分別向工作井內(nèi)、外方向彎曲變形，凍結(jié)施工期間最大水平位移出現(xiàn)在深度10～20 m和35～40 m范圍內(nèi)，分別達(dá)到2.11 mm和3.62 mm。

4) 凍土凍脹力是工作井槽壁變形的直接原因，而槽壁變形也會(huì)影響凍脹力的分布特征和變化過程。凍結(jié)38 d 后，槽壁水平位移的增加，不僅會(huì)抑制凍脹力的增長，而且可以減小槽壁結(jié)構(gòu)的彎曲變形。