（地质工程专业论文）复兴东路越江隧道联络通道冻结法施工冻融土体工程特性研究.pdf

摘要 摘要 随着上海地区地下空间大规模的开发利用，冻结法已成为上海软土地区地下 空间开发利用的一种常用施工方法，在2 0 0 3 年地铁四号线事故发生后，为了避 免冻结法施工中可能产生有关的地质灾害问题，非常有必要研究冻土的冻融微观 结构、强度与变形特征及其对隧道或地下工程在施工、营运时的工程质量的影响， 使冻结施工方法更好地为上海软土地区地下工程建设服务。 迄今为止，国内尚未有学者涉足上海软土地区土层在经冻结作用后的物理力 学性质变化的研究，本文结合上海复兴东路越江双层隧道联络通道及江中泵房的 冻结施工，对这一课题展开如下初步研究： ( 1 ) 通过三通( 安装有振弦式扬压计和水压力表) 对泵房周围的地下承压水流 速进行监测及其对土体冻结施工效果的影响，探讨和分析了水渗流速度和渗流场 的变化； ( 2 ) 对不同种类土体( 原状土一未冻土一冻结土一冻融土) 物理力学性质的 变化进行了系统的室内试验研究； ( 3 ) 以粉质粘土及草黄色粉细砂为研究对象，针对设计部门进行冻结壁设计 的重要设计参数无侧限瞬时抗压强度，进行了室内试验研究，揭示了两种土的冻 结强度随温度的变化关系，并揭示了粉细砂的冻结强度随含水率的变化规律： ( 4 ) 以一号联络通道冻融后暗绿色粉质粘土为研究对象，采用c k c 循环三 轴仪进行室内动三轴试验，对该土体的动本构关系进行了初步研究，研究结果对 隧道的设计和安全营运提供了有价值的参考。 关键词：冻结法，冻融土，无侧限瞬时抗压强度，三轴试验，微结构，试验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u ds t r u c t u r e si ns h a n g h a i ，t h eg r o u n df r e e z i n g m e t h o di sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt u n n e lc o n s t r u c t i o n ( s u c ha st h es o i l r e i n f o r c e m e n to fp a s s w a ya n dp u m ph o u s eo ft u n n e l s ) i no r d e rt oa v o i dt h ep r o b l e m s o fg e o l o g i c a ld i s a s t e rw h i c hm a yh a p p e ni nt h ef r o z e nc o n s t r u c t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yt h em i c r o s t r u c t u r e ，i n t e n s i o na n dd i s t o r t i o no ff r o z e ns o i la n di t s e n g i n e e r i n g m e c h a n i s m q u a l i t y s of a r , t h e r ei sn os c h o l a rt os t u d yt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e ru n d e r f r o z e na n dm e l ta c t i o ni ns h a n g h a is o f ts o i la r e a t h et h e s i sa i m sa tf r o z e nm e t h o do f p a s s w a ya n dp u m pr o o mo ft h ec r o s s h u a n g p u - r i v e rt u n n e li ne a s tf u x i n gl o a d f i r s t ，w es u r v e yt h es p e e do fu n d e r g r o u n dw a t e ra r o u n dp u m pr o o mu n d e rh u a n g p u r i v e ra n da n a l y s et h es p e e dc h a n g i n gl a ww i t ht h et i d ee b b i n ga n dr e c e d i n go f s e c o n d ， i no r d e rt o g a i ns o m e v a l u a b l ee n g i n e e r i n gp a r a m e t e r sa p p l i e dt ot h ef r o z e n c o n s t r u c t i o n ，t h et h e s i ss t u d i e st h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fd a r kg r e e n s i l t yc l a ya n dg r a s sy e l l o ws a n dw h i c ha r ei nd i f f e r e n ts t a t e ( o r i g i n a ls t a t e ，u n f r o z e n s t a t e ，m e l t e d ) w i t has e r i e so fs o i lt e s t s m o r e o v e r , t h et h e s i ss t u d i e st h ei n s t a n t a n e o u s u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t hw h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt ot h er e l e v a n t d e p a r t m e n tw h i l ed e s i g n i n gt h ef r o z e nw a l l t h et h e s i ss h o w st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r eo fs u c ht w ok i n d so ff r o z e n s o i l s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dm o i s t u r ec o n t e n t i nt h e e n d ，t h r o u g hl a bt e s t so nm e l t e dd a r kg r e e ns i l t ys o i lo fo n et u n n e li ns h a n g h a ib y u s i n gt h et y p i c a lt r i a x i c a lt e s tm a c h i n e c k c ，t h et h e s i ss t u d i e st h ed y n a m i cs t r e n g t h a n ds t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fm e l t e dd a r kg r e e ns i l t ys o i lw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c y t h e r e s e a r c hs h o w st h a tt h ed y n a m i cs t r e s s - s t r a i nr e l a t i o no fd a r kg r e e ns i l t yc l a yu n d e r d y n a m i cl o a d i n gc a n b ed e s c r i b e da sr l k o n d n e rh y p e r b o l a i na d d i t i o n ，t h er e s e a r c h e d u c e st h er u l e so ft h ed y n a m i ce l a s t i c i t ym o d u l u sa n dd y n a m i cs h e a rs t r a i no ft h i s k i n do fs o i l t h er e s u l tw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h es a f e t yf u n c t i o no ft h et u n n e li nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：f r e e z i n gm e t h o d ，舒o z e n s o i l ，m e l t e ds o i l ，i n s t a n t a n e o u su n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t r i a x i a lt e s t s ，m i c r o s t r u c t u r e ，t e s ts t u d y 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：歹也铮 旬孓年 其1 3b 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签够览穆 万年；月，日 椴纛躲降群糊一一簪 d ，暨年月膨日吁年7 月日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 冻结法起源于天然冻结。由于人工制冷技术的发展和应用，产生了工程冻 结。自从1 8 8 3 年德国工程师波兹舒( f h p o e t e c h ) 在德国首次应用冻结法开 凿井筒并取得专利以来，该项技术已被广泛运用于矿井建设、地基基础建设、 水利工程、地下铁道和河底隧道等工程。人工冻结技术有效地用于煤矿井筒施 工中控制含水地层稳定和隔绝地下水已有1 0 0 多年历史n 钉 2 6 1 。 人工冻结法就是在预加固土体四周布置冻结管，向地层供冷，进行人工冻 结，固结软弱地层，在冻结壁的保护下进行掘进和衬砌。近4 0 年来，国外己将 这一安全、可靠的技术逐渐用于其它地下工程，1 9 7 0 年以来，由于地下工程的 开发和许多设计合理、形式新颖的盾构被推广使用，冻结法已逐渐发展成为盾 构施工隧道的一种辅助方法口3 引。 但采用冻结法施工也有其缺陷。例如，土体中的孔隙水经冻结后由液相转 变为固相，体积增大：融冰后孔隙水由固相转变为液相，体积变小哺1 。这一变化 过程对土的结构和强度的影响是显而易见的。因此，研究冻土在冰融过程中发 生的微观结构、强度与变形特征对隧道或地下工程在施工、营运时的工程质量 的影响，具有较大的理论意义和工程实践意义乜5 1 。 随着上海地区地下空间大规模的开发利用，冻结法施工将会作为上海软土 地区地下空间开发利用中常用的一种方法。为了避免冻结法施工中可能产生有 关的地质灾害问题，非常有必要研究冻土的冻融微观结构、强度与变形特征对 隧道或地下工程在施工、营运时的工程质量的影响，使冻结施工方法更好地为 上海软土地区地下工程建设服务1 。 迄今为止，国内尚未有学者涉足上海软土地区土层在冻融作用下的物理力 学性质变化的研究，本文结合上海复兴东路越江双层隧道联络通道及江中泵房 第1 章绪论 的冻结施工对这一课题展开初步研究。 1 2t 程概况介绍 121 联络通道工程概况 上海市复兴东路越江隧道工程是上海市重点工程，该隧道是我国首条双管 双层越江隧道，复兴东路越江隧道西起复兴东路、光启路，东至浦东张扬路、崂 山东路，全长2 7 8 5 米，其中江中隧道段长1 2 1 4 米，岸上段长1 5 7 1 米。分为北 线隧道和南线隧道，两条隧道均设置双层车道，北线隧道剖面如图11 ： 图1 1 北线隧道剖面 上层通行小型车辆，下层通行大型车辆，为避免意外事故发生时人员能及 时逃生，分别在上下层中各设簧两条联络通道。四条上下层联络通道的施工是 复兴东路越江隧道施工中最引人注目的部分，由于联络通道施工范围内地层为 第 层暗绿色草黄色粉质粘土和第层舍承压水的砂质粉土、粉细砂，尤其 是第层砂土层在动力作用下易渐变、开挖后天然土体易产生管涌、流砂，施 第1 章绪论 工风险性很大。上层联络通道，南北线隧道中心间距为2 1 9 3 2 m ，联络通道净距 离约1 0 9 3 2 m ，北线中心标高为一2 4 6 4 1 m ，南线中心标高为- 2 4 6 1 5 m ，联络通道 中心标高为- 2 2 3 4 1 m 。下层联络通道，南北线隧道中心间距为2 1 9 3 2 m ，联络通 道净距离约1 0 9 3 2 m ，北线中心标高为一2 7 0 9 4 m ，南线中心标高为一2 7 0 4 4 m ，联 络通道中心标高为- 2 9 5 9 4 m 。上层和下层连联络道横断面相同。联络通道结构 见图1 2 与图1 3 ： 图1 2 上层联络通道结构示意图 霞秘l 一徭辩 南线隧道 、7 ：? 9 z z k y f ，i ，钐? 廿垂售磁措 1 | 引纩“飞北髓理 l 心爱2 鱼兰兰丝垒 7。g 釜兰垒： 图1 3 下层联络通道结构示意图 3 第1 章绪论 圈1 4 北线隧道一号联络通道冻结施l 图 22 拟建江中泵房的工程概况 拟建江中泵房在北线隧道内，用于排出隧道冲洗水和消防水，泵房底部标 高为3 9 8 4 6 m ，泵房横断面3 5 m x 2 4 m ，在村砌外侧另设0 2 m 得支护层。 泵房籀工范围内的土层主要为草黄色粉细砂，根据土层资料第层含承 压水的砂质粉土、粉细砂层含水丰富、在动力作用下易渐变、开挖后天然土体 本身难以自稳。因此，在上述地层内开挖构筑泵房，必须先对施工影响范围内 的土体进行安全、可靠的加固处理。泵房结构图如1 5 所示： 图1 , 5 江中泵房结构示意图 第1 章绪论 1 3 本文主要研究内容、意义及方法 1 3 1 本文主要研究内容 本文针对复兴东路越江隧道联络通道冻结法施工，进行了以下分析研究工 作： 地下承压水流速的监测及对土体冻结施工效果的影响； 经验表明，当水流速大于2 m d 时，就开始对冻结壁的发展产生明显的影响。 因此掌握冻土帷幕形成过程，地下水渗流速度的变化是工程技术人员关心的问 题。本章对复兴东路越江隧道江中泵房四周埋设的地下水文孔观测，通过振弦 式扬压计和水压力表进行了监测，初步探讨和分析了地下水渗流速度和渗流场 的变化，为冻结施工提供了参考依据。 原状土、未冻土、开融土物理力学性质的室内试验比较研究； 土体中的孔隙水经冻结后由液相转变为固相，体积增大；融冰后孔隙水由 固相转变为液相，体积变小，土的结构将发生变化，研究这种结构变化的特征 和土体变形的规律，首先要研究冻结前后土体力学性能的变化，从中得到一些 规律，以便在工程施工中采取有效措施，控制在冻融过程产生的对隧道的危害。 本文结合复兴东路越江隧道联络通道建设，对不同种类土体( 原状土一未 冻土一冻结土一开融土) 在冻融作用下土体物理力学性质的变化进行了系统的 室内试验研究。未冻土及冻土均在隧道联络通道开挖时候挖取，原状土打钻获 取。 开融粉质粘土在动荷载作用下的动本构关系研究； 冻结施工后将有一定量的冻土残留在隧道周围，这部分冻土融化后的动力 工程特性对隧道运行时的局部稳定和变形具有重要意义。迄今为止，国内尚未 有人涉足软土隧道人工冻土融冻后动力工程特性的研究。本文以上海复兴东路 隧道一号联络通道冻融后暗绿色粉质粘土( 隧道联络通道位于黄浦江底部的此 层土中) 为研究对象，采用不同的频率来摸拟研究行车荷载对冻土工程特性的 5 第i 章绪论 影响。采用c i c c 循环三轴仪进行室内动三轴试验，对该土体的动本构关系进 行了初步研究，研究结果对隧道的设计和安全营运提供了有价值的参考。 粉质粘土和草黄色粉细砂在冻结作用下的无侧限瞬时抗压强度的试验研究； 本文以复兴东路越江隧道联络通道冻结法施工中遇到的粉质粘土及草黄色 粉细砂为研究对象，针对设计部门进行冻结壁设计的重要设计参数无侧限瞬时 抗压强度，进行了室内试验研究，揭示了两种土的冻结强度随温度的变化关系， 并揭示了粉细砂的冻结强度随含水率的变化规律，这对更好的指导冻结施工具 有重要意义。 1 3 2 研究意义和方法 以往的冻结法施工既有成功的经验也有失败的教训，意大利a g r is a u r o 盾 构隧道及我国上海轨道交通四号线的联络通道工程冻结施工事故，都造成了巨 大的经济损失。总结成功经验，汲取教训，更加安全、更加经济地指导今后类 似工程的设计与施工是本文的出发点。冻结技术的广泛应用必将提高施工质量、 加快工程进度、节省工程投资，产生巨大的社会经济效益。 本课题主要结合复兴东路隧道联络通道工程，通过室内试验对冻土物理力 学特性及规律进行研究，这为深入研究土体冻融过程中发生的隧道轴线变形( 包 括营运后车辆振动荷载对冻土区隧道变形的影响) 奠定了坚实的基础，对避免 冻结法施工中可能产生有关的地质灾害问题，使冻结施工方法更好地为上海软 土地区地下工程建设服务，具有较大的理论意义和工程实践意义。 本课题研究方法主要有： ( 1 ) 现场实测 在分析地下水流速规律对本次冻结施工影响时候，进行了长时间的水压力 监测，取得了宝贵了现场数据，为后面的分析奠定了坚实的基础。 ( 2 ) 室内试验 在研究土体冻融前后物理力学性状变化的时候，从施工现场取回原状土、 6 第1 章绪论 冻土，进行室内土工试验，主要有含水率试验、液塑性试验、剪切试验、快速 固结试验、静三轴固结不排水试验、动三轴试验及冻土无侧限瞬时抗压试验。 试验取得了宝贵的数据，对系统研究冻融土体物理力学性状变化提供了最直接 的资料。 ( 3 ) 理论、数值分析 在现场监测和室内试验的基础上，对监测数据和试验数据进行系统整理， 综合运用土力学、土动力学及计算机分析等相关知识，深入分析数据后面隐藏 的规律，为指导冻结法施工奠定了一定的基础。 7 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 2 1 研究概况简介 2 1 1 地下水流速对冻结施工影响概述 人工地层冻结就是通过冻结器向地层输送“冷量”，使得冻结器周围地层结 冰，形成一个个冻土柱体，并逐渐发展，相互闭合，形成连续的具有一定强度 和不渗水的冻土帷幕1 射。在冻土帷幕形成过程中，地下水渗流对冻结帷幕的 形成带来一定的负面作用，水的流速是地层热交换的主要影响参数。经验表明， 当水流速大于2 m d 时，就开始对冻结壁的发展产生明显的影响n 训。2 0 0 3 年春季 前夕，深圳地铁一号线从深圳罗湖口延伸至东门老街，此区段采用冻结法施工， 结果在4 台冻结设备同时工作的情况下，竞未能冻结地下水，后来经过监测， 发现冻结区经过的古河道地下水流速达到了1 5 m d ，大大影响了冻结效果，因此 掌握地下水渗流速度的变化规律是工程技术人员关心的问题。 2 1 2 地下水流速对本工程的影响 复兴东路越江隧道地质报告中给出的联络通道及江中泵房的地质概况： 表2 - 1 上层联络通道地质情况 地层编号地层名称岩性层厚层底标高 1 2 灰色粉质粘土软塑一可塑，含少量泥钙质结约2 5 m 2 0 5 0 m 核，中压缩性 暗绿色草黄色粘土可塑一硬塑，尚均匀，中压缩性 4 1 m 2 4 6 m 表2 - 2 下层联络通道地质情况 8 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 表2 - 3 江中泵房地质情况 地层编号地层名称岩性层厚层底标高 暗绿色。草黄色粘土可塑硬塑，尚均匀，中压缩性 2 8 m2 3 7 m 1 1草黄色砂质粉土很湿一湿、中密、中压缩性 5 2 0 m2 8 9 m 1 2草黄色粉细砂湿、密实、中压缩性 按照地质报告，上层联络通道坐落在第层暗绿一草黄色粉质粘土层中， 承受第层承压水的顶托压力；下层联络通道坐落在第。一，层草黄色砂质粉土 层中，直接受到水头压力值较大的第层承压含水层的影响。在动水压力作用 下将会产生流砂，影响工作面的稳定。江中泵房位于第h 层草黄色粉细砂层 中，由于泵房开挖面积较大，在施工过程中受第层承压水的影响更大。 由于第层承压含水层具有较大的水头压力，并具有流动性，在冻结法冻 结地层的初期和融冰期，对地下工程施工的影响较大并会产生下列问题： ( 1 ) 在冻结壁的形成过程中，随着冻结柱半径的增加或冻结柱之间的间距减 小，具有水头压力的承压水流动在冻结柱之间会产生流速加快的现象，相应地 将导致冻结壁局部导热加快，影响冻结壁的形成； ( 2 ) 冻结壁的交圈过程不同，承压水流速加快的程度也不同。若冻结壁的上 游和下游都晚交圈时，流速增大现象最为严重，对冻结壁交圈工期最不利； 2 1 3 承压水流速规律的研究内容 由于本工程位于黄浦江河底，因此除了研究承压水流速大小、方向以外， 还得研究流速与浦江的潮汐变化是否存在联系。 2 2 地下水压监测孔布置方案 在越江隧道南线隧道和北线隧道中分别布置了2 个水文监测孔，其监测点 的平面位置及标高如图2 1 所示。地下水流速监测孔的施工工艺是多方研究共同 9 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 制定的方案。考虑到检测仪器的灵敏度和可靠性问题，采用了双保险的形式， 通过三通同时安装有振弦式扬压计和水压力表来监测。 n 一3 5 8 6 1 s 乙_ - 3 4 9 8 0 乙_ 孔1 北线隧道 b 厂、 。 r 、 厂 | |一 l 南线隧道 l 5 7 0 0 0 j i l 一3 49 1 9 v 图2 1 地下水文观测孔平面布置示意图( 江中泵房处于图中中心区域) 2 3 施工中可能遇到的问题 南北隧道联络通道穿越的地层，具有含水丰富、在动力作用下易流变，施 工易产生流砂和管涌的特点，地层开挖后天然土体难以自稳。由于浦东隧道内 的泵房位于北线隧道中部黄浦江江底，且所处地层主要为砂质粉土、粉细砂等， 第层是含承压水的砂土层，砂土层及砂质粉土很容易发生水砂突出，施工时 可能发生流砂和地层变形沉降等现象，工程风险大。同时也要避免冻胀和融沉 现象的发生。所以，在施工中必须采取切实可行的技术措施，确保工程施工的 安全。 2 4 地下水压力监测及其观测孔水压力修正 在完成地下水观n - g 施工之后，于3 月1 0 日开始对地下水压力进行监测， 每天监测1 次。监测除t n 定各个孔的水压力外，还同时测定了观测点的温度。 1 0 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 表2 40 4 3 1 0 各水文孔读数 孔号时间液压表( m p a )传感器读数( m p a ) 温度( ) 11 4 ：5 00 3 1 00 2 9 41 3 5 21 4 ：5 50 3 1 8 0 3 0 81 2 5 31 5 ：3 00 2 9 00 2 9 01 3 0 4 1 5 ：3 50 2 9 00 2 9 91 0 5 表2 50 4 3 1 1 各水文孔读数 孔号时间液压表( m p a )传感器读数( m p a ) 温度( ) 11 6 ：1 00 3 1 00 2 9 51 3 o 2 1 6 ：1 50 3 1 80 3 0 91 2 5 31 7 ：0 00 2 9 80 2 8 81 1 0 4 1 7 ：0 50 2 9 80 2 9 91 0 5 表2 60 4 3 1 2 各水文孔读数 孔号时间液压表( m p a )传感器读数( m p a ) 温度( ) 11 6 ：0 9o 3 0 80 2 9 41 3 5 21 6 ：1 3 0 3 1 40 3 0 61 2 5 31 6 ：3 50 2 9 8 0 2 9 5 1 1 5 41 6 ：4 00 2 9 80 3 0 81 0 5 表2 70 4 3 1 3 各水文孔读数 孔号时间液压表( m p a )传感器读数( m p a ) 温度( ) 11 6 ：3 00 2 9 90 2 8 91 3 0 21 6 ：3 50 3 0 20 3 0 31 3 0 3 1 7 ：0 50 2 9 50 2 9 31 2 0 41 7 ：0 00 2 9 50 3 0 11 1 0 在观测过程中，发现不同时间各个观测孔水压力监测韵结果有所差异，为 了弄清水压力的变化规律，于3 月1 4 日上午1 0 ：3 0 开始对孔隙水压力进行连续 观测，到当天2 2 ：0 0 结束，大约每隔1 小时进行一次观测。为了进一步观察潮汐 对地下承压水的影响，于5 月1 0 日上午1 1 ：3 0 再次对孔隙水压力进行连续观测， 到当天2 1 ：3 0 结束。 由于各个地下水流速监测的压力表和孔压计均不在同一个标高，为了计算 地下水的流速，必须以某一点的标高为准，在同一标高( 水平面) 上测定不同 监测点的水头压力。为此，需要对各个观测孔的孔隙水压力进行换算，使之在 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 同一标高上得到不同观测孔的水头压力。这里以3 号观测孔标高( 3 4 9 7 9 m ) 为 基准计算，其结果如下： 表2 8 标高为3 4 9 7 9 m 处各观测孑l 的水压力值( 单位：m p a ) 3 月1 0 日3 月1 1 日3 月1 2 日3 月1 3 日 1 号观测孔 0 3 0 10 3 0 1 0 2 9 90 2 9 9 2 号观测孔 0 3 1 0 0 3 1 00 3 0 60 3 0 2 3 号观测孔 0 2 9 00 2 9 80 2 9 80 2 9 5 4 号观测孔 0 2 9 00 2 9 80 2 9 80 2 9 5 表2 93 月1 4 日水压力连续观测结果校正值( 标高为3 4 9 7 9 m ) 观测1 号观测孔 2 号观测孔3 号观测孔4 号观测孔 次数时间水压力 时间水压力时间水压力时间水压力 ( m p a )( m ：p a ) ( m p a )( m p a ) 1 1 0 ：3 0 0 2 9 1 1 0 ：4 0 0 2 9 7 1 1 ：2 0 0 2 8 5 1 1 ：1 0 0 2 8 5 2 1 1 ：3 8 0 2 9 1 1 1 ：5 0 0 2 9 3 1 3 ：5 0 0 2 8 2 1 3 ：4 0 0 2 9 0 3 1 4 ：0 5 o 2 9 0 1 4 ：1 5 0 2 9 3 1 4 ：5 0 0 2 8 1 1 4 ：4 0 0 2 8 9 4 1 5 ：0 0 0 2 9 1 1 5 ：1 0 0 2 9 3 1 5 ：5 1 0 2 8 2 1 5 ：4 6 0 2 9 0 5 1 6 ：1 5 0 2 9 3 1 6 ：2 5 0 2 9 7 1 6 ：4 7 0 2 8 8 1 6 ：4 2 0 2 9 4 6 1 7 ：1 5 0 2 9 6 1 7 ：2 5 0 2 9 7 1 7 ：5 5 0 2 8 9 1 7 ：4 5 0 2 9 5 7 1 8 ：1 6 0 2 9 6 1 8 ：2 6 0 3 0 1 1 8 ：5 6 0 2 9 0 1 8 ：4 6 o 2 9 5 8 1 9 ：3 0 0 2 9 6 1 9 ：4 0 0 3 0 0 2 0 ：0 7 0 2 8 9 1 9 ：5 7 0 2 9 4 9 2 0 ：3 0 0 2 9 2 2 0 ：4 0 0 2 9 4 2 1 ：1 0 0 2 8 5 2 1 ：0 0 0 2 9 3 1 0 2 1 ：3 0 0 2 9 1 2 1 ：4 3 0 2 9 4 表2 1 05 月1 0 日水压力连续观测结果校正值( 标高为3 4 9 7 9 m ) 观测1 号观测孔2 号观测孔3 号观测孔4 号观测孑l 次数 时间水压力时间水压力时间水压力时间水压力 ( m p a )( m p a )( m p a )( m p a ) 11 1 ：2 50 2 9 5 1 1 ：3 50 3 1 41 2 ：0 5o 31 2 ：3 5 0 2 6 8 21 2 ：3 50 2 9 61 2 ：4 00 3 1 21 2 ：4 50 31 2 ：5 50 2 6 5 31 3 ：0 60 2 9 2 1 3 ：1 10 3 1 21 3 ：0 50 2 9 81 3 ：1 50 2 6 5 41 3 ：3 50 2 9 1 1 3 ：3 9 0 3 1 1 1 3 ：2 50 2 9 81 3 ：3 50 2 6 2 51 4 ：0 50 2 9 11 4 ：0 90 3 1 11 3 ：4 50 2 9 61 3 ：5 50 2 6 61 4 ：3 50 2 9 11 4 ：4 00 3 1 1 1 4 ：0 50 2 9 51 4 ：1 50 2 5 9 71 5 ：0 40 2 91 5 ：0 90 3 11 4 ：2 50 2 9 51 4 ：3 50 2 5 8 81 5 ：3 3 0 2 9 1 5 ：3 80 3 11 4 ：4 50 2 9 51 4 ：5 50 2 5 8 91 6 ：0 10 2 91 6 ：0 60 3 0 9 1 5 ：0 5 0 2 9 5 1 5 ：1 50 2 5 9 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 1 01 6 ：3 00 2 91 6 ：3 50 3 0 91 5 ：2 50 2 9 51 5 ：3 50 2 5 9 1 11 7 ：0 0 0 2 9 1 1 7 ：0 50 3 1 01 5 ：4 50 2 9 6 1 6 ：0 00 2 5 9 1 21 7 ：3 00 2 9 11 7 ：3 50 3 1 01 6 ：1 00 2 9 6 1 6 ：3 00 2 5 8 1 31 8 ：3 00 2 9 21 8 ：3 50 3 1 11 6 ：4 00 2 9 51 7 ：0 00 2 5 8 1 41 9 ：0 0 0 2 9 2 1 9 ：0 50 3 1 21 7 ：1 00 2 9 4 1 7 ：3 00 2 5 8 1 51 9 ：3 00 2 9 31 9 ：3 50 3 1 41 7 ：4 00 2 9 5 1 8 ：3 00 2 6 5 1 62 0 ：0 00 2 9 42 0 ：0 50 3 1 41 8 ：4 00 2 9 61 9 ：0 00 2 6 7 1 72 0 ：3 00 2 9 52 0 ：3 5 0 3 1 51 9 ：1 0 0 2 9 61 9 ：3 00 2 6 8 1 82 1 ：0 00 2 9 52 1 ：0 50 3 1 41 9 ：4 00 2 9 72 0 ：0 00 2 7 1 92 0 ：1 00 2 9 92 0 ：3 00 2 7 2 2 02 0 ：4 00 3 0 1 2 1 ：0 00 2 7 2 2 12 1 ：1 00 3 0 0 1 2 ：3 5 0 2 6 8 2 5 地下水位分布 2 5 1 地下水等水头线图 根据地下水压力监测结果，换算成水头值，用s u r e r7 0 软件绘制地下水 等水头线图。 图2 23 月1 0 日观测孔地下水等水头线 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 图2 33 月1 1 日观测孔地下水等水头线 图2 43 月1 2 日观测孔地下水等水头线 1 4 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 图2 65 月1 0 日观测孔地下水等水位线 2 5 2 各观测孔水压力随时间变化规律 ( 1 ) 3 月1 4 日各观测孔水压力随时间变化规律 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 食0 2 9 8 茁0 2 9 6 弓0 2 9 4 h0 2 9 2 苗0 0 芝器 * 0 2 8 6 毋母，p 母p 。爷。今 时间 0 2 重0 2 9 - r o 2 8 5 璺0 2 8 棠 0 2 7 5 梦梦 时问 一o 3 量q2 9 5 - r 0 2 9 坦o 2 8 5 * 0 2 8 1 1 ：扣1 3 ：5 01 4 ：5 01 5 ：5 1 1 6 ：4 71 7 ：5 51 8 ：5 62 0 ：0 72 1 ：1 0 时间 1 1 ：1 01 3 ：4 01 4 ：4 01 5 ：4 61 6 ：4 21 7 ：4 51 8 ：4 61 9 ：5 72 1 ：0 0 时间 图2 73 月1 4 日各观测孔水压力随时问变化规律图 ( 2 ) 5 月1 0 日各观测孔水压力随时间变化规律 1 6 l骞们董s汹董 c ； n 0 n 令垒一r 日繁 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 多嗲嗲 咖 0 2 5 图2 85 月1 0 日各观测孔水压力随时间变化规律图 研猫蕊研嬲 q q q q c ； 一垒一r 幽* 母 夺 芩 沁晌 ；多 心 蕊 移 6 4 2 a 8 6罢姒抛拗鹞；鬓 n q q 0 q q c b 垒一r 幽* 孝孝孝 警 咚 p 夕 勉们蕊毫s烈就泅 q q q q q 0 令垒一r 鹾* 扔蝴猫汹搦 q 0 q 0 q 令垒一r 坦* 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 2 6 地下水流速计算 2 6 1 计算依据 地下水渗流满足达西定律，按照公式： v = k i 式中：k 为渗透系数；i 为水力坡度；v 是渗透流速。 ( 2 - 1 ) 地下水压力和水头的换算关系为： h = p y( 2 - 2 ) 式中：p 为地下水压力；y 为水的容重；h 为水头压力。 因为振弦式扬压计读数有些差异，另外周围环境的施工振动对监测结果可 能有较大的影响。因此，计算数据采用压力表观测的结果。 2 6 2 渗透系数的选取 渗透系数以勘察报告中实验室测定的渗透系数作为计算依据。水平渗透系数 为1 1 0 x1 0 4 _ 5 0 6 x1 0 。4 a m s ，选取最大值作为计算标准。 2 6 3 水力坡度的计算 i = h l 式中：h 为沿水头降低方向的水头差： 2 6 4 地下水流速计算 ( 2 3 ) l 为沿水头方向降低h 的距离。 地下水流是沿着水力梯度最大的方向流动，从安全施工角度考虑，压力差与 渗透系数均取最大值，因此： 最大流速：v = 5 0 6 1 0 _ 0 0 0 4 x 2 4 x 6 0 6 0 x1 0 0 2 5 7 0 = 0 6 8 ( m d ) 1 8 第2 章复兴东路越江隧道地下承压水流速规律研究 2 7 本章结语 通过长时间地对承压水的监测及其计算，得到了该层地下水流速的大小、方 向及其与浦江潮汐的变化规律： ( 1 ) 地下水的流速为0 6 8 m d ，满足冻结法对施工的要求； ( 2 ) 地下水流动方向大致为北东向南西流动； ( 3 ) 承压水压力的变化与黄浦江水位有一定联系，可能在隧道周围或远处的 钻孔或其他施工点沟通了上下部的含水层所致。 上述结论提供了极其宝贵的相关地下水文资料，排除了地下水流动可能给本 次冻结带来的不利影响，保证了冻结法施工的全面展开，为顺利完成工程提供了 有力的保障。 1 9 第3 章冻融土体物理力学性状及微观结构研究 第3 章冻融土体物理力学性状及微观结构研究 3 1 研究概况简介 在冻结法施工过程中，土体发生冻结，其中变化最大的是土中的水分：从 宏观上来说，未发生冻结的区域会向冻结区域迁移水分，形成一个水分迁移带 围绕在冻结区域阳1 ；从微观上说，冻结区域中土体的孔隙水经冻结后由液相转变 为固相，体积增大；融冰后孔隙水由固相转变为液相，体积变小，这一变化过 程对土的结构和强度的影响是显而易见的1 。本章结合复兴东路越江隧道联络通 道的冻结施工，对联络通道周围的原状土一未冻土一冻融土的微观结构、强度 与变形特征进行系统的比较研究，这对隧道冻结施工及营运时的工程质量的影 响，具有较大的理论意义和工程实践意义。 3 2 未冻草黄色粉质粘土无侧限抗压试验 3 2 1 概述 冻结法施工过程中，未冻结区域中的土体会向冻结区域迁移水分。于是在 冻结区域的外围会产生一类特殊的土体。该土体虽未冻结，但是由于水分的迁 移损失，其物理力学性能也将发生显著变化，冻土学上称之为未冻土m 1 。本节以 复兴东路越江隧道一号联络通道冻结施工中产生的第层下部未冻草黄色粉质 粘土为研究对象，对其进行无侧限抗压强度室内试验。 3 2 2 试验过程及方法 ( 1 ) 未冻草黄色粉质粘土表象描述：该土体密实坚硬，表面干燥，比较重。 第3 章冻融十体物理力学性状及微观结构研究 ( 2 ) 试样制作：由于土体较硬，故将隧道敢回的未冻草黄色粉质粘上切割成 7 a n 7 a m x 7 伽的标准立方体试块，切割时候尽量避免扰动，切割下来的土进行 含水率测试。 ( 3 ) 试验在w e - 3 0 0 型液压式万能材料压力机上进行，试样在压力机上就位 后停机，送油阀到最大位，然后再立刻启动压力机，试样在瞬删沿近4 5 。的斜截 面笈生破坏。 图3 1 来冻草黄色粉质粘土试样无侧限抗压破坏囤 3 23 试验数据记录 表3 1 木冻粉质粘t 无侧限抗压试验记录 纵向应变e ( )横向应变e ，压力p修止后受压面抗压强度 ( )( k n )积( e r a 2 )( m p a ) 1 4 2 8 5 7 l 85 7 1 4 2 9 4 6 1 1 m 5 706 6 6 6 6 755 9 1 3 7 ”0 “5 4 8 1 8 3 7 1 4 2 908 3 3 3 3 3 3 95 35 9 3 ” 7 1 4 2 8 5 75 7 1 4 2 8 63 85 2 7 6 9 2 3 5 7 1 4 2 8 60 83 85 2 7 6 9 2 30 7 加1 1 7 57 1 4 2 8 63 6 由于试样破坏耐纵向变形较大，故对受压面积进行修正“： “；土( 3 - 1 ) 1 一 式中，a = 4 9 c m 2 为原接触面积，e 为试样纵向应变。根据试验结果，得到 来冻草黄色粉质粘土的工程参数： 台水率w = 1 8 ，平均无侧艰抗压强度l ，0 7 5 2 m p a ，平均e e = o7 4 2 。 第3 章冻融土体物理力学性状及微观结构研究 3 2 4 试验结论 与原状第层草黄色粉质粘土相比，未冻粉质粘土含水率有所下降( 下降 约5 ) ，无侧限抗压强度则显著上升，这表明，由于冻结过程中土体的水分迁 移损失，在冻结区域的外围部分，第层粉质粘土的无侧限强度有了较大提高。 值得注意的是该土体的横向变形能力得到了增强，因此这部分土体在冻结过程 中，将会在上部压力作用下发生较大的侧向变形，从而对隧道壁产生一定的附 加压力，值得在施工中监测，以免隧道壁在冻结过程中出现局部开裂。 3 3 原状土、未冻土及冻融土常规土工参数的比较试验研究 3 3 1 试验土样概况 本节以复兴东路越江隧道一号及三号联络通道冻结施工中产生的未冻粉质 粘土( 土样取自一号联络通道中心，标高为- - 2 2 0 m 、靠近北线主隧道管壁处) 、 冻融粉质粘土( 土样取自一号联络通道中心，标高为- - 2 2 0 m 、离北线主隧道管 壁2 m 处) 、第七层冻融草黄色粉细砂及原状土( 钻孔取土，钻孔布置如下图) 为研究对象，对其进行常规土工试验，未冻土与冻融土每个土工试验均做5 组， 每组7 个试样。 复 兴东 欠 刀、 旦f 业旦。型 旦l 。业 路 图3 2g 1 g 3 号钻孔平面布置示意图 第3 章冻融土体物理力学性状及微观结构研究 钻孔编号 g l 钻孔深度 s o 0 0 n 施工日期 己0 0 4 年5 月ls 日 屡底 试样罐度 土层编号土名名称 躁度( r qj厚度( r qj拄状图1 5 0 0 土层描述试祥编号 麒n ，“n ) 1 人工填土 。 以杂填土力主夹