交叠车站下穿段MJS加固及水化热温度实测研究

杨 平，孙成刚，赵红光，周子朋

(1.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037；2.南京地铁集团建设公司，江苏 南京 210008)

随着我国轨道交通建设快速发展，更多新建线路需要穿越已建线路，往往会遇到在复杂工程地质与水文地质条件下新建车站下穿既有车站的复杂问题。南京地铁7号线中胜站下穿十号线运营车站工程，处于全断面承压富水地层，在承压富水砂层中，车站密贴下穿工程容易出现坍塌和涌水，并引起既有车站大量沉降，施工难度极大,全方位高压喷射注浆工法(Metro Jet System，MJS)水泥土桩水平加固效果好，可抑制地层冻胀融沉变形，同时采用人工冻结法在富水砂层中进行止水，可大大降低坍塌和涌水的风险[1-6]。而MJS桩水泥掺量较高，一般在40%以上，热物理特性与常规土体差异较大，且由于水泥导热性能较差，大体积MJS桩水泥水化放热使桩内外形成温差和温度应力，易对加固结构造成不利影响，且温度过高将影响人工冻结效果。掌握其加固后温度变化规律，寻求合理地温下开始冻结的时机成为该联合加固必须解决的技术问题。

目前针对普通水泥土的特性研究广泛[7-13],如基本物理特性、热物理特性、抗压抗折强度特性及水化热温度特性，但是对MJS水泥土的特性尤其是水化热温度特性研究较少。基于此，笔者通过工程现场实测，对MJS水泥土加固区水化热温度场发展规律进行研究，获得MJS桩体施工完成后达到最高温度的时间，以及达到最高温度后MJS桩体整体温度下降规律，给出MJS加固完成后可实施冻结的最佳时机，为南京地铁中胜站下穿工程MJS 加固 + 冻结法施工的冻结方案设计提供依据。

1 工程背景

南京地铁7号线中胜站位于泰山路与河西大街交叉口，南北向布置，既有10号线中胜站则沿河西大街南侧东西向布置。结合既有10号线中胜站现状，最终确定7号线中胜站与既有10号线中胜站采用“厅～台式”换乘方案，近穿段与既有站底板底仅0.6 m，施工风险巨大。

7号线中胜站位于南京河西地区，地下水主要为潜水及承压水，承压水水头埋深在地面下2.60～3.20 m，承压含水层常年有水。近穿段地层由上至下均为承压水含水层，其渗透性、富水性好。为有效防止涌水同时控制既有车站的沉降，确保10号线既有中胜站营运安全，经方案比选确定下穿段采用“山”字形水平MJS加固+水平冻结止水+CRD暗挖法密贴施工的方案。

2 MJS水泥土桩加固方案与工艺参数

针对该承压富水砂层交叠下穿工程，采用MJS+水平冻结加固技术进行加固施工，当MJS加固施工完成后，水泥土加固区温度场变化规律将直接影响冻结温度场的发展，水泥土加固引起的水化热及温度成为冻结设计的重要依据。

新建七号线中胜站下穿暗挖段MJS加固拟采用92根水平MJS桩进行加固，MJS加固体桩设计抗压强度不小于1 MPa，以形成一个“山”字形MJS加固区域，“山”字形两侧及底部加固区域厚度为2 m，中部加固区域厚度为3.4 m，水平加固长度贯穿整个交叠车站下穿段，为17.0～27.0 m。MJS工法桩设计加固区域如图1所示。

图1 MJS工法桩位置示意图Fig.1MJS method pile location diagram

根据试桩研究成果[14]确定具体加固范围及参数：①为最大限度形成封闭帷幕，靠近既有线底板位置处采用全圆加固，全圆桩桩径为1.5 m，水泥质量分数为55%，共计8根；②为保证现场实际施工过程中MJS桩位的搭接，降低不均匀加固概率，防止开挖过程中基底突涌，除既有线底板位置处，“山”字形MJS加固区域两侧、底部及中间部分加固区域采用直径2.6 m半圆，搭接长度2 m，桩心间距0.6 m，水泥质量分数为60%，共计84根。主要工艺参数见表1，浆液配比水泥与水质量比为1∶1。

表1 MJS工法桩施工主要工艺参数Table 1Main process parameters for MJS method pile construction

3 MJS加固体水化热温度实测研究

3.1 测温孔及测点布置

为掌握下穿段MJS加固体的温度场变化规律，并结合其他现场测温工程经验，测温孔位置布置原则：测温孔的整体布置方案应能反映整个待测区域的温度场变化；对不同散热条件位置处均应布置多个测温孔；对相同散热条件位置可适当精简测温孔及测点数量；为掌握关键位置处的温度变化情况，应在关键位置布置多组不同测温孔，如改变测温孔的深度、角度、测点位置等；为掌握待测区域温度场变化的全过程，测温孔应在相应工程施工完成后尽快打设并进行测温。针对下穿段“山”字形MJS加固区，划分为4块区域(见图1)。MJS水化热测温孔共布置9个，编号为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9，其分布位置如图1所示。

T1位于Ⅰ区中轴线1#号MJS桩体内，距既有车站底板0.913 m；T2位于距Ⅰ区中轴线250 mm处10#号MJS桩体内，距既有车站底板1.882 m；T3位于距Ⅰ区中轴线800 mm处18#号MJS桩体内；T4位于Ⅱ区中轴线4#、5#号MJS桩体搭接处，距既有车站底板0.863 m；T5位于距Ⅳ区加固体顶部边界650 m的66#、68#号MJS桩体搭接处；T6、T7、T8均位于79#号MJS桩体内，且位于同一水平线上，距既有车站底板1.882 m，T7距Ⅲ区中轴线250 mm，T6与T7间隔1100 mm，T8与T7间隔650 mm；T9位于54#、55#、56#、57#号MJS桩体搭接处，位于Ⅱ区中轴线处。笔者以T1测温孔深度位置为例(见图2)，各测温孔参数及测点位置参数见表2。

图2 MJS测温孔深度示意图Fig.2Diagram of the depth of the MJS temperature measurement holes

表2 测温孔测点位置统计表Table 2Location statistics for temperature measurement holes

3.2 MJS加固体水化热温度实测分析

3.2.1 水泥土水化热发展规律

研究发现[15-16]，硅酸盐水泥水化放热曲线分四个阶段(见图3)：Ⅰ预诱导期，II水化诱导期，III加速期，IV后加速期。不同水泥质量分数下水泥土的水化放热趋势大致相同(见图4),水化前两阶段的持续时间较短，在水化开始的几分钟内完成。诱导期后水泥水化反应速率加快，反应放热迅速提高，在达到最大放热速率后开始下降，此时水泥水化反应速率降低，进入后加速期。随水泥质量分数增大，水泥土水化放热速率的峰值提高。不同水泥质量分数下水泥土水化放热速率到达峰值的时间较为接近，为水化15 h左右。

图3 典型硅酸盐水泥水化放热曲线Fig.3Typical silicate cement hydration exothermic curves

图4 不同水泥质量分数下水化放热速率与龄期关系Fig.4Age dependence of hydration exotherm rate for different cement incorporation ratios

3.2.2 水化热温度实测分析

本工程水平冻结加固于2021年1月5日开机冻结，故MJS水化热温度实测数据截止到2021年1月4日。各测温孔水化热温度时间曲线如图5所示，因工程现场施工导致T7-2测点遭到破坏且无法恢复，故T7-2测点位置MJS桩体水化热温度变化曲线未能给出，因T7-1测点与T6-1测点同样位于79#MJS桩内，故T7-1测温孔曲线图合并于T6测温孔曲线图中。

图5 T1～T9测温孔水化热温度时间曲线Fig.5Time curves of heat of hydration temperature for T1～T9 measuring holes

由图5可知，各测点的温度整体均呈下降趋势，温度下降平缓，在距地连墙大等于3 m部分的MJS加固体散热条件基本相同，温差较小，最大平均温差位于T1测温孔，仅2.9 ℃，且距离加固体与土层交界面处越深加固体温度越高。为便于研究水化热的降温规律，将整个实测水化热发展划分为3个阶段，其中MJS完成后第10天～第30天为前期，第30天～第90天为中期，90天之后为后期。

在整个测温过程中，T1～T5测得加固体内部最高温度分别为55.8 ℃、49.8 ℃、42.3 ℃、62.8 ℃、46.0 ℃，地连墙与加固体交界面处最高温度分别为34.6 ℃、32.2 ℃、31.7 ℃、45.5 ℃、31.3 ℃，且测得时间分别处于相应MJS桩体施工完成的第10天、第23天、第37天、第10天、第49天。T1处加固体最高温度测得时间处于1#MJS桩体施工完成的第9天，整个测温过程中温度呈平缓下降趋势，故可以推断MJS桩体水化热将在施工完成后10 d内温度达到最高。T4处加固体最高温度测得时间同样处于5#MJS桩体施工完成的第9天，故可进一步证明MJS桩体水化热将在施工完成后10 d内温度达到最高。T6～T8测温孔所处位置接近，同位于79#MJS桩体中，测得加固体内部最高温度为46.3 ℃，时间为79#MJS桩体施工完成的第35天，此时交界面处温度在27.1 ℃～30.0 ℃。T9测得加固体内部最高温度为52.4 ℃，距地连墙与加固体交界面1.7 m处最高温度为40.1 ℃，时间为55#MJS桩体施工完成的第146天。

3.2.3 MJS加固区实测温度场综合分析

(1)MJS加固体内部温度整体变化

根据该工程水化热温度实测数据及水化热温度监测时间范围(桩体施工完成后第10天～第200天)，可得出如下规律：

①MJS桩体所产生的大量水化热大部分已在桩体施工完成后10 d内释放完毕，且在10 d内达到最高温度。

②MJS加固体内部距离地连墙与加固体交界面大等于3 m处的温度变化趋势基本保持一致，且相互之间温差较小，不受地墙外界温度影响。

③MJS加固体内部温度在开始水化放热后的第10天～第200天，均呈负指数幂函数形式下降，降温速率先快后慢。MJS施工完成60 d时，温度在35 ℃～40 ℃，根据冻结法施工经验，温度在40 ℃左右可实施冻结，故建议在MJS全部施工完成60 d后即可开始进行冻结加固。

MJS加固体内部温度及降温规律对比结果见表3、表4。表4中降温趋势呈幂函数T=a·db，其中指数a表示对应测温孔位置处的温度高低程度，指数b表示在同一时间段内的降温幅度。

表3 MJS加固体内部温度实测数据对比表Table 3Comparison table of measured internal temperature data for MJS plus solids

表4 MJS加固体内部温度降温规律对比表Table 4MJS plus solid internal temperature cooling pattern comparison table

由表4可知，本次测得“山”字形MJS加固体区域最高温度位于Ⅱ区加固体顶部。而对比不同位置处的内部温度可知，MJS加固体内部最高温度位于Ⅱ区加固体中部，这是因为Ⅱ区加固体中部仅与其两侧开挖区土体进行热交换，且加固区范围也最大。

(2)MJS加固体竖向温度变化

由表4可知，分别对比Ⅰ区(T1、T2、T3)及Ⅱ区(T4、T9)内施工完成后同一时间下的加固体内部温度，可以推断加固体内部温度越靠近既有车站底板温度越低，竖向加固区的最高温度最终应出现在各竖向加固区的中心位置。这是因为越靠近既有车站底板，受上部结构与外界热对流影响越大，加固体散热越快，且既有站底板处半圆桩MJS水泥土桩水泥掺量(55%)相较其他部位掺量(60%)低，水化热也相对较小；MJS竖向加固区施工顺序为由下往上，底部散热时间更长，故底部较中心位置温度低。

对比Ⅰ区、Ⅱ区同深度、同时间下的加固体内部温度可知，Ⅱ区加固体内部温度始终高于Ⅰ区加固体。这是因为Ⅱ区水泥加固范围(4 m)较Ⅰ区(2 m)更大，且Ⅱ区两侧均为开挖区，土体散热条件更差。故MJS水泥加固范围越大，水化热产生的温度越高。

(3)MJS加固体横向温度变化

由于施工现场在加固体内部无法布设横向测点，故MJS加固体对外界温度的横向影响范围及其温度变化规律难以通过现场实测分析，还需利用数值模拟进行对比研究。但通过分析T8测点温度及测点位置可知，由于该孔向外偏斜打设，T8-3、T8-4分别位于MJS加固体边界以外0.1 m、0.3 m处，同时T8-2、T8-3、T8-4测点温度变化趋势均保持一致，且相互之间温差较小，最大平均温差仅2.2 ℃。故可以推断MJS水泥土水化热对加固区外一定范围内的土体温度产生影响。

(4)地连墙附近MJS加固体纵向温度变化

主要研究距地连墙与加固体交界面0～3 m内的加固体温度变化。由于T2及T6～T8在距交界面0～3 m内的测点较多，故仅绘制两组数据的纵向温度变化趋势(见图6)。

图6 同一时间部分测点纵向温度变化趋势Fig.6Longitudinal temperature trends at selected measurement points at the same time

由图6可知，测点温度随测点距交界面距离的增大而升高，但升温幅度逐渐减小，在距交界面大等于3 m后逐渐趋于稳定并保持不变。故可进一步证明地墙外界温度主要对距地墙0～3 m内的加固体水化热产生影响，且越靠近交界面处影响越大，水化热散热越快；加固体内部与交界面处的温差均保持在10 ℃以上。

(5)MJS加固体最高温度推算

硅酸盐水泥水化放热可分为4个阶段，由图4可知，不同水泥掺量水泥土水化放热速率到达峰值的时间较为接近，为水化15 h左右，5 d后水泥土水化放热速率较小，进入后加速期，此后水泥水化一直处于后加速期。

本工程因场地条件所限，MJS桩体施工后水泥土尚未达到一定强度不能直接钻孔，同时钻孔布设测温管需安装脚手架等原因，MJS桩体施工完成10 d时才埋设测点测温,为更好地研究MJS加固体的水化热温度变化规律，故需对实测数据进行拟合，MJS加固体内部最高温度拟合结果见表5。由表可知，拟合得到的最高温度为60.2～76.3 ℃，发生在MJS施工完后5～6 d，最高温76.3 ℃发生在Ⅳ区中部。

表5 MJS加固体内部最高温度拟合统计表Table 5MJS plus maximum internal temperature fitting statistics for solids

4 结 论

(1)MJS桩体在施工完成后10 d内达到最高温度，且桩体所产生的大量水化热大部分已在桩体施工完成后10 d内释放完毕。测得“山”字形加固体内部(距地连墙与加固体交界面大等于3 m)温度最高为60.8～62.8 ℃，位于中间竖墙顶部。而拟合推算得到的最高温度为60.2～76.3 ℃，发生MJS施工完后5～6 d，最高温度76.3 ℃发生在Ⅳ区中部。

(2)MJS桩体施工完成10 d后，距交界面0～3 m内加固体温度呈线性下降，加固体内部温度呈负指数幂函数下降，降温速率先快后慢；加固体内部与交界面处的温差均保持在10 ℃以上。

(3)“山”字形MJS加固体中间竖墙整体温度高于左右两侧竖墙，加固范围越大，水化热产生的温度越高；竖向加固区越靠近既有车站底板温度越低；加固体最高温度首先出现各桩施工完成处，最终出现在整个加固体中间竖墙中部。

(4)建议本工程及今后类似工程，在MJS加固完成后第60天为最佳开冻时机。