高寒地区冻融对地表沉降监测的影响分析

张存根

中交公路规划设计院有限公司，中国·北京 100088

温度变化；冻胀融沉；含水率；沉降监测

1 引言

目前中国科研人员对土体冻融特性做了不少的研究。“冻土的力学性质及研究现状”[1]中采用融化固结大变形理论分析冻土的力学性质。“冻融循环对软土力学性质的影响分析”[2]中开展室内三轴试验，研究结果表明循环冻融过程中软土体积随着冻融次数增加而增大。“冻土蠕变的非线性模型研究”[3]中结合试验数据分析了冻土蠕变的非线性模型。针对寒冷地区季节性冻土对工程施工及运营影响的相关问题，工程技术人员做了大量关于季节性冻胀引起路基沉降、地表冻融变形的工程研究分析[4-11]。

哈尔滨市处于中国东北边疆，冬天漫长干燥寒冷，有历史记录最低气温达到零下41.4℃，结冻期190d 左右。季节性冻土发育，冻结深度最大达到2.05m。哈尔滨地铁3 号线二期工程线路全长32.18km，沿线设置车站30 座。由于地铁施工工序复杂，建设周期长，一个车站、区间隧道建造往往会跨越多个冬季，地铁施工沉降监测点随着温度变化而发生上下波动，导致地表沉降监测数据异常。因此，分析研究冬季冻融对地表沉降监测的影响显得非常有必要。

2 项目概述

2.1 项目概况

哈尔滨地铁3 号线二期线路呈环形布设，线路东南环段地势较高，地下水位较深，西北环段靠近松花江流域，地下水位浅。查阅相关勘察设计资料，征仪路站区域地下水位埋深33.7m～37.9m，表层土体天然含水率约19%。太平桥站区域地下水位埋深1.9m～6.0m，表层土体天然含水率约30%。

2.2 监测点及基准点布置

（1）每个车站主体基坑周边的地表监测点埋设深度0.8m，测点埋设于原状土体中，埋设质量标准满足《城市轨道交通工程监测技术规范》[12]相关技术要求。

（2）为防止雨水和冰雪融化的积水直接流进测点孔内，造成土体含水率局部差异较大，在测点顶端采用不透水材料进行封堵。

（3）基准点的稳定与否关系到沉降监测数据可靠性。每个车站场地设置3 个基准点，基准点选择布置在远离施工影响范围的高层建筑物承重柱上，高层建筑物桩基础深度大于10m，且建筑物自身沉降已稳定。

2.3 沉降监测要求

（1）监测周期：根据相关监测规范要求，自基坑开挖施工时开始观测，支护结构监测结束后，且周围岩土体和周边环境变形趋于稳定时，可结束监测工作。

（2）监测频率：施工开挖过程中监测频率满足《城市轨道交通工程监测技术规范》相关要求，开挖深度小于15m 时，监测频率为1 次/1d；开挖深度大于15m 时，监测频率为（1次～2 次）/1d。底板浇筑后可根据监测数据变化情况调整监测频率。

（3）观测精度：采用天宝dini03 电子水准仪进行数据采集，同时要求仪器检定合格，监测精度每公里往返中误差为0.3mm，满足监测规范要求。

（4）观测方法：利用项目现有的二等水准网成果，建立基准网，各监测点与水准基准点组成闭合环路，按照国家二等水准测量的技术要求施测，并每3 个月定期复核基准点的稳定性。

3 冻融影响规律分析

选取2018年9月至2019年6月时间段内征仪路站和太平桥站基坑周边502 个地表沉降监测数据进行统计分析，其中征仪路站地表沉降测点265 个，太平桥站地表沉降测点237 个。

3.1 哈市地区温度变化情况分析

2018年9月至2019年6月哈尔滨地区平均温度变化如图1所示。从图1可以看出，2018年10月至11月，哈尔滨地区温度由零上降至零下。2018年12月初温度急剧下降，持续到2019年2月中旬，期间平均温度几乎都在零下10℃以下。2019年2月下旬至3月末期间温度出现了小幅度的波动，温度变化范围在-5℃～5℃。4月初起温度进一步升高。关于地层冻融发生的临界温度条件，可重点关注两个节点时间，一个是2018年10月到11月，另一个节点是3月到4月。

图1 哈尔滨地区温度变化曲线图

3.2 地表冻融影响因素分析

（1）沉降监测变化曲线汇总分析

以哈尔滨地铁3 号线二期工程在2018年9月至2019年6月期间现场实际观测数据为基础，来研究分析哈尔滨地区冬季冻融对地表沉降监测的影响。通过将征仪路站、太平桥站的地表沉降监测数据进行梳理归纳，选取部分测点地表沉降累计变化曲线图如2、图3所示，由此图可得出冻融影响下地表沉降的变化大小及趋势。

图2 征仪路站地表沉降累计变化曲线图

图3 太平桥站地表沉降累计变化曲线图

由图2、图3可发现，2018年9月到11月中旬，地表沉降监测数据是持续下降的，虽然11月初气温达到零下，但此时土体并没有发生冻结现象。2018年11月下旬开始，地表沉降监测点出现上浮的趋势，此时土体开始冻结变形导致监测点上浮，并一直延续到12月末，在此期间地表沉降监测点上升最为明显。2019年1月初至3月下旬，土体处于完全被冻结状态，土体不再随温度变化而继续胀大，地表沉降监测数据基本处于平稳状态。从2019年4月初，随着温度进一步升高，地表沉降监测点出现显著的下降，可判定地表发生了融沉变化，并且发现地表的融沉量明显超过了其上浮量。

综上所述，并结合哈尔滨地区温度变化，可将地表冻胀融沉过程归纳为4 个阶段，分别为冻胀前阶段、冻胀发展阶段、冻胀稳定持续阶段、融沉回落阶段。

（2）监测点上浮变化量统计分析

依据定性分析得出的地表沉降冻融影响变化规律，计算得出在2018年9月至2019年6月期间征仪路站265 个地表沉降监测点和太平桥站237 个地表沉降监测点的上浮变化量，梳理统计了两个含水率不同车站监测点上浮量大小的分布范围，统计结果见表1、表2。

表1 征仪路站监测点上浮量分布范围

从表1可得出，征仪路站地表土体含水率为19%时，上浮量在0～5mm 区间内的监测点占比为13.96%；上浮量在5～10mm 区间内的监测点比例为82.89%，故可得出地表冻胀引起的监测点上浮量主要分布在5～10mm；部分监测点可能因封堵不密实导致雨水渗入，以致监测点上浮量较大，达到10～15mm。

表2 太平桥站监测点上浮量分布范围

从表2可得出，太平桥站地表土体含水率为30%时，上浮量在0～5mm 区间内的监测点占比为2.11%，存在局部地表含水率较低，导致上浮量偏小；上浮量在5～10mm 区间内的监测点比例为11.81%；上浮量在10～15mm 区间内的监测点比例为80.59%，可知地表冻胀引起的监测点上浮量主要分布在10～15mm；部分监测点上浮量达到20mm 以上，可能因雨水渗入导致上浮量过大。

综上对比分析含水率不同的两个车站地表沉降上浮量的分布特征，可得出哈尔滨地区土体含水率为19%时，冬季冻胀引起的地表监测点上浮量主要集中在5～10mm 范围；土体含水率为30%时，冬季冻胀引起的地表监测点上浮量主要集中在10～15mm 范围。

4 结语

（1）高东北寒地区冬季随着温度变化，引起地表产生冻胀融沉变化，且地表融沉量明显大于其上浮量。

（2）冬季地表冻胀融沉过程中呈现出4 个特征阶段，可归纳总结为冻胀前阶段、冻胀发展阶段、冻胀稳定持续阶段及融沉回落阶段。

（3）含水率较高区域的土体，其冬季冻胀效果更加显著。当土体含水率为30%时，冻胀引起的地表监测点上浮量主要分布在10～15mm 范围；而土体含水率为19%时，地表监测点上浮量主要分布在5～10mm 范围。