富水砂卵石地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)試驗(yàn)研究

劉志堅(jiān), 劉欣, 王炳祿, 寇鼎濤, 陳賢波, 沈宇鵬*

(1.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，濟(jì)南 250101；2.北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 北京 100044；3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

伴隨城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵穿越復(fù)雜含水地層、重要構(gòu)筑物等風(fēng)險(xiǎn)工程屢見不鮮，人工凍結(jié)技術(shù)憑借適應(yīng)性強(qiáng)、加固強(qiáng)度高、封水性好和環(huán)境影響下等諸多優(yōu)勢在城市地鐵建設(shè)中扮演愈發(fā)重要的角色，已逐漸成為含水軟弱地層暗挖施工達(dá)到無水施工環(huán)境的重要方法。

凍結(jié)壁的溫度是人工凍結(jié)技術(shù)設(shè)計(jì)和施工的重要參數(shù)，有效表征凍結(jié)帷幕的形成質(zhì)量和強(qiáng)度。凍結(jié)帷幕溫度場受多種因素影響，是一個(gè)包含移動(dòng)邊界、傳熱傳質(zhì)、水分遷移和相變等復(fù)雜問題的多物理場過程[1]。中外學(xué)者針對(duì)凍結(jié)溫度場開展了一系列研究，取得諸多有益的成果。解析解方面，Trupak[2]假設(shè)溫度溫度場為穩(wěn)態(tài)問題，借助拉普拉斯方程推導(dǎo)出單管凍結(jié)溫度場公式；胡向東等[3-8]基于勢函數(shù)疊加原理、保角映射和匯源反映相繼推導(dǎo)出多排管、多圈管凍結(jié)溫度場的解析解，極大地推動(dòng)了人工凍結(jié)理論的發(fā)展。數(shù)值模擬方面，賴遠(yuǎn)明等[9]依托滲流理論、傳熱學(xué)和凍土力學(xué)提出了考慮相變影響的水熱力耦合模型，成功應(yīng)用于寒區(qū)隧道凍脹力分析；周曉敏等[10]通過對(duì)滲流系數(shù)和熱物理參數(shù)進(jìn)行光滑的曲線回歸，克服了熱流耦合高度非線性的難題，實(shí)現(xiàn)了滲流地層人工凍結(jié)的仿真計(jì)算；李東慶等[11]考慮了壓力勢和基質(zhì)勢與溫度的關(guān)系，提出了能計(jì)算含水率、應(yīng)力和變形的水熱力耦合模型。王彥洋等[12]考慮隧道內(nèi)空氣對(duì)流與混凝土水化熱作用，建立了考慮溫度梯度變化的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工三維數(shù)值模型；黃建華等[13]研究了不同水泥摻量條件下水泥改良土地層的凍結(jié)效果，發(fā)現(xiàn)其效果隨水泥摻量增加先增強(qiáng)后減弱?，F(xiàn)場測試方面，梅源等[14]依托西安某地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值仿真，研究了濕陷性黃土地區(qū)凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道溫度場和變形場的演化規(guī)律；向亮等[15]考慮凍結(jié)管影響范圍的有效性，提出了多管凍結(jié)溫度場計(jì)算公式；周金生等[16]分析了軟弱地層凍結(jié)施工引起的凍脹問題，提出采用間歇凍結(jié)模式控制地層變形；鄭立夫等[17]鑒于傳統(tǒng)凍結(jié)壁厚度計(jì)算方法過于保守的問題，結(jié)合黏土地層凍結(jié)壁受力特點(diǎn)，提出一種優(yōu)化的凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)方法；師立德等[18]通過改變凍結(jié)管直徑控制不同斷面的對(duì)流換熱系數(shù)，縮短了凍結(jié)壁的交圈時(shí)間，解決了凍結(jié)壁發(fā)展不均勻的問題。

凍結(jié)溫度場理論的相關(guān)研究有力推動(dòng)了人工凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，但隨著地鐵建設(shè)地層條件的愈發(fā)復(fù)雜，地下水滲流對(duì)凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律及凍結(jié)壁交圈的影響不容忽視。地下水滲流源源不斷地帶走凍結(jié)管的冷量，易導(dǎo)致凍結(jié)壁厚度不能滿足設(shè)計(jì)要求甚至不能交圈，因此有必要研究滲流對(duì)凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律。現(xiàn)依托北京地鐵19號(hào)線草橋站-右安門站區(qū)間3#聯(lián)絡(luò)通道(后稱聯(lián)絡(luò)通道)凍結(jié)工程，通過現(xiàn)場測試研究地層溫度場和泄壓孔壓力的發(fā)展規(guī)律，分析凍結(jié)帷幕的交圈情況，以保證聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工的順利推進(jìn)。

1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線草橋站-右安門站區(qū)間線路全長2 375 m，采用盾構(gòu)+暗挖法施工，其中盾構(gòu)段長度為2 150 m，暗挖段長度為169 m，主線隧道結(jié)構(gòu)拱頂埋深范圍為9.0～22.18 m。聯(lián)絡(luò)通道拱頂埋深20.9 m，所在位置主線隧道中心線距離為11 m，左(右)線隧道的軌面標(biāo)高為+13.996 m(+13.987 m)，地面標(biāo)高約為+38.48 m。聯(lián)絡(luò)通道位于右安門外大街正下方，鄰近直徑500 mm的高壓燃?xì)夤芫€，埋深1.5 m，斷面尺寸為5 000 mm(長)×3 000 mm(高)熱力管溝，埋深10.9 m。聯(lián)絡(luò)通道所處地層自穩(wěn)能力差，上方管線復(fù)雜，水位標(biāo)高為+18.460 m，結(jié)構(gòu)位于地下水位以下，易造成涌水冒砂、隧道坍塌變形的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，采用人工凍結(jié)法加固，礦山法開挖。

根據(jù)地勘報(bào)告，聯(lián)絡(luò)通道及排水泵站所處地層從上往下依次為：①素填土、②3粉細(xì)砂、②5卵石-圓礫、③3粉細(xì)砂、⑤卵石、⑦卵石、⑧2粉土和⑨卵石。聯(lián)絡(luò)通道及排水泵站所在范圍為⑦卵石、⑧2粉土、⑨卵石層，圍巖穩(wěn)定性很差，施工過程中容易發(fā)生坍塌，需要及時(shí)支護(hù)。⑦卵石和⑨卵石層地滲透系數(shù)大，地下水連續(xù)分布，補(bǔ)給主要來自側(cè)向徑流及大氣降水，排泄方式主要為人為開采和徑流排泄。砂卵石層物理參數(shù)如表1所示。

表1 砂卵石地層物理參數(shù)

聯(lián)絡(luò)通道采用直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，泵房為矩形結(jié)構(gòu)。襯砌采用二次襯砌方式，初期支護(hù)為格柵鋼架和C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)，厚度250 mm；二次襯砌為C40 P10鋼筋防水混凝土結(jié)構(gòu)，通道段側(cè)墻及仰拱厚度300 mm，底板厚度1000 mm,泵房底板厚度400 mm，側(cè)墻厚度300 mm。初期支護(hù)層和永久結(jié)構(gòu)層之間設(shè)防水層。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)剖面和平面分別如圖1和圖2所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)平面圖

2 凍結(jié)設(shè)計(jì)與監(jiān)測方案

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔采用左右線隧道兩側(cè)鉆孔，分別以上仰、水平和下俯3種角度在聯(lián)絡(luò)通道周圍打設(shè)，鉆孔選用MD-80A鉆機(jī)。該聯(lián)絡(luò)通道及泵房共打設(shè)82個(gè)凍結(jié)孔，其中包含4個(gè)透孔。凍結(jié)站側(cè)隧道打設(shè)15排，計(jì)53個(gè)凍結(jié)孔；凍結(jié)站對(duì)側(cè)隧道打設(shè)7排，計(jì)29個(gè)凍結(jié)孔，鉆孔工程量總計(jì)508.867 m。

為監(jiān)測凍結(jié)帷幕溫度和凍結(jié)壁交圈情況，聯(lián)絡(luò)通道及泵房共打設(shè)測溫孔10個(gè)，1～2號(hào)測溫孔布置在凍結(jié)站側(cè)隧道，3～10號(hào)測溫孔布置在凍結(jié)站對(duì)側(cè)隧道。測溫孔深度0.5～6 m，埋設(shè)3～6個(gè)溫度傳感器，全程監(jiān)測地層溫度的發(fā)展情況。同時(shí)冷凍過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測鹽水去回路溫度。為釋放凍脹力，緩解凍脹對(duì)周圍環(huán)境的影響，聯(lián)絡(luò)通道布置4個(gè)泄壓孔，冷凍站側(cè)和對(duì)側(cè)各布置2個(gè)。

聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28～-30 ℃，維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為-25～-28 ℃。積極凍結(jié)期時(shí)間為35～40 d。凍土強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)為：單軸抗壓不小于6.8 MPa，抗剪不小于3.3 MPa，抗折抗拉不小于3.8 MPa。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)有效厚度為2.2 m，凍結(jié)壁平均溫度應(yīng)不超過-10 ℃，凍結(jié)壁與盾構(gòu)管片連接處平均應(yīng)溫度不超過-5 ℃。

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔、泄壓孔和測溫孔布置如圖3所示。

凍結(jié)孔編號(hào)為D1～D74和E1～E8；泄壓孔編號(hào)為X1～X4；測溫孔編號(hào)為C1～C10

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 鹽水去回路溫度

地層凍結(jié)過程中，循環(huán)的低溫鹽水源源不斷地將冷量傳遞給凍結(jié)管周圍地層，降低土體溫度直至結(jié)冰，達(dá)到加固土體的目的。圖4為鹽水去回路溫度監(jiān)測曲線。鹽水溫度的變化主要經(jīng)歷快速降溫、緩慢降溫和保持穩(wěn)定3個(gè)階段。凍結(jié)初期，鹽水和地層溫差極大，傳熱速率快，鹽水溫度快速降低，去路和回路平均降溫速率分別為1.88 ℃/d和1.95 ℃/d。此階段鹽水去回路溫度較大，維持在1.65～2.06 ℃。隨著冷凍的持續(xù)進(jìn)行，鹽水和地層溫差逐漸減小，降溫速率減慢，鹽水去回路溫差減小，維持在約1.0 ℃?？梢园l(fā)現(xiàn)鹽水溫度在23～27 d降溫加速，且去回路鹽水溫差增大。這是由于鹽水溫度降至-20 ℃后，機(jī)組制冷難度加大，故加開了1臺(tái)制冷機(jī)組，并加大了鹽水流量。伴隨地層能量傳遞達(dá)到平衡，鹽水去回路溫度逐漸保持穩(wěn)定。凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)37 d，鹽水去回路溫度分別為-28.9 ℃和-26.9 ℃，去回路溫差穩(wěn)定在約2.0 ℃，凍結(jié)管附近土體和鹽水熱負(fù)荷減小，凍土壁發(fā)展良好。

圖4 鹽水去回路溫度變化規(guī)律

3.2 測溫孔溫度

凍結(jié)孔大多從冷凍站側(cè)隧道鉆進(jìn)，由于鉆孔存在一定角度，冷凍站對(duì)側(cè)地層溫度較難控制，故選取冷凍站對(duì)側(cè)測溫孔溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5所示。凍結(jié)過程中，測溫孔溫度主要經(jīng)歷快速降溫、緩慢降溫和持續(xù)降溫3個(gè)階段，與鹽水溫度的變化具有一定的滯后性?？焖俳禍仉A段，受地層與鹽水較大溫度梯度影響，熱傳遞效率高，測溫孔溫度降速較大。緩慢降溫階段，伴隨地層溫度降低，鹽水與地層溫差縮小，熱傳遞效率下降，且當(dāng)溫度降至約0 ℃，土中水分相變成冰釋放潛熱，延緩了鹽水溫度的傳遞，測溫孔降溫減緩。持續(xù)降溫階段，受增加制冷機(jī)組和提升鹽水流量的影響，地層與鹽水溫度梯度再次增大，地層降溫加速。當(dāng)鹽水循環(huán)和環(huán)境傳導(dǎo)的能量逐漸趨于平衡，聯(lián)絡(luò)通道周圍地層溫度逐漸趨于穩(wěn)定。值得注意的是，冷凍過程中，受主線隧道側(cè)通風(fēng)影響，測溫孔測點(diǎn)埋深越淺，溫度相對(duì)越高，降溫越困難。

圖5 冷凍站對(duì)側(cè)測溫孔監(jiān)測結(jié)果

圖6為冷凍站側(cè)測溫孔C7～C10位于0.5 m和3.0 m埋深處溫度監(jiān)測結(jié)果?？梢钥闯觯瑑鼋Y(jié)壁外側(cè)測溫孔(C8和C10)溫度明顯高于內(nèi)側(cè)測溫孔(C7和C9)溫度，且C10處溫度較C8處更高。凍結(jié)37 d后，0.5、1.5、3.0 m埋深處C10測溫孔分別較C8測溫孔溫度高2.5、1.77、2.98 ℃。究其原因，凍結(jié)壁外側(cè)土體范圍較大，降溫耗費(fèi)能量多，導(dǎo)致凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)；此外，地下水滲流加劇了能量的流失，C10方向?yàn)闈B流迎水面，C8方向?yàn)闈B流背水面，迎水面水流帶走能量顯著多于背水面，故C10溫度高于C8。因此，凍結(jié)施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水滲流迎水面?zhèn)鹊臏囟缺O(jiān)測，保證暗挖安全掘進(jìn)。

圖6 測溫孔相同埋深溫度對(duì)比

3.3 泄壓孔壓力

凍結(jié)過程中，地層中水分相變成冰體積增大，產(chǎn)生凍脹，當(dāng)凍脹變形被約束時(shí)，地層中形成凍脹力。為控制凍結(jié)壁中的凍脹力并及時(shí)釋放，避免造成盾構(gòu)管片和鄰近管道的破壞，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道凍脹力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。4個(gè)泄壓孔的原始?jí)毫Ψ謩e為0.055、0.062、0.048、0.052 MPa，隨著凍結(jié)的推進(jìn)，地層壓力主要經(jīng)歷了保持平穩(wěn)、壓力增長和壓力釋放3個(gè)階段，這與梅源等[14]在西安地鐵某聯(lián)絡(luò)通道對(duì)泄壓孔壓力的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果保持一致。凍結(jié)初期，地層中水分凍結(jié)量較少，凍脹變形量較小，地層壓力保持穩(wěn)定。凍結(jié)持續(xù)23 d，地層溫度大范圍降至冰點(diǎn)以下，水分凝固量逐漸增加，凍脹力顯著增長。4個(gè)泄壓孔壓力最大值分別達(dá)0.33、0.34、0.34、0.33 MPa。由于泄壓孔與凍結(jié)壁外圍無水力聯(lián)系，地層中水相變?yōu)楸w積增加而擠壓周圍土體，當(dāng)凍脹變形被交圈的凍結(jié)壁約束時(shí)，凍脹力逐漸增長。因此泄壓孔壓力增長是凍結(jié)壁交圈產(chǎn)生凍脹引起，其壓力變化可作為凍結(jié)壁交圈進(jìn)展的判斷依據(jù)?？梢宰⒁獾剑?dāng)凍結(jié)持續(xù)至28 d后，泄壓孔壓力增長趨緩，說明凍結(jié)壁交圈良好。凍結(jié)35 d后開始連續(xù)泄壓，由于凍結(jié)壁仍在緩慢增長，泄壓孔壓力出現(xiàn)波動(dòng)，直至37 d，泄壓孔壓力降為0，說明地層溫度已趨于穩(wěn)定，凍結(jié)壁已基本不再發(fā)展。

圖7 泄壓孔壓力變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)凍結(jié)過程中，鹽水去回路溫度主要經(jīng)歷快速降溫、緩慢降溫和持續(xù)降溫3個(gè)階段。凍結(jié)37 d后，鹽水去回路溫度分別為-28.9 ℃和-26.9 ℃，去回路溫差穩(wěn)定在2.0 ℃附近，凍結(jié)管附近土體和鹽水熱負(fù)荷減小，凍土壁發(fā)展良好。

(2)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)地層熱傳導(dǎo)效率高于外側(cè)，迎水面地層溫度受滲流影響顯著強(qiáng)于背水面，引起凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)溫度低于外側(cè)，迎水面?zhèn)葴囟雀哂诒乘鎮(zhèn)龋虼藨?yīng)重點(diǎn)關(guān)注迎水面凍結(jié)壁外側(cè)的交圈情況。凍結(jié)37 d后，測溫孔的平均溫度均低于-10 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)泄壓孔與凍結(jié)壁外圍無水力聯(lián)系，泄壓孔壓力變化由凍脹力引起，可作為判斷凍結(jié)壁交圈的依據(jù)。泄壓孔壓力主要經(jīng)歷保持平穩(wěn)、壓力增長和壓力釋放3個(gè)階段。凍結(jié)28 d后，泄壓孔壓力增長趨緩，凍結(jié)壁交圈良好。凍結(jié)37 d后，泄壓孔壓力降為0 MPa，凍結(jié)壁已基本不再發(fā)展。