地鐵聯絡通道凍結法施工中冷凍排管布置形式分析*

張 松

(1. 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室(石家莊鐵道大學)， 050043， 石家莊；2. 北京中煤礦山工程有限公司, 100013, 北京； 3. 石家莊鐵道大學土木工程學院， 050043， 石家莊∥工程師)

目前，地鐵聯絡通道施工在長三角等地區一般采用凍結法。在長度小于17 m的聯絡通道施工中，一般采用單側布置冷凍站，雙面鉆孔施工。其中，一條隧道內施工大部分凍結孔(以下簡稱“主凍結面”)，另一條隧道施工下部兩排兜底封閉凍結孔以及可能增加的補孔(以下簡稱“輔助凍結面”)。施工中，輔助凍結面主要依靠主凍結面凍結孔尾端的鹽水循環進行凍結，但由于鉆頭、單向閥等構件位于凍結孔前段，造成輔助凍結面淺部凍結發展效果較差。為保證臨近管片位置保溫效果，一般采用緊貼管片布置冷板及保溫板進行保溫。聯絡通道凍結施工中出現問題的常見原因是輔助凍結面靠近管片位置凍結效果難以滿足設計要求，以致在開挖中某些點出現強度不足，最終形成涌水通道，釀成事故。本文針對目前施工現狀，從冷凍排管的形式、流量、間距等方面進行分析，選擇更為合適的冷凍排管相關參數，以提高凍結施工的安全系數。

1 冷凍排管形式

目前，聯絡通道施工主要采用φ48 mm×3 mm的圓形焊接鋼管，偶有采用40 mm×20 mm×2 mm的矩形鋼管。這主要是由于圓形鋼管易于加工彎曲。大部分工地一般采用鋼管直接彎曲后與管片貼合，本文中，為確保圓形鋼管接觸面積，利用鄭州地鐵1號線凍結工地將圓形鋼管與管片貼合后，采用素混凝土填充空隙，形成45°～60°斜坡狀增大接觸面積，進行測試。測試發現，一旦鹽水溫度降低后，混凝土收縮變形，大量脫落，約保存40%左右。為能夠模擬實際工況，設定圓形凍結管充填素混凝土呈90°，矩形鋼管設定為直接全部貼合。具體布置形式見圖1。

圖1 兩種冷凍排管布置形式

2 尺寸及流量選擇

冷凍排管內鹽水的流動主要分為層流及紊流，其中紊流的熱阻較小，導熱效率較層流高，約為層流的1.2～1.3倍[2]。因此，選擇積極凍結期間鹽水最主要維持區域-25 ℃(此段時間是凍結壁發展最為關鍵期間)以及開挖期間鹽水溫度-28 ℃計算相關雷諾數Re。

鹽水流動狀態隨Re變化：Re∈[0,2 300)， 鹽水處于層流狀態；Re∈[2 300,13 800]，鹽水處于層流向紊流轉化階段，但紊流狀態居多；Re∈(13 800，+∞)，鹽水處于紊流狀態[3]。

式中:

ωbr——液體流速；

dm——管子內徑；

rbr——鹽水密度；

μbr——鹽水動力黏度系數；

g——重力加速度。

選取15 ℃時密度為1 260 kg/m3的鹽水，-25 ℃時μbr=1.5×10-3，-28 ℃時μbr=1.65×10-3，計算選用不同管型的雷諾數達到2 300所需的流量。計算結果見表1。

由表1可以發現，在達到最低雷諾數要求標準的情況下，采用矩形鋼管單組冷凍排管大約可降低所需鹽水流量0.7 m3/h。在常規聯絡通道施工中，冷凍排管一般設置兩組，每組50～70 m，因此，采用矩形鋼管情況下，可降低鹽水流量需求約1.4 m3/h。在實際測試中，輔助凍結面受透孔流量限制，鹽水流量一般維持在一個穩定區間，各分組凍結孔流量維持在2.9～3.3 m3/h，因此有效壓縮冷凍排管的流量，可增加各分組流量。

表1 不同管型的雷諾數達到2 300所需流量表

3 間距選擇

根據上海地區凍結設計規范以及常規設計經驗，冷凍排管間距一般不大于500 mm[4]。因此，選擇排管間距分別為500 mm、400 mm、300 mm進行數值模擬，計算不同間距混凝土管片使用矩形冷凍排管12 h后的效果。數值模擬結果見圖2。由圖2可以發現，采用不同間距冷凍排管布置時，經過12 h凍結后，排管間均可形成有效的低溫隔離帶，隔絕土體內冷量外散。因此，冷凍排管布置可按相關規程上限500 mm間距進行布設，且適當放大間距仍可滿足施工要求。計算結果也表明，單根冷凍管形式所產生的效率問題對工程影響不大，相對常規40～50 d的積極凍結工期，不同間距冷凍排管在短期內均可有效完成管片周圍降溫，從而使得管片溫度低于土體溫度，有效阻止土體冷量向外散失。

4 現場測試

上海軌道交通9號線三期工程某聯絡通道為上海地區常規聯絡通道，其凍結孔布置剖面圖、平面圖如圖3、4所示。施工初期主凍結面未鋪設冷凍排管，現場實測凍結效果不理想。根據凍結效果，決定在主凍結面兩側增設冷凍排管，積極凍結第55天開始布置冷凍排管，并進行鹽水循環，同時對側墻靠近冷凍排管位置凍結孔C2、C3淺孔(貼近管片位置)進行測溫計觀察。測溫孔溫度變化如圖5所示。由圖可見，自第56、57天開始，兩個測溫孔測點溫度下降速度明顯加快。同時根據現場觀察，冷凍排管循環鹽水3 h后可明確觀察到周圍管片迅速結霜，且隨著時間增加，結霜區域逐步擴大。因此，鋪設冷凍排管后可有效降低附近淺部凍結壁溫度，提高凍結壁與管片交接面區域安全系數。

a) 網格劃分示意圖

圖3 聯絡通道凍結管布置剖面圖

圖5 測溫孔溫度變化曲線

5 結論

(1) 采用圓形鋼管制作冷凍排管時導熱效率高于矩形鋼管，但圓形鋼管和矩形鋼管的制冷排管均可在較短時間內實現對隧道管片降溫，因此二者效率差異可忽略不計；且采用矩形鋼管制作冷凍排管可有效降低冷凍排管所需流量，確保輔助凍結面凍結孔流量，保證凍結效果，因此冷凍排管采用矩形形式更為有利。

(2) 采用40 mm×20 mm矩形鋼管制作冷凍排管時，鹽水流量易控制在不小于2.5 m3/h，以確保冷凍排管內鹽水處于紊流狀態。

(3) 冷凍排管線間距可根據施工處管片格倉位置及凍結孔成孔孔位適當放大，不必拘泥于“必須小于500 mm”，仍可滿足施工需求。

(4) 對于夏季凍結效果較差情況，可在主凍結面布置少量冷凍排管，從而保證主面側墻凍結壁發展，提高凍結壁與管片交接面位置安全系數。

(收稿日期：2017-03-20)