富水砂卵石地層地鐵聯絡通道凍結試驗研究

劉志堅, 劉欣, 王炳祿, 寇鼎濤, 陳賢波, 沈宇鵬*

(1.中鐵十四局集團隧道工程有限公司，濟南 250101；2.北京交通大學土木工程學院, 北京 100044；3.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068)

伴隨城市軌道交通的迅猛發展，地鐵穿越復雜含水地層、重要構筑物等風險工程屢見不鮮，人工凍結技術憑借適應性強、加固強度高、封水性好和環境影響下等諸多優勢在城市地鐵建設中扮演愈發重要的角色，已逐漸成為含水軟弱地層暗挖施工達到無水施工環境的重要方法。

凍結壁的溫度是人工凍結技術設計和施工的重要參數，有效表征凍結帷幕的形成質量和強度。凍結帷幕溫度場受多種因素影響，是一個包含移動邊界、傳熱傳質、水分遷移和相變等復雜問題的多物理場過程[1]。中外學者針對凍結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]假設溫度溫度場為穩態問題，借助拉普拉斯方程推導出單管凍結溫度場公式；胡向東等[3-8]基于勢函數疊加原理、保角映射和匯源反映相繼推導出多排管、多圈管凍結溫度場的解析解，極大地推動了人工凍結理論的發展。數值模擬方面，賴遠明等[9]依托滲流理論、傳熱學和凍土力學提出了考慮相變影響的水熱力耦合模型，成功應用于寒區隧道凍脹力分析；周曉敏等[10]通過對滲流系數和熱物理參數進行光滑的曲線回歸，克服了熱流耦合高度非線性的難題，實現了滲流地層人工凍結的仿真計算；李東慶等[11]考慮了壓力勢和基質勢與溫度的關系，提出了能計算含水率、應力和變形的水熱力耦合模型。王彥洋等[12]考慮隧道內空氣對流與混凝土水化熱作用，建立了考慮溫度梯度變化的聯絡通道凍結施工三維數值模型；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效果，發現其效果隨水泥摻量增加先增強后減弱。現場測試方面，梅源等[14]依托西安某地鐵聯絡通道凍結工程，通過現場實測和數值仿真，研究了濕陷性黃土地區凍結法施工聯絡通道溫度場和變形場的演化規律；向亮等[15]考慮凍結管影響范圍的有效性，提出了多管凍結溫度場計算公式；周金生等[16]分析了軟弱地層凍結施工引起的凍脹問題，提出采用間歇凍結模式控制地層變形；鄭立夫等[17]鑒于傳統凍結壁厚度計算方法過于保守的問題，結合黏土地層凍結壁受力特點，提出一種優化的凍結壁厚度設計方法；師立德等[18]通過改變凍結管直徑控制不同斷面的對流換熱系數，縮短了凍結壁的交圈時間，解決了凍結壁發展不均勻的問題。

凍結溫度場理論的相關研究有力推動了人工凍結技術的發展和應用，但隨著地鐵建設地層條件的愈發復雜，地下水滲流對凍結溫度場發展規律及凍結壁交圈的影響不容忽視。地下水滲流源源不斷地帶走凍結管的冷量，易導致凍結壁厚度不能滿足設計要求甚至不能交圈，因此有必要研究滲流對凍結溫度場的影響規律。現依托北京地鐵19號線草橋站-右安門站區間3#聯絡通道(后稱聯絡通道)凍結工程，通過現場測試研究地層溫度場和泄壓孔壓力的發展規律，分析凍結帷幕的交圈情況，以保證聯絡通道凍結施工的順利推進。

1 工程概況

北京地鐵19號線草橋站-右安門站區間線路全長2 375 m，采用盾構+暗挖法施工，其中盾構段長度為2 150 m，暗挖段長度為169 m，主線隧道結構拱頂埋深范圍為9.0～22.18 m。聯絡通道拱頂埋深20.9 m，所在位置主線隧道中心線距離為11 m，左(右)線隧道的軌面標高為+13.996 m(+13.987 m)，地面標高約為+38.48 m。聯絡通道位于右安門外大街正下方，鄰近直徑500 mm的高壓燃氣管線，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。聯絡通道所處地層自穩能力差，上方管線復雜，水位標高為+18.460 m，結構位于地下水位以下，易造成涌水冒砂、隧道坍塌變形的風險。鑒于此，采用人工凍結法加固，礦山法開挖。

根據地勘報告，聯絡通道及排水泵站所處地層從上往下依次為：①素填土、②3粉細砂、②5卵石-圓礫、③3粉細砂、⑤卵石、⑦卵石、⑧2粉土和⑨卵石。聯絡通道及排水泵站所在范圍為⑦卵石、⑧2粉土、⑨卵石層，圍巖穩定性很差，施工過程中容易發生坍塌，需要及時支護。⑦卵石和⑨卵石層地滲透系數大，地下水連續分布，補給主要來自側向徑流及大氣降水，排泄方式主要為人為開采和徑流排泄。砂卵石層物理參數如表1所示。

表1 砂卵石地層物理參數

聯絡通道采用直墻圓弧拱結構，泵房為矩形結構。襯砌采用二次襯砌方式，初期支護為格柵鋼架和C25噴射混凝土結構，厚度250 mm；二次襯砌為C40 P10鋼筋防水混凝土結構，通道段側墻及仰拱厚度300 mm，底板厚度1000 mm,泵房底板厚度400 mm，側墻厚度300 mm。初期支護層和永久結構層之間設防水層。聯絡通道結構剖面和平面分別如圖1和圖2所示。

圖1 聯絡通道結構剖面圖

圖2 聯絡通道結構平面圖

2 凍結設計與監測方案

聯絡通道凍結孔采用左右線隧道兩側鉆孔，分別以上仰、水平和下俯3種角度在聯絡通道周圍打設，鉆孔選用MD-80A鉆機。該聯絡通道及泵房共打設82個凍結孔，其中包含4個透孔。凍結站側隧道打設15排，計53個凍結孔；凍結站對側隧道打設7排，計29個凍結孔，鉆孔工程量總計508.867 m。

為監測凍結帷幕溫度和凍結壁交圈情況，聯絡通道及泵房共打設測溫孔10個，1～2號測溫孔布置在凍結站側隧道，3～10號測溫孔布置在凍結站對側隧道。測溫孔深度0.5～6 m，埋設3～6個溫度傳感器，全程監測地層溫度的發展情況。同時冷凍過程中，實時監測鹽水去回路溫度。為釋放凍脹力，緩解凍脹對周圍環境的影響，聯絡通道布置4個泄壓孔，冷凍站側和對側各布置2個。

聯絡通道積極凍結期鹽水溫度為-28～-30 ℃，維護凍結期鹽水溫度為-25～-28 ℃。積極凍結期時間為35～40 d。凍土強度設計指標為：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。聯絡通道凍結壁設計有效厚度為2.2 m，凍結壁平均溫度應不超過-10 ℃，凍結壁與盾構管片連接處平均應溫度不超過-5 ℃。

聯絡通道凍結孔、泄壓孔和測溫孔布置如圖3所示。

凍結孔編號為D1～D74和E1～E8；泄壓孔編號為X1～X4；測溫孔編號為C1～C10

3 監測結果分析

3.1 鹽水去回路溫度

地層凍結過程中，循環的低溫鹽水源源不斷地將冷量傳遞給凍結管周圍地層，降低土體溫度直至結冰，達到加固土體的目的。圖4為鹽水去回路溫度監測曲線。鹽水溫度的變化主要經歷快速降溫、緩慢降溫和保持穩定3個階段。凍結初期，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 ℃。隨著冷凍的持續進行，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 ℃。可以發現鹽水溫度在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，機組制冷難度加大，故加開了1臺制冷機組，并加大了鹽水流量。伴隨地層能量傳遞達到平衡，鹽水去回路溫度逐漸保持穩定。凍結站運轉37 d，鹽水去回路溫度分別為-28.9 ℃和-26.9 ℃，去回路溫差穩定在約2.0 ℃，凍結管附近土體和鹽水熱負荷減小，凍土壁發展良好。

圖4 鹽水去回路溫度變化規律

3.2 測溫孔溫度

凍結孔大多從冷凍站側隧道鉆進，由于鉆孔存在一定角度，冷凍站對側地層溫度較難控制，故選取冷凍站對側測溫孔溫度監測結果進行分析，如圖5所示。凍結過程中，測溫孔溫度主要經歷快速降溫、緩慢降溫和持續降溫3個階段，與鹽水溫度的變化具有一定的滯后性。快速降溫階段，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。持續降溫階段，受增加制冷機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。當鹽水循環和環境傳導的能量逐漸趨于平衡，聯絡通道周圍地層溫度逐漸趨于穩定。值得注意的是，冷凍過程中，受主線隧道側通風影響，測溫孔測點埋深越淺，溫度相對越高，降溫越困難。

圖5 冷凍站對側測溫孔監測結果

圖6為冷凍站側測溫孔C7～C10位于0.5 m和3.0 m埋深處溫度監測結果。可以看出，凍結壁外側測溫孔(C8和C10)溫度明顯高于內側測溫孔(C7和C9)溫度，且C10處溫度較C8處更高。凍結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，凍結壁外側土體范圍較大，降溫耗費能量多，導致凍結壁內側溫度高于外側；此外，地下水滲流加劇了能量的流失，C10方向為滲流迎水面，C8方向為滲流背水面，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，凍結施工過程中，應加強對地下水滲流迎水面側的溫度監測，保證暗挖安全掘進。

圖6 測溫孔相同埋深溫度對比

3.3 泄壓孔壓力

凍結過程中，地層中水分相變成冰體積增大，產生凍脹，當凍脹變形被約束時，地層中形成凍脹力。為控制凍結壁中的凍脹力并及時釋放，避免造成盾構管片和鄰近管道的破壞，對聯絡通道凍脹力進行監測，結果如圖7所示。4個泄壓孔的原始壓力分別為0.055、0.062、0.048、0.052 MPa，隨著凍結的推進，地層壓力主要經歷了保持平穩、壓力增長和壓力釋放3個階段，這與梅源等[14]在西安地鐵某聯絡通道對泄壓孔壓力的現場監測結果保持一致。凍結初期，地層中水分凍結量較少，凍脹變形量較小，地層壓力保持穩定。凍結持續23 d，地層溫度大范圍降至冰點以下，水分凝固量逐漸增加，凍脹力顯著增長。4個泄壓孔壓力最大值分別達0.33、0.34、0.34、0.33 MPa。由于泄壓孔與凍結壁外圍無水力聯系，地層中水相變為冰體積增加而擠壓周圍土體，當凍脹變形被交圈的凍結壁約束時，凍脹力逐漸增長。因此泄壓孔壓力增長是凍結壁交圈產生凍脹引起，其壓力變化可作為凍結壁交圈進展的判斷依據。可以注意到，當凍結持續至28 d后，泄壓孔壓力增長趨緩，說明凍結壁交圈良好。凍結35 d后開始連續泄壓，由于凍結壁仍在緩慢增長，泄壓孔壓力出現波動，直至37 d，泄壓孔壓力降為0，說明地層溫度已趨于穩定，凍結壁已基本不再發展。

圖7 泄壓孔壓力變化規律

4 結論

(1)凍結過程中，鹽水去回路溫度主要經歷快速降溫、緩慢降溫和持續降溫3個階段。凍結37 d后，鹽水去回路溫度分別為-28.9 ℃和-26.9 ℃，去回路溫差穩定在2.0 ℃附近，凍結管附近土體和鹽水熱負荷減小，凍土壁發展良好。

(2)聯絡通道凍結壁內側地層熱傳導效率高于外側，迎水面地層溫度受滲流影響顯著強于背水面，引起凍結壁內側溫度低于外側，迎水面側溫度高于背水面側，因此應重點關注迎水面凍結壁外側的交圈情況。凍結37 d后，測溫孔的平均溫度均低于-10 ℃，滿足設計要求。

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