水平冻结法施工超大断面隧道的技术研究与应用

张　明，陈军浩

(1.约翰芬雷工程技术(北京)有限公司，北京　100004；2.福建工程学院土木工程学院，福建　福州　350118)



水平冻结法施工超大断面隧道的技术研究与应用

张明1，陈军浩2

(1.约翰芬雷工程技术(北京)有限公司，北京100004；2.福建工程学院土木工程学院，福建福州350118)

人工冻结法施工技术在一些困难地层、复杂地下结构施工中得到了广泛的应用，与其他工法相比，具有很多独特优点和可靠性。以广州地铁六号线大坦沙站方向与车站对接段隧道加固为工程背景，针对超大断面和复杂的条件，提出采用人工冻结法施工。首先基于热力学原理，推导了岩土冻结过程的水热力耦合控制微分方程组，并采用有限元软件对水平冻结过程进行了数值模拟，优化了设计参数。结果表明：积极冻结45天时有效冻结壁平均温度、有效冻结壁厚度、开挖产生最大变形均满足设计要求，最大变形位于冻土底板中间位置；表明采用的人工冻土双屈服面本构模型及水热力耦合控制方程是可行的。同时根据本工程特点，提出了施工技术难点与控制要点，保证了工程顺利实施，研究结果具有一定的实用价值。

人工冻结；水热力耦合；富水地层；地铁隧道

近年来，随着我国经济的迅猛发展，城市规模不断扩大，人工冻结法[1～4]施工技术在一些困难地层、复杂地下结构施工中得到了广泛的应用，与其他工法相比，具有很多独特优点和可靠性。

1940年，前苏联学者В.Н.Веунбрг首先研究了土中的冰对冻土力学性质的影响；H.A.Цытович揭示了冻土中存在未冻水的事实，并说明了未冻水含量直接与负温条件有关。H.A.Тютюнов(1947)在他的博士论文中肯定了不只是正冻土中有水分迁移。H.A.Цытович和С.С.Вялов于1955年解释了冻土流变为随时间变化的一个物理过程。HarLan R. L(1973)，Taylor G. S.等提出了饱和正冻土水热耦合模型；Hopke S. W.(1980 )第一个考虑外载作用的冻胀模型；2001年李洪升等提出了土体在冻结过程中水热力三场耦合一般数学模型；文献[6]等通过冻结模型试验获得了冻结温度场、水分场和冻结应力场的特征。

广州地铁六号线大坦沙站至如意坊站区间暗挖段隧道冻结加固工程位于大坦沙站侧，为与车站对接段隧道，为双线矩形断面。对接段隧道长度约为13米、高7.45米、宽12米；埋深距地面仅4.43米。原设计采用明挖法施工，因施工段中部地面上有广荗铁路客运线穿过，同时，隧道与车站对接段有近10米的长度在5号线地铁车站的正下方，地下污水、雨水等管线交叉穿梭。受此影响，现阶段不方便组织明挖法施工。现采用水平冻结孔冻结加固土体，矿山暗挖法施工。为此，本论文对水平冻结法施工广州地铁超大断面隧道进行了技术研究。

1　人工冻结水热力多场耦合力学模型

1.1 基本假定

假设土体为均质连续、各向同性的粘弹塑性材料。研究的土体位于地下水位以下，认为土体是饱和的多孔介质材料，并忽略气相迁移；水分迁移主要是由温度梯度引起的，无溶质迁移；在饱和土中除冻结管提供的热源外，没有其它热源或热汇。假设水和土的热动态平衡是瞬时发生的，即土粒骨架和周围流动的水具有相同的温度。

1.2 多场耦合控制微分方程

(1)

(2)

式中：k表示导水系数，m2/(h·℃)；H为水头高度，m；α为水分扩散率。

1.3人工冻土屈服面本构模型

西源模型[6]能反映材料的粘弹塑性质，本文以西源模型为基础，对其中的粘塑性项进行改进，以适用于冻土的复杂变形性质。根据人工冻土室内试验分析提出了一个新的适合冻土的粘弹塑性本构模型[7]，如图1所示。

图1　冻土双屈服面流变模型

西源模型在岩土工程应用上理论较成熟，三维状态下流变模型很难用形象化的物理元件来描述，但流变本构方程可以用一维模型，采用类比的方法直接推导。

(3)

式中：E0、E1为材料的弹性模量,MPa；η1、η2为材料的黏滞系数,MPa·min；t为作用的时间,h;F1、F2为屈服函数，见式(4)和式(5)。式(3)即为双屈服面冻土流变本构方程。

剪切屈服面引起冻土剪切变形，符合D-P屈服准则，D-P屈服函数见式(1)。由于卸载引起的体积膨胀可以选用沈珠江提出的南水双屈服面模型中的压缩屈服面。

剪切屈服面

(4)

c为冻土的黏聚力(MPa)；σm、J2为分别为第Ⅰ应力不变量和第Ⅱ偏应力不变量。

体积屈服面

(5)

双屈服面模型能很好的表示人工冻土在静水压力下的体积蠕变和偏应力下的剪切变形规律。

2　水平冻结方案

2.1工程地质及水文地质概况

根据勘察资料，本区段场地较平坦，起伏不大，砂层分布广泛，厚度较大，地下水丰富，暗挖隧道埋深较浅，隧道结构范围内主要为<2-2>淤泥质粉细砂层，结构下部为< 4-1>粉质粘土层，结构上部为人工填土。地下水水位埋藏较浅，稳定水位埋深为0.00～4.80m。冻结加固范围内土层主要为<2-2>淤泥质粉细砂。

2.2水平冻结设计方案

考虑本工程的特殊性和安全要求，冻结帷幕设计厚度为2.0m，平均温度不高于-10℃，采用水平冻结，侧墙和顶部单排冻结孔，底板双排冻结孔，暗挖段端头用双排垂直孔封堵，冻结管规格为φ108×8的20#低碳钢无缝钢管。冻结孔成孔间距控制在1.3m以内(底部双排孔控制间距不大于1.6m)，总冻结孔个数为120个，测温孔10个，卸压孔8个。设计最低盐水温度为-28～-30℃，冻结7天盐水温度达-20℃以下，单孔盐水流量5～7m3/h。根据本工程超大断面的特性，采取分区开挖，中间部位水平冻结孔先开机冻结，垂直冻结孔及两侧冻结孔延后10～15天开机冻结。冻结施工过程中为减小对上部既有结构的影响，冻结施工前应通过上部卸压(注浆)孔XT1～XT13对5号线车站下方、暗挖通道上方土体进行卸压，压力不易卸除时可通过泥浆循环将泥土带出，以减少冻结期间冻胀[8～10]对上部站台结构的破坏作用。开挖期间根据地面沉降情况对上部卸压(注浆)孔XT1～XT13进行适当注浆，开挖结束后根据地层沉降情况对上部卸压(注浆)孔XT1～XT13和通道内预埋注浆管进行注浆。冻结孔和测温孔平面布置和立面布置如图2所示。

图2　冻结孔和监测孔水平、立面布置图

3　冻结过程水热力耦合分析

由于工程影响范围不大，假设工程所在位置计算范围内各地层均水平分布。冻结加固范围内土层主要为<2-2>淤泥质粉细砂，根据冻土实验报告[11]，取土层对应的物理参数。计算时，冻结前初始地温和空气温度取25℃，空气对流系数为5.0W/m2·℃，结冰温度取-0.6℃，-10℃时冻土强度指标取抗压6.4MPa，抗折3.0MPa，抗剪5.5MPa，冻土的弹性模量和泊松比分别取210MPa和0.23。模型材料的计算参数如表1所示，盐水温度降温计划如表2所示。

表1　材料计算参数

表2　盐水温度降温计划

3.2计算结果及分析

(1) 冻结温度场计算结果 通过有限元计算，说明冻结交圈时间为15～20天左右；积极冻结45天后，首先开挖的左上部台阶位置冻土，顶部有效冻结壁厚度可达2.7m，侧墙达到2.3m，有效冻土平均温度达到-11.1℃；“田”字形冻土体中间土体不会冻结，开挖边界温度约为-7.5℃，冻结温度场云图如图3所示。

图3　冻结温度云图

根据温度场计算，设计积极冻结时间为45天；考虑维护结构散热影响，设计有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为2.0m。可考虑分区开始冻结，中间位置冻结孔比周边孔先开机冻结，左上部分区冻结45天后可开始开挖左上部通道，此时右下部通道最薄处冻土墙为右下侧，冻土厚度为1.9m，开挖到此处时可以达到设计参数。

(2) 冻土结构计算结果冻结壁力学分析水平通道外围冻结壁有效厚度为2.0m，冻结壁平均温度为不高于-10℃。冻土壁承载力验算采用许用应力法，根据《旁通道冻结法技术规程》中的Ⅲ类冻结壁强度检验，同时考虑本工程安全性质，安全系数取：抗压3.0，抗折3.0，抗剪3.0。冻结壁顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土压力取静止侧压力系数0.7计算，土的平均重度取18.5kN/m3，计算结果如图4所示。

图4　冻土结构计算结果

从计算结果可以看出，计算的应力值小于强度值，冻结壁的总体承载能力可以满足施工要求。开挖产生最大变形位于冻土底板中间位置，最大达65mm，开挖时需要采取措施以减小冻土变形。

根据底部开挖附加变形过大的问题，设计采取分区分断面开挖，中间布置两排冻结孔，形成两排冻土立柱，开挖断面大致分为三个区。施工过程中先开挖中间区域部分，保留两侧冻土立柱，中间部分初衬和二衬做完后，再开挖两侧部分，两侧部分应先施工底部初衬和二衬，再施工上部初衬和二衬，施工过程中应制定详细的工艺流程、开挖步骤，做到随挖随撑，加强监测控制好冻土底板变形[12]。

4　主要施工技术难点及控制要点

根据广州地区地层冻结法设计和施工经验以及该工程所处位置的自身特点，存在以下主要技术难点

(1)结构所处的土层为砂性土，含水量高，渗透性强，为透水土层，本段砂层分布广泛，且厚度大，连通好，和地表水水力联系密切，富水性强。在钻孔和开挖时，易发生涌水坍孔等事故。

由于苗族聚居区的聚居特征以及其位置、传统文化的影响，苗族银饰锻造技艺的传承习惯是传男不传女，传内不传外。且因历经多年的发展以及其比较重，价格较贵等各种因素的影响，选择整套、具有苗族特征银饰的顾客越来越少，苗族银饰的盈利性并不明显。在这种情况下，很多年轻人选择外出务工，因此现今懂得苗族银饰锻造技艺的人非常少，且基本上都是老一辈劳动者，这些人文化程度普遍偏低，经济水平也相对一般，对蕴含丰富文化内涵的苗族银饰不甚关注。

(2)冻结施工地点离两侧珠江水系较近，有500多米。易受江面潮水起落影响，引起地下水的流动，造成一定的冷量损失。

(3)冻结地层离地面较近，顶板冻结边线离地面只有约2.4米，广州的气温较高，气温对地面的温度影响对冻结帷幕不利，以及积极冻结期主要位于雨季，可能对冻结效果影响比较大。冻结期浇筑混凝土，可能对混凝土本身的强度造成一定影响。

(4)地面有正在运营的地铁5号线，冻结区域离站厅较近，冻胀力释放控制不当容易引起车站站棚变形。同时冻结体顶板处有排水管路，冻结过程中很容易对管路造成冻胀挤压破坏，施工过程中需采取有效措施减小冻胀对附近构筑物的影响。

针对以上技术难点，施工过程中应做好以下技术要点的控制

(1)冻结施工前，应对该地层进行适当的改良性注浆，以减小流动性雨水、地下水等对冻结壁的影响，同时减小施工过程中的冻胀以及后期的融沉。

(2)钻孔时，采取二次开孔，首先将车站结构和连续墙开孔开通，在孔口安装专门的密封装置，再进行钻孔施工。采取跟管法钻进，冻结管兼做套管，一次性成孔，减少水土流失，控制对地层的扰动。控制冻结孔施工质量，在冻结孔长度、偏斜和密封性能上保证100%合格。

(3)冻结制冷量保留较大富余，设备考虑一定量的备用，以保证冻结施工的连续性，确保加固质量和施工安全。

(4)在地面站厅和冻结线位置施工一定量的水平卸压孔，安装压力表，进行动态监测，并结合沉降及变形监测情况及时进行卸压，控制冻胀力对周边环境的影响。

(5)开挖过程中采用分区、分台阶法、小断面、短步距的开挖方式，并及时进行临时支护，为减小开挖面冻结壁散热以及低温冻土对新浇筑混凝土的影响，初衬采用铺设木背板加型钢后喷射混凝土支护。随着开挖暴露面不断增大，必要时采取铺设保温层等保温措施。

(6)加强冻结过程中对盐水箱液面的测量，一旦发现盐水泄漏，及时汇报，并及时对现场所有盐水管路进行检查，首先判断是因冻结管断裂或焊接质量有问题出现的盐水泄漏(此盐水漏入冻结土体内)，还是从冻结胶管或是盐水干管及阀门中泄漏的 (此盐水未漏入冻结土体内)。若盐水漏入冻结土体外，直接根据情况及时修复，再恢复冻结；若盐水漏入冻结土体内，则要用排除法进一步确定是哪些组出现了问题，最后确定到具体的冻结管，采用下套管的方法，再恢复冻结。

在施工过程中，加强对地面、地层压力、土体温度、地层沉降进行监测，为指导施工。为减少融沉对结构的影响，在结构上预埋注浆管，施工结束后，进行跟踪注浆施工，控制融沉量，直至稳定。

本工程冷冻机于2012年3月23日开始正式运转，5月13日所有冻结孔开始冻结，6月16中间区域正式开挖，9月19日完成整个暗挖段二衬结构，施工取得了圆满成功。并且在此施工过程中所有监测数据正常，均在允许范围内，对周围构筑物及环境未造成任何重大影响。

5　结论

本文以广州地铁六号线大坦沙站方向与车站对接段加固隧道为工程背景，针对超大断面和复杂的工程地质条件，开展冻结法施工技术研究，获得以下几点结论：

(1)基于热力学原理，推导岩土冻结过程的水热力耦合控制微分方程组，获得适用于人工冻土的双屈服面本构模型，通过工程实例验证了模型的正确性。

(2)采用有限元软件对水平冻结过程冻结壁水热力耦合进行数值模拟，得出开挖产生最大变形位于冻土底板中间位置，根据数值模拟计算结果，进一步优化了冻结设计参数。

(3)根据广州地区人工冻结法施工经验以及本工程所处位置的自身特点，指出大断面隧道冻结法施工的技术难点，并提出相应控制要点，在工程中得到较好应用，保证了工程顺利实施，相关技术可供类似工程参考。

[1]方江华,张志红,张景钰.人工冻结法在上海轨道交通四号线修复工程中的应用[J].土木工程学报, 2009, 42(8): 124-128.

[2]周晓敏,王梦恕,陶龙光,等.北京地铁隧道水平冻结和暗挖施工模型试验与实测研究[J].岩土工程学报,2003,25(6):676-679.

[3]王灵敏,王文升.局部冻结法加固土体在大直径盾构出洞中应用[J]. 地下工程与隧道, 2006(1):39-42.

[4]肖朝昀，胡向东，张庆贺.地铁修复工程中冻结法设计[J].岩土工程学报, 2006, 28:1 716-1 719.

[5]汪仁和.人工多圈管冻结地层的水热力耦合研究及其冻结壁计算[D]. 中国科学技术大学，2005,10.

[6]汪仁和,李栋伟,王秀喜.改进的西原模型及其在ADINA程序中的实现[J]. 岩土力学. 2006，27(11):1 954-1 958.

[7]李栋伟,汪仁和,胡璞.冻粘土蠕变损伤耦合本构关系理论研究[J]．冰川冻土．2007，29(3)：446-449.

[8]张明.人工冻结土体侧向冻胀特性研究[D].安徽理工大学，2007，06.

[9]姚直书，程桦. 锚碇深基坑排桩冻土墙围护结构的冻胀力研究[J].岩石力学与工程学报, 2004,23(9):

1 521-1 524.

[10]张莲海，马巍，杨成松，等.土在冻结及融化过程中的热力学研究现状与展望[J].冰川冻土，2013,35(6)：1 505-1 518.

[11]岳丰田.广州地铁盾构二标二期暗挖段水平冻结土样冻土力学性能试验报告[R].徐州：中国矿业大学，2011.

[12]王伸远，李栋伟．深部人工冻结黏土三轴蠕变试验研究[J].冰川冻土，2014,36(6)：1 479-1 483.

(责任编辑：李丽,范君)

Technology Research and Application of Horizontal Freezing Method in Construction of Large Section Tunnel

ZHANG Ming1，CHEN Jun-hao2

(1.John Finlay Engineering & Technology (Beijing) Co.,Ltd, Beijing 100004, China；2.School of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou Fujian 350108, China)

Artificial freezing construction method has been widely used in some difficult stratums and complex underground structure construction, compared with other construction methods, it has many unique advantages and reliability.In this paper, taking tunnel reinforcement of Guang Zhou Metro Line 6 between Datansha station direction and the subway station, the construction of artificial freezing method is put forward for the large section and complex conditions. The rock and soil freezing process of water heat coupling control system of differential equations are proposed, which is based on thermodynamics principle, and the horizontal freezing process is simulated by using the finite element software and optimized design parameters. The results showed that after 45 days positive freezing, the average temperature of frozen wall, the effective thickness of frozen wall, and the maximum deformation are all satisfied with the design requirement, and the maximum deformation is located in the middle position of frozen floor. The artificial frozen soil of double yield surface constitutive model and water heat coupling control equation is feasible. According to the characteristics of this project, the construction technical difficulties and construction control key points are put forward to ensure the smooth implementation of the project. These research results have certain practical values.

artificial freezing; water thermal coupling; water-rich formation; subway tunnel

2016-01-06

国家自然科学基金资助项目(51504070)

张明(1981-)，男，安徽桐城人，高级工程师，硕士，研究方面向:岩土工程与地层冻结的设计与研究。

TU445

A

1672-1098(2016)04-0027-06