轨道交通人工冻结法施工冻胀量精细化控制

张 松 岳祖润 杨忠年

(1.石家庄铁道大学，河北石家庄 050043； 2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013； 3.青岛理工大学，山东青岛 266000)

1 概述

随着城市轨道交通的发展以及地下空间的拓展，所面临的工况越来越复杂。以地铁施工为例，由于地下空间中既有建构筑物错综复杂，线路走向受限于整体规划，规避管线与建构筑物困难。人工冻结法可有效控制复杂条件下的地基变形，如上海地铁13号线大渡河路站3号出入口与车站换乘通道工程最近一根污水管与冻结壁距离0.445 m[1]、哈尔滨地铁2号线哈尔滨站大里程端冻结加固工程φ2.2 m排水管距离冻结壁顶部仅2.7 m。

人工冻结法施工中变形控制主要包括冻胀、融沉控制两个方面。融沉控制一般采用跟踪注浆方式解决，而对于积极冻结期间的冻胀变形，则采用冻结壁内部泄压孔泄压方式进行控制，但其结果往往并不理想。目前，在变形要求严格且施工空间足够的情况下，可通过增设冻结壁上部泄压孔的方式进行冻胀控制，如图1所示。但实际施工中，许多工程难以满足布置上部泄压孔的空间要求(地铁联络通道工程空间尤为狭小)。因此，对于小空间内的冻胀控制方案仍需改进。

图1 人工冻结法冻胀控制示意

土体的冻胀变形是由土中的水结晶成冰引起的体积膨胀造成的。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀；孔隙水的原位冻结，可造成体积增大9%，外界水分补给并发生分凝冻胀，可造成体积增大109%[2]。根据JM Konrad提出的分凝势模型理论，土体内的水分迁移速率与温度梯度呈正比关系[3-4]。而在市政领域的人工冻结法施工中，工程多位于富水的软土地区，且人工冻结工法易形成较大温度梯度，造成其原位冻胀、分凝冻胀都较大。

针对冻胀控制问题，国内外学者进行了大量的研究，其中周国庆提出了采用间歇冻结的方式抑制人工冻土的方法[5]，并通过室内试验方式证明了在温度场尚未趋于稳定的情况下改变热边界，使冻结锋面的拟稳定态不断被打破，分凝冻胀难以形成，可以有效控制冻胀[6]。胡坤通过室内试验的方式研究了采用全过程间歇冻结以及前期正常冻结、后期间隙冻结的后间歇冻结的冻胀量，得出了15 cm高冻土柱的全间歇冻结冻胀量为对比组冻胀量的14.4%；并研究了其不同变温幅度以及时长的影响，提出了间隔时间不宜过长，否则会影响冻结壁强度的建议[7-8]。高伟论述了红庆梁回风立井冻结工程中采用间歇冻结的方案，将间歇冻结温度变换幅度选择为-30～-10 ℃，可保证冻结安全及节省工程成本[9]。

在冻胀控制方面，除了采用减缓冷量输入外，还可采用人工加热方式。胡向东在港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道顶管间隙的冻结加固中，采用加热管的方式控制冻结壁的形态，并在现场实测中得到了验证[10]。韩圣铭在上海地铁出入口冻结工程中采用了泄压孔配合解冻孔的方式进行冻胀控制，成功控制了上部管线的变形[1]。陈红蕾对单冻结管温度场数值进行了计算，对冻结管的几种隔热状态效果进行比较，得出了隔热与不隔热之间冻结管外表面热流密度的数量关系，提出了可行性的方案规划[11]。但是，采用人工加热方式往往会对部分区域造成反复多次的冻融循环。王天亮通过室内试验，研究了冻融循环对于土体沉降性质的影响，结果表明：第一次冻融循环冻胀融沉量较小，而经过多次冻融循环后的试件冻胀融沉量会变大，一般冻融循环5次后土体冻胀融沉量逐步稳定[12]。

很多工程中，顶部间歇冻结区域往往是开挖主要风险点[13]。因此，间歇冻结过程中也需确保冻结壁满足设计要求。

为研究适用于浅埋工况下的人工冻结法冻胀控制，针对上海地铁某换乘通道工况，采用数值计算的方法，分析不同间歇冻结方案情况下指定控制点的位移及温度情况，最终提出一种适合于该工况的间歇冻结方案，并建立冻胀量与温度指数、空间关系之间的函数关系。

2 工程概况

上海轨道交通某车站建筑过程中需与既有线路间设置换乘通道，受限于区域内存在的竖向排污工作井，计划建设两座平行换乘通道，通道宽度分别为9.4 m及5.9 m，长度均为6.8 m。该工程冻胀控制要求主要源于结构上方的22×104kV电力箱涵(混凝土结构)。根据要求，该箱涵变形不得大于2 cm。由于箱涵内部线缆预留变形较小，箱涵产权单位要求温度不宜发生较大变化。因此，限定箱涵底部温度变动幅度不得高于10 ℃。

原计划对该区域采用MJS工法进行加固后再开挖，但由于电力箱涵为杨浦区主要输电线路，搬迁成本较高，且无法采用原位悬吊保护。因此，拟采用水平冻结法对土体进行加固后，采取暗挖法进行换乘通道施工，从而避免电力箱涵的搬迁。

根据换乘通道的结构设计，计划采用矩形冻结管布置形式，围绕开挖构筑区域形成有效的封闭冻结壁。冻结过程中，需对箱涵下部冻结壁进行精确的冻胀控制。

3 冻胀控制方案选择

目前可行的冻胀方案主要有三类，分别为泄压控制、加热控制、间歇冻结控制。其中泄压控制以及加热控制均需要在冻结壁上部施作一排管孔(见图2)，如施工钻孔则需占用已运营车站上部空间。受运营车站进站厅区域空间限制，难以布置钻机，前两种方案不可行。

图2 冻结法加固换乘通道设计(单位：mm)

有研究表明，反复的冻融循环将会使土体在冻结施工结束后形成较大的沉降变形。因此，采用解冻孔方案虽然可以有效破坏冻结锋面的稳定性，减小分凝冻胀，但是同时会造成后期融沉控制困难。

经过比较，最终选择了间歇冻结的方法进行冻胀控制，该方法也是最适用于浅埋联络通道、出入口、换乘通道类型工程的解决方案。该方法无需增大钻孔工作量，可有效减少对隧道管片、既有结构的破坏，占用空间小(无需占用结构开挖工作面)，是小空间施工的最优方案。

4 几何模型

建立20 m×20 m二维热-固耦合模型，设置一排冻结管，间距按常规设计布置取0.8 m，冻结管上部0.3 m位置为启动间歇冻结标识点(当冻结壁向外扩展超过0.3 m时启动间歇冻结)，冻结管上部1.9 m位置为温度控制点A，要求该点温度不低于0 ℃，且位移不大于0.1 m，如图3所示。采用四边形为主网格，网格类型为CPE4R。设定积极冻结时间为40 d，土体初始温度取18 ℃，土体物理参数根据以往类似研究数据选取[14-16]，见表1。建模时本工程尚未实施，计算中盐水温度按市政冻结中常见温度变化情况设置(采用边界荷载方式设置在冻结管周围)，模型外边界设置为热绝缘状态。

图3 计算模型简图(单位：m)

温度/℃密度/(kg·m-3)弹性模量/Pa泊松比导热系数/(W/m2·K)比热/(J/kg·K)-1018401.9e80.252.221022-218331.05e80.282.101080-113202e70.321.5413301013643.92e60.341.441453

5 冻胀控制方案及计算结果

为了选择合适的冻胀控制方案，本次计算中共设置四组冻结方案，并将正常降温冻结方案作为对比组进行研究，各间歇冻结组冻结方案参数如表2所示。

表2 冻结方案参数

5.1 正常冻结方案(对比组)

参考以往类似工程降温曲线，简化降温曲线为5 d降温至-22 ℃，10 d降温至-28 ℃，积极冻结期为40 d，进行数值计算并记录控制点A温度、竖向位移情况以及冻结管上部0.3 m处温度变化情况(如图4所示)。根据数据分析可知，积极冻结第5.45 d冻结壁向外扩展至0.3 m。因此，后期方案均采用积极冻结6 d开始进行冻胀控制。计算数据显示，最终控制点A的温度为0.6 ℃，温度变化为17.4 ℃、位移为11.9 cm。可见，其变化超出了控制指标，冻结壁约厚3.3 m，其中冻结管上部厚1.5 m，下部厚1.8 m。

图4 对比组各点温度、位移曲线

5.2 间歇冻结方案一(Ⅰ组)

根据对比组数据，选择正常冻结至6 d开始间歇冻结，间歇冻结温度变化区间为-28～-5 ℃，时间间隔为3 d，积极冻结为40 d，并记录控制点A位移、温度相关数据(如图5所示)。根据数据分析可知，控制点A最大位移为5.7 cm，温度6.7 ℃，最大变化幅度为11.3 ℃。冻结壁厚2.4 m，其中冻结管上部厚1.1 m，下部厚1.3 m。

图5 第Ⅰ组各点温度、位移曲线

5.3 间歇冻结方案二(Ⅱ组)

根据Ⅰ组计算数据，控制指标有所改善，但尚未达到要求，修订方案温度变化区间为-28～-5 ℃，时间间隔为1 d，积极冻结为40 d，并记录控制点A位移、温度相关数据(如图6所示)。根据数据分析可知，控制点A最大位移为5.2 cm，温度6.7 ℃，最大变化幅度为11.3 ℃。冻结壁厚2.4 m，其中冻结管上部厚1.2 m，下部厚1.2 m。

图6 第Ⅱ组各点温度、位移曲线

5.4 间歇冻结方案三(Ⅲ组)

图7 第Ⅲ组各点温度、位移曲线

根据第Ⅰ、Ⅱ组对比可以发现，缩小间歇冻结时间间隔对于冻胀及温度控制效果并不显著，其原因主要是累计向土体内输送的总冷量基本保持一致，最终在相同时间段内土体温度场基本一致。为验证这一观点，控制温度变化区间不变，将时间间隔延长至5 d，并记录控制点A位移、温度相关数据(如图7所示)。根据数据分析可知，控制点A最大位移为6.38 cm，温度6.7 ℃，最大变化幅度为11.3 ℃。冻结壁厚2.4 m，其中冻结管上部厚1.25 m，下部厚1.15 m。

根据前三组方案对比可以发现，冻胀及冻结壁的扩展与传输入土体的总冷量呈正相关关系。

5.5 间歇冻结方案四(Ⅳ组)

为了实现对控制点A的温度、位移控制，调整间歇冻结方案为：温度变化区间为-15～-5 ℃，间歇冻结时间间隔为3 d，积极冻结为40 d，并记录控制点A位移、温度相关数据(如图8所示)。根据数据分析可知，控制点A最大位移为1.54 cm，温度9.63 ℃，最大变化幅度为8.37 ℃。冻结壁厚1.4 m，其中冻结管上部厚0.67 m，下部厚0.73 m。满足了控制目标。

图8 第Ⅳ组各点温度、位移曲线

为了更直观地对比计算结果，绘制各组计算数据的温度、位移云图(如图9所示)，可以看出，第四组冻胀量与冻结壁厚度控制最为有效，其冻结壁厚度也满足设计要求。因此，第四组间歇冻结方案为最优选择。

5.6 方案选择及冻胀计算公式

综上所述，方案四是最为有效的施工方案，3 d的时间间隔便于施工操作，高低温循环幅度较小，利于施工调整。对于单排冻结孔的冻胀控制，该种设计方案的实际操作较为理想。

为使间歇冻结具有更广泛的适用性，利用上述计算结果，并增补温度变化区间为-18～-8 ℃、-25～-15 ℃、-28～-15 ℃的计算数据，根据土体的冻胀量与土体内输入的总冷量呈正相关关系的性质，推导出积极冻结期间歇冻结40 d冻胀量计算公式

(1)

α=0.032×h2-0.31×h+1.41

(2)

h——计算点至冻结管轴面距离/m；

α——冻胀修订系数；

ε——计算点竖向冻胀位移/cm。

公式适用条件如下：

参照各地区相关规范与设计图纸，冻结管间距选择为0.8 m。

适用于距离冻结管1.0～4.0 m范围内的近距离冻胀预测。

适用于与本工程地层物理参数相同或相近情况下的冻胀量计算，对于参数相差过大的地层，只可用作定性分析。

分组Ⅰ组Ⅱ组Ⅲ组Ⅳ组图例位移场/cm温度场/℃

图9不同冻结方案位移场及温度场

为了验证公式的有效性，重新选择冻结温度变化区间为-16～-8 ℃，时间间隔为3 d的冻结方案，进行40 d积极冻结期不同位置冻胀公式计算值与仿真计算值之间的对比，结果如表3所示。

表3 不同深度冻胀对比

6 间歇冻结的操作方案

根据方案四所规划温度方案，将上部间歇冻结区域冻结管单独进行循环，在冻结工作面集配液圈引出一组分路，进入工作面小型盐水箱，再利用管道循环泵对盐水进行间歇冻结区域分组循环(图10中红色部分)，从而实现上部冻结管独立变温、其余区域保持正常冻结的效果。在小型盐水箱内安装温度检测装置及自动加热装置，将盐水温差控制在±3 ℃内。如图10所示。

图10 间歇冻结工作面示意

7 结论

(1)采用间歇冻结方案可以有效控制浅埋冻结工程的温度、冻胀情况，从而实现对于临近冻结壁区域的管线冻胀控制。针对换乘通道工况制定了温度变化区间为-5～-15 ℃，间歇冻结循环间隔为3 d的间歇冻结方案，在保证冻结施工质量的前提下，可将冻胀量控制在1.54 cm以内，为对比组结果的13%。

(2)间歇冻结的循环间隔对于冻胀变形的影响较小，可以忽略。加大或减小时间间隔，控制点A的最大冻胀量和温度区间有微小变化，变化幅度约为7%～12%。

(3)积极冻结过程中，传入土体的总冷量是土体发生冻胀的主要因素。选择不同的温度变化区间计算其温度指数。对比计算结果发现，随着温度指数模的增大(传入土体冷量的增多)，相同点的位移发生了明显的变化。

(4)建立了浅埋人工冻结法间歇冻结冻胀量计算公式，认为在确定地层参数及冻结管间距的情况下，冻胀量与计算点与冻结管轴面的距离、温度指数有关。该公式对于与本工程土体热物理参数类似工程中的冻胀量预估有一定参考意义。