富水卵砾石地层联络通道冻结设计与试验研究

张碧文

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

冻结法自19世纪60年代出现后，数十年间被广泛运用在矿山建设、地下工程建设等领域。目前，冻结法在软弱、富水地层地铁联络通道应用较为广泛，但对于卵砾石地层的冻土力学指标和热物理指标没有进行过相应的研究，导致目前设计中缺乏卵砾石地层的物理力学指标和热物理指标，对于冻结设计和冻结壁的发展预测难以准确判别。为此，文章依托南宁地铁一号线民～清区间2号联络通道工程，结合富水卵砾石冻结壁低温状态下物理力学特性试验、联络通道冻结设计模型试验研究结论，以解决富水卵砾石地层联络通道的冻结设计方案和施工技术问题。

1 参数试验

1.1 物理试验

试验所选用的卵砾石料取自该联络通道的卵砾石层，分别在其4个部位取样，每次取样性质不相同，按规范要求测算基本物理性质指标，包括相对密度、塑限液限、级配水平、含水率。考虑到试验操作和适用范围，采用等量替换法通过中型击实试验测出卵砾石料的最大干密度。

1.2 强度试验

联络通道冻结法施工过程中，联络通道处冻结壁主要受水土压力及地面荷载的影响，受力状态以受压为主；在联络通道与地铁隧道管片相交处的冻结壁，受力状态以受剪切为主。通过试验探究卵砾石地层抗压强度与冻结温度之间的作用关系，配置不同级配试样，探究抗压强度与试样级配的关系。试样抗压强度随冻结温度的降低不断增加，承载能力不断增强，轴应变随冻结温度的降低不断减小；试样随着粒径的增大三轴抗压强度提高。

1.3 热物理试验

热参数主要包括卵砾石地层的起始冻结温度、比热容、导热系数。根据试验，试样比热容随着冻结温度的降低不断下降，从1.6J/（g·℃）下降到1.06J/（g·℃）；冻结温度的改变导致试样中含冰量与含水率的不同，随着冻结温度的降低，卵砾石试样中含冰量增多，由于冰的导热系数远大于水的导热系数，致使卵砾石试样导热系数不断上升，由1.71W/（m·℃）增加到2.13W/（m·℃）。

2 模型试验

由于现场取土困难，试验采用了与现场材料基本物理性质相似的不同材料进行配比试验，最终得出符合各土层的强度、干密度、热参数等物理指标的相似材料配合比。试验依托的2号联络通道长14.5m，高5.02m，宽4.5m，确定几何相似比为1∶20，最终设计模型试验箱的几何尺寸为1m×1.225m×2.20m。监测点布置如图1、图2所示。

图1 热电偶和位移传感器分布示意图

图2 地应力与冻胀力监测点示意图

2.1 冻结壁温度场监测结果与分析

此次模型试验经过800min形成了100mm厚的冻结壁，关闭制冷开关并保持盐水循环，确保冻结壁的温度和厚度不变，紧接着开始联络通道挖掘。在模型试验过程中，提取各温度监测点的温度数据，其温度随冻结时间变化曲线如图3所示。

由图3可知，不同监测点温度都随时间的推移而逐渐变小，各曲线均不存在峰值。通过位于冻结壁相同一侧离冻结管不同距离各监测点的温度变化规律对比，靠近冻结管温度下降比远端快，更早到达积极冻结温度（-10℃），且同一侧远端较近端对比明显。在积极冻结前期，温度总体变化基本呈线性下降趋势，开始冻结时温度极速下降，随着温度的继续降低，下降速率减小，直至趋于平缓。

图3 联络通道冻结壁各测点温度随时间变化图

2.2 冻结壁位移场监测结果与分析

研究岩土体在冻结过程中的冻胀变形，每过5min使用位移测量系统观测一次冻胀变形的发育情况。位移随冻结时间变化的曲线如图4所示。

图4 联络通道冻结壁各测点位移随时间变化图

（1）冻胀阶段分布规律。由图4可知，冻结壁随冻结时间的变化分为3个阶段。第一阶段（积极冻结前期），从冻结开始到108min。此阶段冻结管周围富水卵砾石地层温度随冻结时间逐渐降低，由于初始温度较高，大部分孔隙水呈液态，之后冻结圆柱逐渐增加，并开始交圈，但冻结壁尚未形成；第二阶段（积极冻结中后期），从冻结108min到180min。此阶段冻结交圈形成并持续向外延伸，此时整个通道的冻结壁冻胀力只能向外释放，所以此阶段的位移量明显增大，且增幅明显；第三阶段（到达积极冻结温度及之后），冻结180min后。积极冻结期结束，进入开挖阶段，随着开挖进程的推进，冻胀力慢慢释放，逐渐减小直至平稳，开挖完成。试验过程中冻结壁位移变化最大的位置位于拱顶，达到0.767mm（实际是15.34mm），反映出土层应力对冻胀力的抑制作用，埋深越浅，冻胀量越大。

（2）开挖阶段分布规律。由图4第三阶段可知，各监测点开挖引起的位移变化均表现为初始从冻胀最大位移点反向增大，前期增大幅度小，而后随冻结时间的延长，上升幅度有所增加，当开挖到监测点的断面时，埋设在与断面同一铅锤平面上的位移传感器数值会有一个突变。分析可知，在开挖阶段初期，由于开挖量小，开挖引起的地层应力释放量小，导致前期位移增加不明显，随着开挖量的增大，地层应力逐渐释放，逐步抵消了前一阶段的冻胀位移，位移开始进入负值。其中，当开挖到设计断面时，由于地层应力的突然释放，因此开挖引起的位移产生突变。随着通道开挖进程的继续，总体沉降值达到峰值，开挖位移相应达到平衡。由开挖引起的地表位移和冻结壁顶部位移变化曲线如图5所示。开挖初期，土层出现一个较大的瞬时变形，冻结壁顶部变形达到0.42mm，地表变形达到0.93mm。伴随着联络通道开挖进尺的增大，变形逐渐变大。在模型试验的开挖过程中，冻结壁的最大变形达到2.34mm，地表最大变形达到1.98mm（图5所示变形乘以1/5）。

图5 由开挖引起的地表位移和冻结壁顶部位移变化曲线

（3）融沉位移分布规律。当535mm联络通道的挖掘结束后，对通道开挖口进行密封保温处理，关闭冷冻机组，使冻结壁自然解冻。10min后开始测量土体的融沉位移，这个过程持续3h。测量这个阶段的位移时，其初始变形是开挖所导致的最终变形值。融沉位移随时间变化如图6所示。岩土体在各地层的融沉位移呈线性增长趋势，在测量时间范围内，冻结壁最大融沉位移达到1.64mm，地表最大融沉位移达到1.32mm（图6所示变形乘以1/5）。

2.3 冻结壁应力场监测结果与分析

图6 地表融沉位移和冻结壁处融沉位移变化曲线

模型试验结果同时获得了位于冻结壁内侧冻结管边缘ZY1、ZY2、ZY3、ZY4四个监测点的冻胀力随时间的变化分布规律。冻结壁两侧和拱肩部位冻胀力监测图如图7所示。

图7 联络通道冻结壁测点冻胀力随时间变化图

从监测结果可以看出，总体趋势大体一致，冻胀力变化均经历以下4个阶段。

（1）冻胀力微增长阶段。积极冻结初期，各监测点周围土体温度尚处于正温，冻胀力接近为零，压力以周围水土压力为主，土体在冻结初期未冻水含量居多，只有少部分水在降温作用下变相成冰，因此冻胀力呈微增长趋势，部分测点值上下波动。

（2）冻胀力急剧增长阶段。距离冻结管最近位置土体温度迅速降至负温，当降到土体初始冻结温度，冻结帷幕开始交圈，冻胀力迅速增大，主要原因是大量的未冻水由液态水迅速转变为固态冰，故而引起土体体积的急剧膨胀；但土体的变形受到限制，从而引起冻胀力的剧增。

（3）冻胀力平缓增长阶段。当温度随着时间不断下降时，冻胀力增长趋势放缓，平均温度大约降至-8℃，冻胀力达到峰值，约为35kPa。随后冻胀力反而有略微下降趋势，而后趋于稳定，表明在温度过低时，土体颗粒出现冷缩现象，土体收缩，周围约束削弱，抑制了冻胀作用。

（4）冻胀力下降阶段。积极冻结期结束，进入开挖阶段，随着开挖进程的推进，冻胀力慢慢释放，呈逐渐减小趋势，直至趋于平稳，开挖完成。

ZY1、ZY3监测点对应冻结壁两侧，ZY2、ZY4监测点对应冻结壁拱肩部位，由图7可得，ZY1、ZY3监测点的冻胀力变化曲线位于ZY2、ZY4监测点的上方，但两者相差不大，经分析认为，这种现象的出现可能是受不同埋深地压的影响。在开挖阶段，当掘进断面到达相应监测点时，可以发现冻胀力急剧减小，这是由于开挖引起冻胀力突然释放的缘故。

3 结论

（1）通过试验，对现场卵砾石试样的级配特征、强度特性、起始冻结温度、比热容、导热系数充分研究，得到了富水卵砾石条件下各参数与其影响因素之间的变化规律，可供类似工程参考。

（2）依据相关准则完成模型试验，探究卵砾石地层冻胀、融沉规律，得出冻结壁在各阶段的温度、位移、应力变化规律，可指导类似地层横通道冻结设计与施工。