-18 ℃盐水冻结隧道近接下穿上覆结构冻胀规律试验研究

王 磊， 李方政， 方亮文， 丁 航， 付 财

(1. 煤炭科学研究总院建井研究分院， 北京 100013； 2. 北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013； 3. 科廷大学土木与机械工程学院， 珀斯 6102 )

0 引言

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水相变结冰，将松散土体变成冻土，以隔绝地下水、承载水土压力，并在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌的一种特殊施工技术。随着我国轨道交通建设步伐的加快，人工地层冻结法在上海、广州、苏州、南京、无锡等富水软土地区的地铁建设中获得了广泛应用[1]，是富水软土地层中构筑地下工程的有力武器。在冻结过程中，冻结土体内的原位水分和迁移水分相变后体积膨胀产生冻胀，引起上覆地表和相邻建筑物出现不均匀变形，抬升上方道路、管线、建筑基础等结构[2]，影响上覆构筑物的安全。如何减小冻结过程中的冻胀，避免上部结构破坏，是现阶段人工冻结理论研究的重点和难点。

目前，工程中常用的减小冻胀的措施主要有5种：

1)采取分段冻结、间歇冻结等模式降低冻胀量。周金生等[3]的研究得出，控制冻深的间歇冻结模式产生的冻胀量相比连续冻结模式产生的冻胀量小19.8%。蔡海兵[4]的研究得出，相对于同时冻结方式，双线隧道采用依次冻结方式在一定程度上能减小地层冻胀。

2)开启卸压孔或取土卸压的方法减弱冻胀影响。姜耀东等[5]通过对广州地铁3号线天河客运站折返线冻结工程设置泄压孔对冻胀进行有效控制。姚直书等[6]进行了深基坑排桩冻土墙冻胀压力模型试验，得出开启卸压孔卸压可以使排桩所受的水平冻胀压力减小40%。

3)采用水泥土加固等方法改变土体性质以减弱冻胀。胡俊[7]研究了水泥改良前后土体热物理参数，得出水泥土导热系数和容积热容随着水泥掺量的增大而减小。张旭辉等[8]得出水泥加固后地层冻胀敏感性明显减弱，地表最大冻胀量为原状土的14.3%。鲍俊安等[9]对掺入不同比例水泥的南京地区黏土和砂土进行了冻胀试验，研究表明黏土质水泥土和砂土质水泥土的冻胀率均随水泥掺量增大而减小。

4)在冻结壁与上部结构中间设置加热限位管。胡俊等[10]研究了加热限位管对冻土帷幕发展的抑制作用，研究得出限位管循环盐水温度越高，对应的冻土帷幕边界平整性越好，且限位管内盐水温度宜为5～10 ℃。

5)改变冻结盐水温度。目前，工程中常用的冻结盐水温度为-28～-30 ℃，该温度与常温土体温差较大，冷量交换剧烈，引发冻胀，而采用-18 ℃盐水可以减弱冷量交换剧烈程度。程形燕[11]研究得出盐水温度对冻结壁的影响大于冻结管间距和冻结管直径造成的影响。商厚胜等[12]对浅覆土矩形断面的冻结隧道进行试验研究，得出采用较高的盐水温度冻结可以有效控制土体的冻胀变形，而盐水温度降低使土体冻胀变形明显增加。

在诸多减小冻胀的措施中，提高冻结盐水温度的方法具有施工工艺简单、施工工序变动小等优点，且能显著降低土体冻胀量，适用于冻胀敏感工程，但在不同含水率、上覆荷载及不同约束条件的土体中，不同冻结温度产生的冻胀率不相同。具体工程应用中，应针对实际冻结土层，对不同盐水温度产生的冻胀压力进行量化研究，得出适合实际工程的冻结温度，以降低冻胀量，保证上覆结构的安全。

目前，多数学者采用试样试验的方法研究不同冷端温度对土体冻胀压力的影响，唐益群等[13]、蔡瑛[14]分别制作了淤泥质黏土和黏土试样进行试验，得出土体冻胀率随冷端温度降低而增大，并呈现线性规律。但试样试验是在无侧向变形条件下测量得出的，实际冻结工程中土体可以产生侧向变形，因此试样试验工况与实际工程中土体受力状态有较大不同。现阶段，对实际工况(有侧向变形工况)下不同盐水温度影响土体冻胀的量化研究较少，对冻胀规律研究不充分，相关文献较少。对此，基于已有文献[13]和施工经验，以上海地铁18号线隧道冻结近接下穿运营10号线国权路车站工程为研究对象，采用试样试验和相似模拟试验方法对-18 ℃和-28 ℃盐水冻结土体产生的冻胀压力进行量化研究，为冻结工程的实施提供技术保障，并为类似采用冻结法施工的隧道工程提供技术参考。

1 工程概况

在上海地铁18号线隧道下穿运营10号线国权路车站工程中，新建隧道穿越富水软土地层，施工过程中隧道上方车站保持运营。双线隧道与车站竖直方向斜交，隧道直径7 m，冻结暗挖隧道中心线标高为-19.011 m，地面标高为+3.2 m。隧道开挖净断面上部距离车站底板仅1.4 m，隧道及车站位置见图1。

新建18号线隧道穿越已运营10号线国权路地铁车站工程施工方法为先冻结法加固、后矿山法暗挖。设计冻结壁厚度为2 m，开挖断面内部设计十字形冻结壁作为开挖支撑。隧道所处地层主要为511灰色黏土，具有天然含水丰富、强度低、状态软塑等特点，土体物理参数见表1。

图1 下穿工程示意图

表1 土体参数

依据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[15]，在冻结下穿上覆运营车站、既有运营地铁线路工程中，既有线隧道结构上浮累计值不得超过5 mm，上浮速率不得超过1 mm/d。在富水软土地层中，地下水丰富且补给量大、水分迁移作用明显，而且人工冻土体量大、冻结速度快，形成的冻胀压力也较大，产生的冻胀压力抬升上覆结构，容易触发既有隧道上浮预警，使上部线路无法正常运营，造成重大经济损失和恶劣社会影响，施工风险极大。为保证施工时上部车站的运营安全，需量化研究盐水温度提高对冻胀量降低程度的影响。

2 土样冻胀压力测试

使用冻胀试验机对土样进行冻胀压力测试[16]，测得的冻胀压力是在无侧向变形且上下端面限制(无变形)的条件下，经过单向冻结后所产生的轴向推力与单位面积比值[13]。采用含水率相等的重塑土土样进行封闭系统单向冻结试验。

2.1 试验步骤

1)制作土样。土样为圆柱形，尺寸为φ50 mm×100 mm，放入18 ℃(原始地温)的恒温箱中保温6 h，然后装入XT 5405C-10T冻融循环试验机。试验机可以测量不同压力和温度条件下土体的冻胀压力，试样试验见图2。

2)设定冻胀试验机上下端板温度。热板温度设定为18 ℃(原始地温)，冷板温度分为4组，分别设定为-28、-18、-10、-5 ℃，重复试验，采集数据。

图2 试样试验

2.2 试验结果及分析

不同冷端温度下的冻胀压力曲线如图3所示。

图3 不同冷端温度下的冻胀压力曲线

由图3可知，随着冷端温度的降低，土样冻胀压力逐渐增大，冻胀压力数值见表2。

表2 不同冷端温度下产生的冻胀压力

由表2可知，-28 ℃盐水冻结比-18、-10、-5 ℃盐水冻结产生的冻胀压力峰值大52.9%、130.8%、367.2%，冻胀压力上升速率快20.1%、57.1%、182.4%。由此可知，提高冻结盐水温度，可以有效降低冻胀压力的上升速度和冻胀压力峰值。

采用试样试验求得的冻胀压力可以为冻结设计与施工提供参考。通过提取的冻胀压力，基于弹性地基梁模型即可反算车站底板产生的变形。但试样试验工况与实际冻结工况存在较大差异，具体表现为试样试验得出的冻胀压力是在无侧向变形条件下产生的，而实际工程中冻结壁存在侧向变形，故试样试验得出的冻胀压力无法完全代表工程条件下产生的冻胀压力。针对这一问题，基于实际工程进行相似模拟试验，研究-18、-28 ℃盐水对上部冻胀的作用。

3 相似模拟试验

相似模拟研究是在实验室内按照相似原理制作与原型相似的模型, 观测模型内各参量变化规律，从而推断原型中可能发生的现象。相似模拟试验条件相较试样试验条件更贴近于现场工况，是一种解决地下工程实际问题的重要手段。

3.1 实际工况及相似准则

试验时，物理模型必须满足温度、湿度、应力、位移等一系列相似准则。冻结隧道下穿上部结构的施工过程中，主要有以下准则。

1)低温盐水从土体中吸收热量，使土中水分结冰，温度场相似准则[17-18]为

F(F0，K0，R，θ)=0。

(1)

式中:F0为傅里叶准则；K0为Kosovic准则[19]；R为几何准则；θ为温度准则。试验土体取自工程现场，则模型中土体温度、含水量等参数与现场土体相同。因此，试验中的土体温度、内摩擦角、泊松比、孔隙率等参数的相似比为1。

2)土体的湿度场准则为

(2)

式中：Θ为土体湿度；wd为土体冻结后的湿度；w0为原始的土体湿度。由湿度准则可知，热传导过程和水分迁移过程在数学上是相似的[20]，两者均遵循傅里叶准则。因此， 在几何相似的条件下，只要温度场相似，湿度场可以达到“自模拟”而相似。

3)因冻结和开挖引起上覆土体变形，其量纲为一形式的应力-位移场方程[21]可以表示为

(3)

式中:H为隧道埋深;D为隧道直径;Sd为冻结壁厚度;μd为位移;σ为应力;r为容重;Ed为变形模量。

4)刚度准则。上部结构因冻胀或融沉而产生变形，由线性弹性力学可知，结构在外力作用下产生的挠度与其刚度成反比，即：

us1/K。

(4)

式中：us为冻胀压力引起的位移；K=EI，表示结构底板的刚度，其中E为性模量，I为静矩。

根据以上准则，可以将温度、应力、时间、长度、密度和位移的相似比表示为

(5)

式中:n为几何缩比;CT、Cs、Ct、CL，Cρ，Cd分别为温度、应力、时间、长度、密度和位移。

3.2 相似模拟试验设计

设定几何缩比n=25，模拟试验净尺寸为3 m × 1.5 m × 1.5 m，隧道直径为280 mm。试验土体为含水率相等的重塑土，取自于现场，以保持含水率一致。对实际布设的冻结管数量进行简化，根据总散热量相等的原则，外圈换算为9根φ18 mm的冻结管，中部为5根φ12 mm的冻结管，冻结管材料和结构形式与现场冻结管一致。试验冻结管按照设计孔位均匀排布。土箱外侧安装预留限位孔的亚克力圆板，板上开孔用于冻结管精确定位，以形成与设计相同的冻结壁。冷媒采用体积质量为1.265 kg/m3的CaCl2溶液，供液干管上安装流量计监测盐水流量。时间比例为1/625，即模型试验过程1 min相当于实际过程625 min。工程积极冻结时间为45 d，则模型试验积极冻结时间为104 min。

由相似准则可知，试验土体密度为现场土体密度的25倍，因此需采用施加上覆荷载的方法满足土体重力密度相似比[22]，根据上覆车站及土体总质量计算得出需加载压力800 kN。通过在反力架上安装2个500 kN油缸，每个油缸施加400 kN外力以满足土体密度相似条件。试验车站模型为C35的混凝土模型，为了防止混凝土车站模型在上覆荷载作用下被压碎，故根据刚度相等准则将车站模型的试验材料由C35混凝土更改为钢结构。换算车站底板的厚度以保证换算前后刚度相等。由刚度相等准则可知，车站底板矩形截面的静矩与底板厚度成正比。

Ih3。

(6)

式中h为底板厚度。

混凝土和钢的弹性模量分别为31.5、210 GPa，换算得出钢制车站底板厚度为21 mm，制作相应的钢结构车站并布置。

试验土体分层装入土箱并压实，压实后安装传感器，放置车站模型，避免加载过程中温度传感器和车站结构位置偏移引发数据失真。采用微型数字温度传感器进行温度监测，传感器布设在冻结壁外缘监测冻结壁扩展情况。将土压力盒粘贴在车站底部以监测冻胀压力，安装位置在车站宽度方向三等分处、上下行线正上方。模型试验和传感器位置见图4和图5。

共进行2组试验，试验时间均为105 min，对应实际工期45 d。第1组试验盐水温度为-28 ℃，第2组试验盐水温度为-18 ℃，监测冻结管周围温度扩展及车站底板冻胀压力。

(a) 现场图

(b) 试验示意图(单位： mm)

图5 温度传感器和土压力传感器位置

3.3 试验结果及分析

提取数据，冻结壁外缘4个测点温度曲线基本一致，2组试验4个测点的平均温度见图6，图中试验时间按照时间相似缩比换算为工程时间。

由图6可知，-28 ℃盐水冻结条件下，冻结壁在33 d达到设计冻结壁厚度； -18 ℃盐水冻结条件下，冻结壁在63 d达到设计冻结壁厚度。由此可知，在-18 ℃盐水冻结条件下，为达到设计冻结壁厚度，相较-28 ℃盐水，积极冻结时间增加91%。

图6 2组试验温度平均值

上覆压力加载后，将土压力盒数值归零，开启盐水循环开关并监测冻胀压力数据。试验完成后提取数据，绘制冻胀压力随时间变化曲线。不同温度下车站底板冻胀压力见图7。

图7 不同温度下车站底板冻胀压力

由图7可知，在-28、-18 ℃盐水冻结过程中，各组传感器数据呈现规律性。以冻结壁达到相同设计厚度为前提条件，整理-18 ℃盐水在冻结63 d的数据和-28 ℃盐水在冻结33 d的数据， 如表3所示。

由表3可知，达到相同冻结壁厚度条件下，使用-18 ℃盐水冻结产生的冻胀压力比使用-28 ℃盐水冻结产生的冻胀压力峰值低20%，冻胀压力上升速度低58%。

对比试样试验结果可知，相似模拟试验得出的冻胀压力峰值小于试样试验。试样试验是在无侧向变形下产生的冻胀压力，而相似模拟试验条件下冻土冻胀可以产生侧向变形, 因此相似模拟试验工况试验结果更接近于真实数据，可以为冻结设计提供参考。

表3 不同温度下的冻胀压力及冻胀速度

4 结论与建议

本文以上海地铁18号线隧道冻结法下穿10号线国权路车站工程为研究对象，进行了试样试验和相似模拟试验，对-18 ℃盐水和-28 ℃盐水在冻结过程中产生的温度场和应力场进行了研究。主要得出以下结论：

1)试样试验。-18 ℃盐水比-28 ℃盐水冻结产生的冻胀压力峰值小52.9%，冻胀压力上升速度低20.1%。

2)相似模拟试验。形成相同厚度的冻结壁时，使用-18 ℃盐水相较使用-28 ℃盐水的积极冻结时间增加91%，且冻胀压力上升速度降低58%，冻胀压力峰值降低20%。对于冻胀敏感工程、有重大风险源工程，采用-18 ℃盐水可以有效减小冻胀压力峰值，减缓冻胀压力增长速度，减轻冻胀对上方地表、构筑物等造成的影响。

3)试样试验和相似模拟试验比较。在侧向约束(无侧向变形)条件下产生的冻胀压力大于实际工程中产生的冻胀压力。在实际工程中冻土帷幕形成可以产生侧向变形，因此试样试验得出的冻胀压力无法完全代表工程条件下产生的冻胀压力。

试验结果有利于优化冻结下穿工程设计方案，提高冻结下穿工程的可靠性设计水平，降低工程风险，并为类似冻结下穿工程提供技术参考和数据支撑。

在后期研究中，将对不同盐水温度冻结引发的冻胀规律进行研究，并对比冻结效果与施工成本、工期的关系，以选取最适合工程应用的冻结盐水温度。