严寒地区地铁联络通道冻结法施工监测分析

刘加奇，钱剑峰，徐 莹

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

地铁因为其交通便利，在现代化城市中建设地铁是越来越普遍.为了紧急疏散，联络通道是地铁修建过程中必要的疏散设施，我国北方地区土层力学性能一般，哈尔滨地铁二号线人民广场站至中央大街站临近松花江，土壤含水率高，修建工程项目有一定难度.

冻结法在我国最初应用于采矿行业，通过将周围土体冻结，使其具有一定的承载力，技术成熟，我们因此借鉴此方法进行地铁联络通道的施工.很多学者根据工程实例总结了许多规律.岳丰田[1]等对隧道联络通道施工中水平人工冻结法进行系统研究，运用数值方法分析温度、应力、应变，把计算结果与实测的数据对比﹐证明了理论模型的正确性.姚兆明[2]运用冻土试验台，建立冻土模型，在模型的不同位置处设置温度测点用来监测温度的变化.最后在某种导热系数下对比模拟温度和实测温度，证明导热系数的准确性.

也有部分学者[3-7]建立三维冻土模型，利用Ansys软件对温度场进行数值计算，与冻土的温度实测数据进行对比，验证计算的稳定性，进而模拟不同时段温度的变化.

冻结法施工时主要由应力场、渗流场、温度场来判断冻土帷幕的形成过程[8-9].通过控制冻结孔布设位置，观测对土体的影响，寻找最优的冻结管布设方式[10].冻结技术在盾构隧道施工中的应用[11-12]越来越广泛，使用冻结技术对土层暂时加固，冻结壁形成以后进行联络隧道的挖通并且建立钢筋混凝土支撑，当混凝土养护结束便可停止冻结.

1 工程概况

1.1 设计内容

哈尔滨市地铁二号线人民广场站至中央大街站区间隧道设置一座联络通道.其中联络通道处左、右线盾构隧道里程为XK16+408.661、SK16+410.000，中心距为12.421 m，左、右线隧道中心标高约为+98.864、+98.856 m，联络通道所处位置上行线路地面标高为+118.09 m，下行线路地面标高为+118.07 m.

1.2 地面及地层条件

如图1所示联络通道处土层自上而下依次为:1)细砂层; 2)中砂层; 3)粉质黏土层; 4)中砂层.

图1 联络通道结构示意图

1)细砂层：场地连续分布.渗透系数建议值：5.4×10-3cm/s.2)与4)中砂层：场地连续分布，渗透系数建议值：3.171×10-2cm/s.3)粉质黏土层：场地不连续分布，渗透系数建议值：5×10-6cm/s.

由于工程地点靠近松花江，地下水路密集导致该地层富水性强，水平方向透水性强，主要由松花江侧向径流补给、大气降雨补给.旱季主要由松花江水补给，雨季主要由地表水补给.

1.3 冻结壁承载力验算

(1)

(2)

(3)

喇叭口：A=b×h=1.7 m2

(4)

通道正常段：A=b×h=2.0 m2

(5)

(6)

其中：W为冻结壁截面模量，m3；Q为截面剪力，N；A为截面面积，m2；M为冻结壁截面的力矩，N·m；N为截面所受压力，N.

冻结壁最大位移：针对位移计算结果，因为材料的压缩性强，产生了较大压缩量，导致最大节点位移的增加，模型计算节点位移偏大.在实际工程中，压缩量在开挖前就已经形成，因此，节点的最大位移应该扣除由材料压缩量引起的位移.对于拐角部位，在模型约束条件下，杆件拐角处产生较大转角，引起杆端较大位移.计算结果如表1.

表1 通道冻结壁最大应力、位移计算值及安全系数

由结构力学计算结果可知，正常段和通道段冻土的抗压、抗弯和抗剪强度均具备一定安全储备，满足相关规范要求；喇叭口和通道正常段仍有较大位移，主要由于杆件计算模型及杆端约束引起.因此，总体上来说，设计冻结壁的承载力满足要求.

2 冻结设计

2.1 冻结孔布设

冻结孔布设见图2，冻结管总长度369.216 m，打孔角度在-29.4°～24.0°(水平方向夹角)，在上行线路和下行线路中共设置62处冻结孔.

图2 联络通道平面布置图

2.2 测温管布设

其中上行线路中设置1号、2号测温孔，下行线路中设置3号～8号测温孔，打孔角度-13.3°～14.1°(水平方向夹角)，根据测温孔深度不同设置3～5处测温探头，用来监控土体的温度变化，判断冻土帷幕形成状态以及是否交圈.

2.3 冻结设备设计

冻结过程相关数据见表2.本次工程整体冻结了上行线路及下行线路中间的土体，包括联络通道两端的喇叭口，以及用来收集积水的泵房，当冻土帷幕形成良好，交圈并且厚度达到2.0 m可以正式开始施工.

表2 冻结主要设计参数表

2.4 冻结站的冻结设备选型

冻结站实际制冷能力依据公式(7)计算：

Q=KπdnHq

(7)

其中：Q为吸热量，kW；K为冻结管冷量损失系数，取K=1.5；d为冻结管直径，m；H为冻结长度，m；n为冻结管根数，个；q为冻结管导热率，kW/m3，取q=0.29 kW/m3.

其中冻结管冻结长度369.216 m，冻结管直径0.089 m，实际需冷量44.88 kW/m.冷冻机均选用TBSD510.1JF螺杆式中低温机组(标况制冷量122 kW)2台.

3 联络通道温度场分析

3.1 盐水去回路温度

根据工程要求，盐水循环一周内盐水温度应降至-15 ℃，两周内降至-25 ℃，降温20 d左右达到机组最大制冷效率，盐水温度维持在-30 ℃左右，盐水降温曲线见图3，前13天温度下降迅速由18 ℃降至-27 ℃，之后缓缓下降最终维持在-30 ℃，并且前13天处于积极冻结阶段，盐水与土壤热交换强度大，换热量大导致温差大，盐水去路与盐水回路温差在3 ℃左右，冻结13 d以后处于养护冻结阶段，盐水主要维持土壤的冻结状态，热交换强度降低.

图3 盐水去回路温度变化曲线

3.2 测温孔温度

本文参考C1～C4测温孔，孔深4 m，分别在0.4、1.0、2.0 m处设置三处温度测点，监测温度变化，打孔细节见表3.

表3 测温孔特征表

C1测温孔温度变化规律如图4所示，在冻结前9天，盐水吸收土壤水分中的显热，降温速率大，温度由16.9 ℃降至0 ℃左右，由于靠近0 ℃，水分发生相变，释放大量潜热导致降温趋势平缓，冻结第11天后降温趋势加强，与前9天降温速率基本一致，当到第17天时，由于盐水温度不在降低，进入养护冻结阶段，土体的降温速率基本停止，温度维持在-10 ℃左右.0.4 m处的温度要高于1.0、2.0 m处的温度1 ℃.

图4 测温孔C1温度实测值

C2测温孔变化规律如图5所示，在前15天温度下降迅速，由16.9 ℃下降至-17 ℃，在0 ℃附近进入平台期，冻结15 d后，温度下降趋势减缓，温度稳定在-20 ℃左右，三处测温点下降趋势基本一致.对比分析1号孔与2号孔，因为1号孔位于冻结壁外侧，外侧土壤热量多，主要由地表热量和周围土层不停的传递热量，导致温度只能维持在-10 ℃左右.而2号孔位于冻结壁内侧，热量由隧道内部通过空气传递，远远小于1号孔的传热量，所以温度可以维持在-20 ℃左右.

图5 测温孔C2温度实测值

C3测温孔变化规律如图6所示，C4测温孔变化规律图7所示，由于3号孔也位于冻结壁的外侧，其降温规律与1号孔相似，同理4号孔与2号孔降温规律一致，又因为4号孔在下行隧道侧，通过实际测量，下行隧道的气温要比上行隧道低，所以4号孔平均温度要比2号孔低1 ℃左右.

图6 测温孔C3温度实测值

图7 测温孔C4温度实测值

综上，我们可以发现0.4 m处温度测点要比1.0、2.0 m处温度测点的温度要高，因为0.4 m处距离测温管口较近，测温管并不是封闭状态，管口处的外界气流会干扰温度导致测量值偏高，应当以1.0、2.0 m处测点的测量值分析土壤冻结的状态.在冻结20 d温度趋于稳定，冻土帷幕延冻结管向四周延伸直至相互交结.

4 结 论

1)建设联络通道时，若土层含水量高，适合采用冻结法加固土层.

2)土壤冻结所需冷量为44.8 kW/m，本工程选用TBSD510.1JF螺杆式中低温机组(标况制冷量122 kW)2台，其中1台备用.

3)当盐水去回路温差为3 ℃时，土壤与冻结管进行大量的热交换，土壤在积极冻结，当盐水去回路温差为1 ℃时，换热量大大减少，突然进入维护冻结阶段，冻土帷幕稳步形成.

4)积极冻结阶段土体温度下降迅速，降到0 ℃左右，由于水分发生相变释放大量相变潜热，导致温度下降变缓，同时泄压孔压力迅速增大，在这段时间要及时释放土层压力，维持2 d后，降温速率与0 ℃以上的速率基本一致，当盐水不再降温时土体也不再降温，维持低温状态并向四周扩散.