软弱粉质黏土层隧道工程冻结实验设计与仿真分析

陈 诚，王 建，黄 鹏

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

在软土地质条件下，人工冻结法技术是实施深基坑开挖、隧道土体开挖的一种可靠方法。近年来，人工冻结技术在软土地铁隧道工程中大量应用，特别在地铁泵房、联络横通道部位实施冻结加固应用较多，并实施了一些地铁隧道冻结施工的室内试验、现场实测和数值模拟［1-2］。

人工地层冻结是一种有效地改进技术，用以处理各种岩土工程问题，用其切断水，也提高了地面土壤强度。在冻结帷幕的保护下实施隧道工程的开挖和支护，在许多工程领域具有良好的发展前景［3-4］，并具有重大的研究意义。

土体冻结过程受控于土体中的水分场、应力场、温度场及其变化规律，其本质是冻土多孔介质中土骨架、冰晶体、未冻水这三种物质在温度、土水势、压力与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。目前，低温和冻结条件下土体介质的水热力耦合现象已成为岩土工程领域研究的热点问题并开展了相应的一些研究工作。周晓敏、苏立凡等［3］论述了隧道内水平冻结加固的施工设计、关键技术以及实际效果，探讨了人工地层冻结和浅埋暗挖技术相互结合的发展方向。李大勇等［4］为了直观了解冻土墙的力学特性，掌握联络通道内土体开挖对冻土墙的影响，对冻结条件下联络横通道的施工过程进行了三维数值模拟。赵建军等［5］介绍了一种非线性弹塑性冻结模拟。王文顺等［6］提出了考虑水分迁移、热传导和约束压力之间耦合作用的一维土体冻胀量计算算法，并将水分场、温度场和应力场耦合进行计算，获得了土体的冻胀位移场；崔广心等［7］提出了三场耦合分析的一般数学格式和非线性数值求解的迭代算法；郇中杰、何绍书等［8］进一步提出了考虑损伤的软岩水、热、力耦合数学模型，并获得了隧道围岩冻胀力的分布趋势；宁建国、王慧、朱志武等［9］利用水热耦合模型揭示了季节性冻土中地下水的运移规律。

上述研究的重点各不相同，但对冻结温度场，尤其是对冻结帷幕的扩展过程研究的都还不够，也没有考虑冻土强度不均匀分布对地层应力状态的影响，本文基于传热学、渗流理论及冻土力学，依附深圳地铁某通道冻结法施工为工程案例，对隧道的水平冻结施工进行现场试验，设计了冻结参数并开展了现场冻结效果检验；采用水热耦合理论对隧道左右两截面的冻结状况进行了二维数值模拟，揭示了冻结帷幕的扩展过程和未冻结水、冻结锋面的迁移过程。

1 冻结法施工工艺及参数设计

本工程设计冻结帷幕厚1.8～2.2 m，冻结帷幕平均温度-10℃，冻土单轴抗压强度3.5 MPa，抗折强度1.8 MPa，抗剪强度1.5 MPa。

冻结孔从左、右线隧道两侧打孔实施布置，主要分为上仰、水平、下俯三种角度，共施工冻结孔63个，实施完成后总长约414 m，用字母D表示，用于对地层实施制冷冻结；测温孔8个，实施完成后总长32.5 m，用字母W表示，用于测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展情况；卸压孔4个，实施完成后总长10 m，用字母X表示，用于放水卸压观测。另外还实施了4个深度为2.0 m的探测孔，用T表示，以观测土层结冰和冻结帷幕发展情况。冻结孔、测温孔、卸压孔的钻孔编号编号及几何位置参数见表1。

表1 钻孔编号编号及几何位置参数

冻结管采用Φ89 mm×8 mm低碳无缝钢管，采用跟管钻进方式施工，每根冻结管通过连接若干长度为1.0～2.0 m的冻结管段而成。

在每个测温孔内分别设置3～5个测温点。测温管选用Φ32 mm×3.5 mm无缝钢管，管前端焊接密封。

4个卸压孔布置在冻结帷幕封闭区域内，左线、右线各2个；卸压管选用Φ32 mm×3.5 mm无缝钢管，管前端开口，梅花状布置，以确保冻结帷幕内的压力有效传递。

在冻结孔布置圈径内，分别在左线管片上距离D20冻结孔和D21冻结孔1.2 m的位置，在右线管片上距离距离D26冻结孔和D27冻结孔1.2 m的位置各开1个探测孔。冻结站对侧隧道的冷冻排管选用Φ32 mm×3.5 mm无缝钢管。左右端冻结孔布置见图1～2。

图1 隧道左端冻结孔布置剖面示意

图2 隧道右端冻结孔布置剖面示意

施工时，首先根据冻结孔布置平面图和冻结孔定位角度，在联络通道四周管片上放出开孔位置。调整钻机位置并固定，将钻头装入孔口装置内施钻。利用全站仪和罗盘仪检测冻结孔上下仰俯角及方位角，将钻孔的偏斜控制在1%以内，终孔间距控制在1.0 m以内。

积极冻结期设计盐水温度为-28～-30℃，维护冻结期设计盐水温度为-25～-28℃。积极冻结时间为37 d，维护冻结时间为30 d。其他冻结设计参数见表2。

表2 冻结参数

根据设计要求，则可计算冻结需冷量：

式中，Q为制冷站总吸热能力，kJ·h-1；Li为每根冻结管长度，m；d为冻结管外直径，m；K为冻结管吸热系数，一般为1 047.0～1 172.0 kJ·m-2·h；m为冷量损失系数，一般取1.1～1.2。

冻结管总长度427.92 m，最大需冷量16.82×104kcal／h。根据计算需冷量，选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆冷冻机组三台，其中两台运转，一台备用。单台机组设计工况制冷量为8.75×104kcal／h，电机功率110 kW。

将冻结站布置在区间隧道左线靠近联络横通道位置。冻结站占地面积约80 m2，站内设备除了冷冻机组，还包括盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。其中盐水泵设计流量为200 m3／h，功率45 kW。

冻结站及冻结器安装完成后，用清水对管路进行试压检漏，发现渗漏应及时处理。冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱、盐水干管、冻结帷幕发展区域管片用保温板隔热保温，并将冷冻区域周边钢管片格栅用素混凝土填充。

冻结系统全部安装调试结束后，2月7日开始冻结设备的试运转，在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。2月8日正式开机冻结，整个冻结过程中冻结设备及冷冻系统运转正常，冻结系统无盐水漏失现象。

2 冻结效果的预测与检验

在积极冻结过程中，需根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交圈并达到设计厚度，同时要监测冻结帷幕与隧道的胶结情况。当确认冻结帷幕达到设计厚度且与隧道完全胶结后，方可进入维护冻结阶段。有鉴于此，需要对冻结帷幕交圈、冻结帷幕平均温度、卸压孔压力等参数进行预测或检验。

工程正式冻结时，盐水的总去回路温度曲线见图3。冻结3天盐水温度降至-19℃以下，冻结7天盐水温度降至-27℃以下。积极冻结期（2月8日到3月25日止，共46天）盐水去路温度稳定保持在-28～-30℃以下。

图3 积极冻结结束前的冻结温度曲线

2.1 冻结帷幕厚度预测

人工冻结帷幕温度场是由一根根冻结管温度场叠加而成的，由于冻结管温度场的时空性，加上冻结管偏斜等因素的影响，使得冻结帷幕半径的估计非常复杂，目前，依然采用单孔冻结温度场解进行预测，相对多孔叠加的温度场解而言，预测的冻结孔半径偏于安全。大量的试验和测试数据表明，单孔冻结温度场呈对数曲线，若假定计算时刻的冻结温度场为稳定的二维温度场，则可视单孔冻结温度场的发展为圆管稳定导热问题，于是，可以根据测温孔的温度求冻结圆柱（表面温度0℃）的半径，就可以用下式进行冻结圆柱半径的预测：

式中，r2为冻结圆柱半径；t1为盐水温度；tx为冻结区内测温孔温度；r1为冻结管半径；rx为测温孔相对冻结管的距离。

根据3月25日测温资料，按照最不利原则，用截面上最远的测温孔数据进行计算，分别绘出隧道左右两端剖面冻结交圈情况。其中，冻结圆柱发展半径分别为1 260 mm、1 100 mm。绘制冻结帷幕交圈图如图4～5所示。

图4 隧道左端剖面冻结交圈示意

图5 隧道右端剖面冻结交圈示意

由图可见，冻结帷幕厚度最薄处为隧道两侧直墙，最薄厚度为2.08 m，大于设计的1.9 m，这表明，3月25日时冻结帷幕厚度已经满足设计要求。

2.2 冻结帷幕平均温度预测

冻结帷幕的平均温度是计算冻结帷幕厚度的基本参数之一，其大小主要取决于冻结帷幕的厚度、盐水温度、冻结孔间距等因素，而受冻结管直径的影响较小。中国根据对潘集矿区立井冻结帷幕温度场大量实测资料的回归分析，提出了在冻结管直径89 mm和盐水运动为层流状态时，冻结帷幕平均温度的预测经验公式，并被大量隧道工程冻结法施工采用：

式中，tavg为冻结帷幕平均温度，℃；tb为盐水温度，本工程取为-30.0℃；d为冻结孔间距，取0.4 m；r为冻结帷幕厚度，根据上文，本工程取2.4 m。通过计算，预测的隧道冻土的平均温度为-10.38℃，满足冻结设计要求。

2.3 温度的探孔检验

隧道正式开挖前，应先进行探挖检验和卸压孔压力检验，并在综合考虑测温孔温度、卸压孔压力、探测孔水流等因素后方可决定能否开挖。

在开挖轮廓线四周和中心钻设探测孔，孔深2.0 m，直径Ф48 mm。探测孔测温记录见表3，四个探测孔土体都无水流并已结冰。

表3 探测孔测温记录

2.4 地层压力的卸压检验

当卸压孔达到升压条件时，进行卸压观测试验。各卸压孔压力测试结果见图6，图中表明，卸压孔初始压力为0，随着冻结过程的持续，压力逐渐上升，并在3月份上半月上升至0.3 MPa。2月27日开始，分别对1、2、3、4号卸压孔进行多次放水卸压试验，发现流出的水量逐渐减小，关闭放水阀，卸压孔压力又逐渐恢复。3月13日后，卸压孔压力开始下降，直到压力降为0。打开卸压阀，发现卸压孔内无水流出。继续保持卸压阀打开状态。

图6 卸压孔压力测试曲线

通过上述预测和检验，可以判断3月26日时，冻土帷幕已经满足设计要求。接下来进入维护冻结期并进行联络横通道开挖。开挖时，打开钢管片，采用矿山法对隧道实施暗挖施工。

3 冻结效应数值模拟

本次计算采用GEO-SLOPE有限元仿真模拟软件。

GEO-SLOPE是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，其中TEMP／W为地热分析模块，是一款涵盖范围广泛的地热分析软件。该次隧道冻结法施工仿真分析即是采用TEMP／W模块，建立水热耦合模型，对该冻结施工过程进行仿真分析。

图7为有限元计算模型，模型水平方向长120.0 m，竖向长90.0 m，拱顶埋深70 m。

图7 数值模型

采用考虑相变的水热耦合理论进行冻结仿真模拟，计算范围内地层为软弱黏土层，其体积含水量为32.7%，天然重度为18.4×103N·m-3，地层土体热传导系数为1.22 W·（m·K）-1，容积热容量2.25×103J·（m3·K）-1，比热容0.8×103J·（kg·K）-1，相变温度0℃，未冻结前粉质黏土层平均天然温度为15℃。

图8～9分别是隧道左右两端剖面冻结8 d、25 d和46 d的温度场等值线图。图中，实心小三角形依然表示冻结管组，白色粗实线为0℃温度线，代表冻结锋面，可用于观测冻结帷幕的厚度及形态，黑色粗实线表示联络横通道的设计开挖轮廓线，白底标签标值为等值线温度值。

图8 隧道左端剖面冻结帷幕演变过程

图9 隧道右端剖面冻结帷幕演变过程

由图可知：0℃温度线随时间扩展过程表明，冻结管周边的地层温度最低，启冻结锋面随着冻结时间的增长逐渐向四周扩展，并与邻近冻结管的冻结锋面逐渐相接融合，出现局部区域冻结现象。随着局部去区域冻结范围越来越大、局部冻结区域越来越多，冻结锋面向冻结管四周扩展的越来越远，最终冻结帷幕实现初始交圈。随着冻结时间越来越长，冻结帷幕逐渐扩展变厚，并最终达到设计的冻结帷幕厚度。

冻结8 d时，拱顶开挖线以外区域，存在局部冻结管两两交圈现象，而直墙及底部开挖线以外区域，仅冻结管周边存在小范围土体冻结。25 d时，冻结帷幕接近交圈，但拱顶和边墙冻结帷幕厚度仅有30～40 cm，底部区域冻结帷幕厚度为20～30 cm；46 d时，拱顶开挖线附近区域形成的冻结帷幕平均厚度达120～130 cm，两侧边墙开挖线外侧冻结帷幕厚度约120 cm，隧道底部开挖线下部冻结帷幕平均厚度约120 cm，这说明各截面的冻结帷幕厚度均达到了设计厚度120 cm。30 d时，各截面冻结帷幕都基本闭合，平均厚度约60 cm，且厚度较为均匀，因此，30 d可视为冻结帷幕正式交圈时间节点。对于不同截面的各位置，由于冻结管分布的差异，因此形成的冻结帷幕厚度有所区别。

4 结 论

本文依附深圳地铁某通道冻结法施工为工程案例，开展了软弱粉质黏土层中冻结试验工程的冻结施工设计、设计冻结效果的预测与检验、冻结水热耦合数值模拟，以及数值模拟冻结效应等研究工作，以期更好地揭示冻结帷幕的形成过程。主要研究结论如下：

（1）对地层温度场的分析结果表明，隧道拱墙部位由于冻结管布置间距相对较密，其在15 d左右即形成了较薄的冻结帷幕，而底板周边冻结管布置间距相对较疏，其冻结帷幕的形成时间要长一些；

（2）隧道冻结帷幕交圈的时间大致在25 d左右，但此时的帷幕较薄，积极冻结到40 d后，冻结帷幕平均厚度可达120 cm，达到了设计厚度，再经过一段时间的维护冻结后即可实施开挖；

（3）由于维护冻结的温度比积极冻结温度略高，此时致冷量与地层从外界吸收的热量基本平衡，因此冻结帷幕的厚度一般不会继续增大；

（4）冻结管一般只能对周围一定距离内的地层温度产生影响，使其温度降低至负温区产生冻结。故具体冻土设计过程中，可根据实际情况调整参数，采取诸如改变冻结盐水温度变化曲线、改变冻结时间、调整冻结管的数量和间距等措施，控制冻结帷幕的形状、扩展范围以及交圈整体形成冻结帷幕的时间。