富水砂砾地层水平杯型冻结温度场变化规律分析

奚家米,郭 帅,叶万军,田俊峰,吴云涛

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

在地下水丰富的软弱土层地区，常规的地层加固方式常伴随大规模的降水与扰动，噪音大，污染强，不再符合城市建设的需要，而冻结法以其优良的止水性、低污染性、环境适用性，在城市地下工程建设中逐渐推广[1]。

1965年，中国最先在北京地铁一期大开挖工程中引入冻结法。2001年，南宁地铁为保证盾构出洞时邻近居民住宅及管线安全，首次采用垂直冻结盾构端头加固，位移变形控制效果显著[2]。2005年，南京地铁越江隧道地层水压高、渗透性强，常规加固方式效果差，采用冻结法有效防治了涌水喷砂现象。2013年，常州地铁1号线一期工程某区间，盾构接收下穿火车站站厅，竖直净距仅为3.75 m，受地面条件限制，采用水平冻结加固+短钢箱接收法，密闭止水效果良好，冻胀及开挖变形可控[3]。2019年，苏州地铁5号线某区间穿越富水、微承压的软弱土层，地层自立性较差，盾构机进出端头易发生涌水、涌砂现象，遂采用水平杯型冻结帷幕技术，保证了进、出洞的施工安全和质量要求[4]。冻结加固技术已经作为一种地层处理方式参与地下空间建设，特别是在富水软弱地层，穿越破碎带、穿越既有建筑、联络通道建设、盾构收发等危险环节防治效果显著，在少扰动、小变形的城市建设中应用越发广泛。

目前，关于人工冻结法的研究逐渐成熟。有学者通过原位测量[5-9]、物理模型试验[10-13]及有限元模拟[14-16]等方式，对冻结加固机理、温度变化规律、土层位移变形等方面进行了探究。针对联络通道和端头垂直冻结的温度场[8，17-19]研究成果较多，而在富水砂砾软硬不均地层，对于盾构端头土体加固采用的水平杯型多圈冻结技术，其现场实测数据分析不充分，关于温度场的变化规律及阶段特点的研究成果较少。

因此，本文将以昆明轨道交通五号线五一路—弥勒寺站区间盾构始发冻结作业为依托，明确冻结加固与监测布置方案，通过对冻结各圈层温度发展实测分析，总结其温度场的变化规律及阶段特性，为今后类似地质条件和开挖加固工程的施工与优化提供参考依据。

1 工程概述

本文依托工程为昆明轨道交通5号线五一路—弥勒寺站区间建设，线路主要位于五一路道路下方，隧道埋深19.7～28.8 m，盾构通过地层为黏质粉土、圆砾土、粉砂等，加固区域内地下水丰富，主要为孔隙潜水与承压水。

穿越段的圆砾土、粉砂及黏质粉土属于第四系冲湖积层，富水性中等，透水性强，上部圆砾土层夹有淤泥，土质不均，下部粉砂层赋存微承压水，且与上部潜水有一定的联通性。地层整体软硬不均，在盾构收发阶段凿除洞门时，容易发生涌水涌砂现象，影响土层的稳定性。

盾构始发端为五一路站，始发端头位于道路交叉口，交通疏解难度大，地表管线复杂，并有排水河道，地面加固可行性较低，设计采用水平冻结法加固，纵向加固范围为外圈9 m，中心板块3 m，横向、竖向设计厚度为管片外侧1.6 m，地层分布及加固剖面图如图1所示。

图1 地层分布及加固剖面图

2 盾构端头冻结加固及监测方案

2.1 水平杯型多圈冻结加固方案

本工程采用长壁杯形水平冻结方案，多圈冻结孔位布置和现场冻结管布置分别见图2和图3。沿开挖面φ8.1 m、φ5.7 m、φ2.9 m分别布置外圈孔34个、中圈孔16个、内圈孔8个和中心孔1个，形成多圈型冻结布置；外圈孔孔深9 m，中、内圈孔孔深3 m，形成长臂杯型冻结布置。冻结管选用φ89 mm×8 mm 20#低碳钢无缝钢管，采用丝扣加焊接连接，基本参数如表1所示。水平冻结孔施工工序为：定位开孔→孔口管安装→跟管钻进→斜率检测→接口严密性检测。

图2 多圈冻结孔位布置图图3 现场冻结管布置图

表1 孔位参数统计表(单洞)

2.2 冻结效果控制指标

冻结效果检验及破除洞门时涌水、涌砂的预防需要进行冻结帷幕状态估测与探孔检测。相关检测指标包括：①盐水去回路温差≤2 ℃；②盐水温度降至-28～-30 ℃；③积极冻结时间要达到设计值(30 d以上)；冻结帷幕厚度≥1.6 m；④冻结帷幕平均温度≤-10 ℃；⑤壁土交界面探孔温度≤0 ℃。

2.3 冻结监测布置方案

配合水平多圈冻结施工方案，在每个圈层间均布设监测点，共计6个测温孔，外圈层外侧布置C1、C3测孔(C1在冻结帷幕右上部、C3在冻结帷幕左下部)，距离最近冻结孔600 mm，测孔孔深10.8 m；外圈层与中圈层间布置C2、C4测温孔(C2在冻结帷幕左上部、C3在冻结帷幕右下部)，距离最近冻结孔600 mm，测孔孔深3.7 m；内圈层布置C5、C6测孔。温度监测设备采用自制MS-100型温度采集仪配合热电偶联结若干传感器，C1～C4测温孔布置11个测点，C5和C6布置5个测点，各测点布置如图4所示。

图4 温度测点布置图

3 盾构端头水平冻结温度实测分析

3.1 盐水去回路温度变化分析

整个冻结施工共持续54 d，其中积极冻结期为32 d，维护冻结期为20 d，拔除中、内圈层所有管材耗时2 d，外圈管不拔除，以减少扰动。图5是冻结52 d干管盐水温度变化曲线。由图5可以看出：去回路盐水温度差随着冻结时间延长逐步减小，并趋于稳定；积极冻结期内，热交换量大，消耗冻量大，冻结7 d时盐水温度降至-10 ℃，冻结20 d时总管去路温度降至-28 ℃，去回路盐水温差平均为2.3 ℃。32 d后进入维护冻结阶段，冻结壁基本形成，冻量消耗减小，总管去路温度基本维持在-30 ℃，去回路盐水温差稳定在1.5 ℃。

图5 干管来去回路盐水温度变化曲线

图6为1～9号支路盐水温度变化曲线(共17个支路)，由图6可知：各支路均在不同冻结期表现出不同的温度变化差异，与干管监测结果相同，说明各冻结管没有发生夹压空气及堵塞状况。圈位不同的支路温度变化差异表现并不明显，说明冻结帷幕的形成较为均匀。

图6 1～9号支路回路盐水温度变化曲线

3.2 冻结温度场分析

冻结监测开始时间为2020年9月，共持续52 d，监测频率每天1次，6个测温孔温度随冻结时间变化曲线见图7(4个外圈测温孔测点较多，选取其中6个测点)。

由图7可以看出，所布6个测温孔温度变化具有明显共性，其整个过程可以大致分为4个阶段：

第1阶段(初始高速降温段)：根据降温计划，10 d冻结管内盐水温度降至-18 ℃，随之各圈层土层温度由地温20 ℃开始迅速下降，达到3～0 ℃。该阶段盐水温度与土层温度相差最大，热交换激烈，冷媒吸热量最大，土层的平均降温量可达2 ℃/d。由于地温高于空气温度，空气与槽壁存在热交换，第1阶段表现出靠近槽壁土层降温速率稍快。

第2阶段(潜热释放段)：根据降温计划，20 d左右冻结管内盐水温度平稳降至-25 ℃，但与第1阶段不同，土层温度此时处于0 ℃上下的孔隙水相变阶段，释放潜热，土层降温稍有停滞，监测结果显示在0 ℃线附近出现了明显的平缓曲线，该阶段持续时间为5～7 d，各测点的平均降温量为0.2 ℃/d，由于采用多圈冻结的排布形式，内圈与外圈相比自由水补充较弱，阶段特征在内圈测温孔C5、C6表现最为明显，如图7e和图7f所示，各深度测点在同时段7 d内完成潜热释放；而外圈各深度表现出滞后性，滞后时长约为2 d，主要特征为测点越浅进入潜热释放段越早，这是因为冻结采用杯型冻结，浅处杯底段冻结孔密集，冻量大，冻结效率高。

第3阶段(再次高速降温段)：此阶段盐水温度从-25 ℃继续平稳降至-30 ℃，并维持在-28～-30 ℃，去回路盐水温差在2.0 ℃左右，仍处于高效率的积极冻结阶段，地层含水率迅速下降，成为冰土混合体，土层温度从-2.0 ℃再次开始迅速下降，各测点的平均降温量为1 ℃/d以上。此阶段冻结管周围冻土圈径不断扩展，冻结锋面外推并逐渐交圈。由于土体温度此时降至0 ℃以下，高于空气温度，空气和槽壁的热交换关系转置，测管各深度测点温度出现差异。降温速率方面，基本维持”杯底”大于”杯壁”，相差0.2 ℃/d左右，但表现最明显的槽壁与土层交界面上，降温速率远低于同期其他测点；同期温度方面，也基本维持”杯底”大于”杯壁”，依次相差2～5 ℃，内圈小而外圈大，但由于同样原因，槽壁与土层交界面上同期温度也远低于其他测点。因此，应该在冻结期做好洞门处的保温工作，铺设保温材料，防止离槽壁近的土体温度由于热量损失而难以达到设计强度；在凿除洞门前，进行多位置的钻孔测温，监测槽壁与冻土黏结面温度是否达标至关重要。

(a) C1测温孔温度变化图

第4阶段(温度缓慢下降段)：此阶段与盐水降温计划的维护冻结阶段基本同步，冻结管内盐水温度维持在-25～-28 ℃，去回路盐水温差逐渐下降至1.0 ℃左右，冻结帷幕交圈完成，冻结范围内的自由水基本耗尽，土层温度降温速率下降，平均为0.2 ℃/d，各测点温度变化曲线趋于平缓。最终的冻结温度表现为内低外高，内圈测孔(C5、C6)平均温度达到-25 ℃左右，中圈测孔(C3、C4)达到-18 ℃左右，而外圈测孔(C1、C2)达到-15 ℃左右，均达到设计温度。

3.3 不同地层温度发展特性分析

对比图7a与图7c可知：C1、C3测温孔同属最外圈测温孔，C1位于冻结范围上侧，处于圆砾土地层，C3位于冻结范围上侧，处于粉砂地层，两者的温度监测结果表现出不同地层冻结效果差异：

(Ⅰ)粉砂的潜热大于圆砾土，导热系数却小于圆砾土，所以在第2阶段潜热释放过程，C3各测点需要天数较长，平均为7 d，而圆砾土仅需2～3 d，甚至阶段特征不明显。粉砂层孔隙水有微承压性，冻结后温度粉砂高于圆砾土。

(Ⅱ)圆砾土相较于粉砂颗粒粒径较大，含有淤泥质土，级配不良，孔隙率高，自由水流动性好，各位置含水率差距较大，导致C1各测点温度变化相较于C3差异较大。

3.4 冻结帷幕发展特性分析

水平杯型多圈冻结施工过程中，冻结加固范围内温度场变化可分为4个阶段，在温度演化机理的影响下，水平杯型冻结帷幕也逐渐发展完成，其形成过程为：土层温度迅速降低，孔隙水冻结成冰，自由水不断补充，各冻结管周围形成单根冻结圆柱体；随后，各圈层冻结锋面不断外扩，冻结体体积不断增大，互相连接，外圈层形成较薄冻结杯身，中、内圈层形成较厚冻结杯底；最后，整个冻结帷幕温度继续下降，达到并超过设计温度，形成加固区板块强度，并阻隔地下水流通路径，为盾构始发做好准备。可通过分析现场实测温度数据，获得冻结指标来明确反映冻结过程。

图8 冻结壁与槽壁交界面降温图

为获得不同冻结加固区(杯身加固区、杯底加固区)冻结发展速率、交圈时间、温度变化规律等控制指标，选取布置于槽壁与冻土交界面(0.7 m)、杯底区(2.8 m)、杯身区(7.5 m)的各测孔孔温，进行分析比较。图8为冻结壁与槽壁交界面处的降温图。

由于破除洞门是冻结加固施工中的重要危险环节，槽壁与冻土交界面的冻结效果是冻结加固成功与否的关键因素，但因为施工面保温措施不足、施工扰动等原因，其往往又是冻结帷幕的薄弱位置，因此根据这一断面冻结帷幕发展速度和冻结交圈时间评价冻结加固效果最为有效。

由图8可知：C1测温孔壁厚测温点在冻结18 d后达到0 ℃以下，距离最近冻结孔600 mm，因此推算该处冻结壁交圈时间为18 d，发展速度为33.3 mm/d。其他测点计算结果如表2所示。

表2 冻结帷幕发展指标参数表

由表2可得：外圈外侧、外中圈之间、中内圈间、内圈交圈时间之比为1.9∶1.0∶1.7∶1.8，冻结壁发展速度之比为0.53∶1.00∶0.56∶0.56。外圈与中圈之间的土体降温速度最快，中圈内圈次之，而外圈外侧最慢，符合预期效果，其原因为多圈冻结孔外圈与中圈明显较为密集，冻量供应最为充足，而外圈外侧接触未冻土，冻量消散严重。这样的布置也符合实际工程的需要，因为盾构管片位于冻结孔外圈与中圈之间，这里是涌水涌砂风险的源头。

图9为杯底冻结区降温图。图10为杯身冻结区降温图。由图9和图10可知：在冻结期间，杯底加固区降温速率均高于杯身加固区，杯底平均交圈时间15 d左右，杯身平均交圈时间则需要20 d左右；杯底最终形成冻结帷幕的平均温度也更低，为-20 ℃左右，杯身平均温度则为-15 ℃左右。其原因主要是杯身加固区与外侧未冻土体接触，受地下水渗流影响大，冷量消耗量相较于杯底加固区要多；另外，外圈外侧测孔周围的冻结孔少，输冷量相较于内圈要少。因此，冻结帷幕杯底冻结效果优于杯身，也符合杯身止水杯底承载的设计要求。根据实测数据可知，水平杯型多圈冻结冻结壁1 m厚的杯底在冻结25 d时可达到设计温度-10 ℃，杯壁冻结32 d时达到设计温度，冻结52 d支护强度可以保证。

图10 杯身冻结区降温图

4 结论

(1)根据实测数据显示，富水砂砾石地层水平杯型多圈冻结降温过程中，温度场发展可划分为4个阶段：初始高速降温段、潜热释放段、再次高速降温段、温度缓慢下降段。各阶段特征明显，且与盐水降温的两期计划有很好的协调性，可通过调整盐水降温计划更精确地控制冻结帷幕强度。

(2)槽壁与冻土交界面为冻结薄弱环节，在凿除洞门前，进行多位置的钻孔测温，监测槽壁与冻土黏结面温度是否达标十分必要。

(3)多圈冻结各圈位冻结速率及交圈时间存在差异：外圈外侧、外中圈之间、中内圈间、内圈交圈时间之比为1.9∶1.0∶1.7∶1.8，冻结壁发展速度之比为0.53∶1.00∶0.56∶0.56，符合实际工程需要。

(4)杯型冻结的冻结效果存在部位差异：杯底加固区降温速率均高于杯身加固区，杯底平均交圈时间15 d左右，杯身平均交圈时间则需要20 d左右；杯底最终形成冻结帷幕的平均温度也更低，为-20 ℃左右，杯身平均温度则为-15 ℃左右，高于设计温度。