富水砂卵石地层地铁联络通道冻结试验研究

刘志坚, 刘欣, 王炳禄, 寇鼎涛, 陈贤波, 沈宇鹏*

(1.中铁十四局集团隧道工程有限公司，济南 250101；2.北京交通大学土木工程学院, 北京 100044；3.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068)

伴随城市轨道交通的迅猛发展，地铁穿越复杂含水地层、重要构筑物等风险工程屡见不鲜，人工冻结技术凭借适应性强、加固强度高、封水性好和环境影响下等诸多优势在城市地铁建设中扮演愈发重要的角色，已逐渐成为含水软弱地层暗挖施工达到无水施工环境的重要方法。

冻结壁的温度是人工冻结技术设计和施工的重要参数，有效表征冻结帷幕的形成质量和强度。冻结帷幕温度场受多种因素影响，是一个包含移动边界、传热传质、水分迁移和相变等复杂问题的多物理场过程[1]。中外学者针对冻结温度场开展了一系列研究，取得诸多有益的成果。解析解方面，Trupak[2]假设温度温度场为稳态问题，借助拉普拉斯方程推导出单管冻结温度场公式；胡向东等[3-8]基于势函数叠加原理、保角映射和汇源反映相继推导出多排管、多圈管冻结温度场的解析解，极大地推动了人工冻结理论的发展。数值模拟方面，赖远明等[9]依托渗流理论、传热学和冻土力学提出了考虑相变影响的水热力耦合模型，成功应用于寒区隧道冻胀力分析；周晓敏等[10]通过对渗流系数和热物理参数进行光滑的曲线回归，克服了热流耦合高度非线性的难题，实现了渗流地层人工冻结的仿真计算；李东庆等[11]考虑了压力势和基质势与温度的关系，提出了能计算含水率、应力和变形的水热力耦合模型。王彦洋等[12]考虑隧道内空气对流与混凝土水化热作用，建立了考虑温度梯度变化的联络通道冻结施工三维数值模型；黄建华等[13]研究了不同水泥掺量条件下水泥改良土地层的冻结效果，发现其效果随水泥掺量增加先增强后减弱。现场测试方面，梅源等[14]依托西安某地铁联络通道冻结工程，通过现场实测和数值仿真，研究了湿陷性黄土地区冻结法施工联络通道温度场和变形场的演化规律；向亮等[15]考虑冻结管影响范围的有效性，提出了多管冻结温度场计算公式；周金生等[16]分析了软弱地层冻结施工引起的冻胀问题，提出采用间歇冻结模式控制地层变形；郑立夫等[17]鉴于传统冻结壁厚度计算方法过于保守的问题，结合黏土地层冻结壁受力特点，提出一种优化的冻结壁厚度设计方法；师立德等[18]通过改变冻结管直径控制不同断面的对流换热系数，缩短了冻结壁的交圈时间，解决了冻结壁发展不均匀的问题。

冻结温度场理论的相关研究有力推动了人工冻结技术的发展和应用，但随着地铁建设地层条件的愈发复杂，地下水渗流对冻结温度场发展规律及冻结壁交圈的影响不容忽视。地下水渗流源源不断地带走冻结管的冷量，易导致冻结壁厚度不能满足设计要求甚至不能交圈，因此有必要研究渗流对冻结温度场的影响规律。现依托北京地铁19号线草桥站-右安门站区间3#联络通道(后称联络通道)冻结工程，通过现场测试研究地层温度场和泄压孔压力的发展规律，分析冻结帷幕的交圈情况，以保证联络通道冻结施工的顺利推进。

1 工程概况

北京地铁19号线草桥站-右安门站区间线路全长2 375 m，采用盾构+暗挖法施工，其中盾构段长度为2 150 m，暗挖段长度为169 m，主线隧道结构拱顶埋深范围为9.0～22.18 m。联络通道拱顶埋深20.9 m，所在位置主线隧道中心线距离为11 m，左(右)线隧道的轨面标高为+13.996 m(+13.987 m)，地面标高约为+38.48 m。联络通道位于右安门外大街正下方，邻近直径500 mm的高压燃气管线，埋深1.5 m，断面尺寸为5 000 mm(长)×3 000 mm(高)热力管沟，埋深10.9 m。联络通道所处地层自稳能力差，上方管线复杂，水位标高为+18.460 m，结构位于地下水位以下，易造成涌水冒砂、隧道坍塌变形的风险。鉴于此，采用人工冻结法加固，矿山法开挖。

根据地勘报告，联络通道及排水泵站所处地层从上往下依次为：①素填土、②3粉细砂、②5卵石-圆砾、③3粉细砂、⑤卵石、⑦卵石、⑧2粉土和⑨卵石。联络通道及排水泵站所在范围为⑦卵石、⑧2粉土、⑨卵石层，围岩稳定性很差，施工过程中容易发生坍塌，需要及时支护。⑦卵石和⑨卵石层地渗透系数大，地下水连续分布，补给主要来自侧向径流及大气降水，排泄方式主要为人为开采和径流排泄。砂卵石层物理参数如表1所示。

表1 砂卵石地层物理参数

联络通道采用直墙圆弧拱结构，泵房为矩形结构。衬砌采用二次衬砌方式，初期支护为格栅钢架和C25喷射混凝土结构，厚度250 mm；二次衬砌为C40 P10钢筋防水混凝土结构，通道段侧墙及仰拱厚度300 mm，底板厚度1000 mm,泵房底板厚度400 mm，侧墙厚度300 mm。初期支护层和永久结构层之间设防水层。联络通道结构剖面和平面分别如图1和图2所示。

图1 联络通道结构剖面图

图2 联络通道结构平面图

2 冻结设计与监测方案

联络通道冻结孔采用左右线隧道两侧钻孔，分别以上仰、水平和下俯3种角度在联络通道周围打设，钻孔选用MD-80A钻机。该联络通道及泵房共打设82个冻结孔，其中包含4个透孔。冻结站侧隧道打设15排，计53个冻结孔；冻结站对侧隧道打设7排，计29个冻结孔，钻孔工程量总计508.867 m。

为监测冻结帷幕温度和冻结壁交圈情况，联络通道及泵房共打设测温孔10个，1～2号测温孔布置在冻结站侧隧道，3～10号测温孔布置在冻结站对侧隧道。测温孔深度0.5～6 m，埋设3～6个温度传感器，全程监测地层温度的发展情况。同时冷冻过程中，实时监测盐水去回路温度。为释放冻胀力，缓解冻胀对周围环境的影响，联络通道布置4个泄压孔，冷冻站侧和对侧各布置2个。

联络通道积极冻结期盐水温度为-28～-30 ℃，维护冻结期盐水温度为-25～-28 ℃。积极冻结期时间为35～40 d。冻土强度设计指标为：单轴抗压不小于6.8 MPa，抗剪不小于3.3 MPa，抗折抗拉不小于3.8 MPa。联络通道冻结壁设计有效厚度为2.2 m，冻结壁平均温度应不超过-10 ℃，冻结壁与盾构管片连接处平均应温度不超过-5 ℃。

联络通道冻结孔、泄压孔和测温孔布置如图3所示。

冻结孔编号为D1～D74和E1～E8；泄压孔编号为X1～X4；测温孔编号为C1～C10

3 监测结果分析

3.1 盐水去回路温度

地层冻结过程中，循环的低温盐水源源不断地将冷量传递给冻结管周围地层，降低土体温度直至结冰，达到加固土体的目的。图4为盐水去回路温度监测曲线。盐水温度的变化主要经历快速降温、缓慢降温和保持稳定3个阶段。冻结初期，盐水和地层温差极大，传热速率快，盐水温度快速降低，去路和回路平均降温速率分别为1.88 ℃/d和1.95 ℃/d。此阶段盐水去回路温度较大，维持在1.65～2.06 ℃。随着冷冻的持续进行，盐水和地层温差逐渐减小，降温速率减慢，盐水去回路温差减小，维持在约1.0 ℃。可以发现盐水温度在23～27 d降温加速，且去回路盐水温差增大。这是由于盐水温度降至-20 ℃后，机组制冷难度加大，故加开了1台制冷机组，并加大了盐水流量。伴随地层能量传递达到平衡，盐水去回路温度逐渐保持稳定。冻结站运转37 d，盐水去回路温度分别为-28.9 ℃和-26.9 ℃，去回路温差稳定在约2.0 ℃，冻结管附近土体和盐水热负荷减小，冻土壁发展良好。

图4 盐水去回路温度变化规律

3.2 测温孔温度

冻结孔大多从冷冻站侧隧道钻进，由于钻孔存在一定角度，冷冻站对侧地层温度较难控制，故选取冷冻站对侧测温孔温度监测结果进行分析，如图5所示。冻结过程中，测温孔温度主要经历快速降温、缓慢降温和持续降温3个阶段，与盐水温度的变化具有一定的滞后性。快速降温阶段，受地层与盐水较大温度梯度影响，热传递效率高，测温孔温度降速较大。缓慢降温阶段，伴随地层温度降低，盐水与地层温差缩小，热传递效率下降，且当温度降至约0 ℃，土中水分相变成冰释放潜热，延缓了盐水温度的传递，测温孔降温减缓。持续降温阶段，受增加制冷机组和提升盐水流量的影响，地层与盐水温度梯度再次增大，地层降温加速。当盐水循环和环境传导的能量逐渐趋于平衡，联络通道周围地层温度逐渐趋于稳定。值得注意的是，冷冻过程中，受主线隧道侧通风影响，测温孔测点埋深越浅，温度相对越高，降温越困难。

图5 冷冻站对侧测温孔监测结果

图6为冷冻站侧测温孔C7～C10位于0.5 m和3.0 m埋深处温度监测结果。可以看出，冻结壁外侧测温孔(C8和C10)温度明显高于内侧测温孔(C7和C9)温度，且C10处温度较C8处更高。冻结37 d后，0.5、1.5、3.0 m埋深处C10测温孔分别较C8测温孔温度高2.5、1.77、2.98 ℃。究其原因，冻结壁外侧土体范围较大，降温耗费能量多，导致冻结壁内侧温度高于外侧；此外，地下水渗流加剧了能量的流失，C10方向为渗流迎水面，C8方向为渗流背水面，迎水面水流带走能量显著多于背水面，故C10温度高于C8。因此，冻结施工过程中，应加强对地下水渗流迎水面侧的温度监测，保证暗挖安全掘进。

图6 测温孔相同埋深温度对比

3.3 泄压孔压力

冻结过程中，地层中水分相变成冰体积增大，产生冻胀，当冻胀变形被约束时，地层中形成冻胀力。为控制冻结壁中的冻胀力并及时释放，避免造成盾构管片和邻近管道的破坏，对联络通道冻胀力进行监测，结果如图7所示。4个泄压孔的原始压力分别为0.055、0.062、0.048、0.052 MPa，随着冻结的推进，地层压力主要经历了保持平稳、压力增长和压力释放3个阶段，这与梅源等[14]在西安地铁某联络通道对泄压孔压力的现场监测结果保持一致。冻结初期，地层中水分冻结量较少，冻胀变形量较小，地层压力保持稳定。冻结持续23 d，地层温度大范围降至冰点以下，水分凝固量逐渐增加，冻胀力显著增长。4个泄压孔压力最大值分别达0.33、0.34、0.34、0.33 MPa。由于泄压孔与冻结壁外围无水力联系，地层中水相变为冰体积增加而挤压周围土体，当冻胀变形被交圈的冻结壁约束时，冻胀力逐渐增长。因此泄压孔压力增长是冻结壁交圈产生冻胀引起，其压力变化可作为冻结壁交圈进展的判断依据。可以注意到，当冻结持续至28 d后，泄压孔压力增长趋缓，说明冻结壁交圈良好。冻结35 d后开始连续泄压，由于冻结壁仍在缓慢增长，泄压孔压力出现波动，直至37 d，泄压孔压力降为0，说明地层温度已趋于稳定，冻结壁已基本不再发展。

图7 泄压孔压力变化规律

4 结论

(1)冻结过程中，盐水去回路温度主要经历快速降温、缓慢降温和持续降温3个阶段。冻结37 d后，盐水去回路温度分别为-28.9 ℃和-26.9 ℃，去回路温差稳定在2.0 ℃附近，冻结管附近土体和盐水热负荷减小，冻土壁发展良好。

(2)联络通道冻结壁内侧地层热传导效率高于外侧，迎水面地层温度受渗流影响显著强于背水面，引起冻结壁内侧温度低于外侧，迎水面侧温度高于背水面侧，因此应重点关注迎水面冻结壁外侧的交圈情况。冻结37 d后，测温孔的平均温度均低于-10 ℃，满足设计要求。

(3)泄压孔与冻结壁外围无水力联系，泄压孔压力变化由冻胀力引起，可作为判断冻结壁交圈的依据。泄压孔压力主要经历保持平稳、压力增长和压力释放3个阶段。冻结28 d后，泄压孔压力增长趋缓，冻结壁交圈良好。冻结37 d后，泄压孔压力降为0 MPa，冻结壁已基本不再发展。