人工冻结法封水可靠、适应性强、对环境扰动小, 是施工深厚表层土、含水地层的有效方法。

在我国的隧道旁通道冻结法加固施工中, 大量经验都来自于矿井加固, 由于市政工程的复杂性, 简单的借鉴已经难以满足工程需求, 越来越多的专家学者开始专门针对人工地层冻结法在市政工程中的应用进行了研究。

本文在前人研究的基础上, 以武汉某地铁联络通道冻结加固工程为背景, 根据现场监测数据, 对施工过程中盐水温度、冻土温度、泄压孔压力等进行详细分析, 对其中的变化规律进行总结, 对冻结发展情况进行判断, 并在此基础上将监测数据分析结果与解析法计算结果进行对比。

通过分析, 根据施工中的实际情况, 基本判断土体的结冰温度, 并据此进行各参数解析解, 进而判断土体冻结效果, 保证施工安全。

本工程为武汉地区某地铁区间的联络通道, 该隧道外径6.2m, 内径5.5m。联络通道部位区间左、右线隧道线间距16.2m, 地面标高20.530m, 联络通道由与隧道钢管片相接的喇叭口、水平通道构成。结构布置如图1所示。

联络通道位置具体地层情况如表1所示, 主要土层由上至下为 (1) ₁素填土、 (1) ₃淤泥质粉质黏土、 (3) ₁黏土、 (3) ₅粉质黏土、粉土、粉砂互层、 (4) ₁粉砂、 (4) ₂粉细砂组成。联络通道均位于 (4) ₂粉细砂地层中, 本地区地处长江I级阶地, 主要承压水位于该地层中, 进行联络通道开挖构筑, 须对土体进行有效的加固处理, 冻结法加固是一个可靠的选择。

本工程联络通道所有冻结孔均布置在盐水主管路一侧的隧道中, 根据帷幕设计及通道结构, 冻结孔按上仰、近水平、下俯3种角度布置在联络通道四周, 通道上部及底部采用双排直线型布孔, 以加强冻结效果, 两侧采用单排直线型布孔, 孔深基本贯通隧道间土体。冻结孔数共计45个 (包括2个透孔) 。根据管片配筋情况和钢管片加强筋位置, 在避开主筋的前提下可适当调整, 冻结孔的布置如图

钻孔及冻结施工主要分为以下几个时间段:2017年3月25日正式开钻, 至4月17日施工完全部45个冻结孔、10个测温孔、4个泄压孔。冻结站于2017年4月18日开机运转, 至2017年5月27日积极冻结40d, 冷冻设备及冻结系统运转正常。

冻结帷幕交圈后所需冷量比交圈前要小, 因此冷冻帷幕交圈前盐水的去、回路温差要比交圈前大。积极冻结期盐水温度的发展规律如图3所示。

由图3可以看出: (1) 从开机冷冻开始直至冻结第25d, 去、回路盐水温度基本上呈线性下降, 且达到“7d盐水温度降至-18℃以下, 15d盐水温度降至-24℃以下, 开挖时盐水温度降至-28℃以下”的设计目标, 说明冷冻站制冷量充沛, 设备运转正常。 (2) 去、回路温差呈二次曲线规律逐步减小, 25d之后趋于稳定, 基本稳定在1℃~1.5℃, 变化规律如图4所示。说明在冻结初期土体需冷量较大, 随着冻结壁的逐步发展, 地层的热负荷降低较少, 冻土帷幕形成良好。

为了充分观察冻结过程土层中的温度变化, 判断冻土发展状况, 分别在通道内外和两侧隧道内布置10个测温孔, 其中冻结开孔隧道一侧布置2个, 对侧隧道布置8个, 其平面布置如图5所示。每个测温孔深度在3~4.4m, 孔内均匀布置3个测点。

从图6可以看出, 从开始冻结到27d, 孔内4个测温点均呈现基本一致的降温趋势, 27d以后温度变化渐趋平稳, 且由于受到外界环境的影响, 距离管片越近的测温点, 其温度值也越高。

土体冻结交圈后, 冻胀压力无法释放, 使得冻土内部的水土压力升高, 并要释放出来。为了释放冻胀压力和观察冻结帷幕是否交圈, 以准确掌握冻结帷幕的形成时间, 确定开挖时间, 在冻结帷幕中间布置4个泄压孔, 由图7可知, 在冻结交圈之前, 泄压孔内压力仅存初始地压, 冻结20d左右压力开始急剧上涨, 过程中多次泄压控制其上涨速度, 最高值达到0.46MPa, 说明冻结在20d左右开始达到交圈状态。

冻结壁温度场有3个特征垂直面分别为主面、界面和轴面:主面是通过冻结管的轴心并垂直于冻结管连线的平面 (AA面) ;界面是指相邻两冻结管中心连线的中垂面 (BB面) ;轴面是通过各邻近冻结管中心的平面 (CC面) , 如图8所示。

冻结温度场的经典解析法大都假设土壤冻结温度为0℃, 然而在绝大多数实际工程中土体冻结温度大都低于0℃, 考虑到冻结温度的影响, 胡向东等对特鲁巴克和巴霍尔金公式进行了修正, 得出单管、单排管、双排交错管冻结壁温度场计算公式。单、双排管温度场如图9所示。

由上图可知, 在冻结壁交圈以后, 单排直线型冻结帷幕厚度值为:

双排直线型冻结帷幕厚度值为:

式中:t_Γ, t₃分别为主面、轴面任意点的温度 (℃) ;y为计算点到x轴的距离 (m) ;l为冻结管间距 (m) ;t_ct为冻结管外表面的温度 (℃) ;t₀为冻结壁边界的温度, 即土层冻结温度 (℃) ;r为计算点到轴线的距离 (m) ;ξ为单管冻结壁在其边界温度为t₀时的半径 (m) ;r₀为冻结管外半径 (m) 。

研究冻结温度场的解析解一般以单管冻结温度场的分布为基础, 单管冻结温度场的分布则可按圆管稳态导热问题进行分析计算。其极坐标形式的稳态导热方程为式 (3) , 联合定解条件式 (4) 求解温度场^[5]。

联立 (3) 和 (4) 求得冻结壁中距离冻结管轴线r处点的温度t (r) 为:

特鲁巴克在冻结壁各特征面内观察冻土温度场, 其解析式经修正后可表达如下。

主面任意点温度表达式:

界面任意点温度表达式:

特鲁巴克指出冻结壁的平均温度可采用主面和界面的平均积分温度的算术平均值。

其中:

界面温度分布基本上可以直线拟合^[6]为:

式中:t_k为冻结壁轴面和界面交点上的温度值, t_k=t₃ (0) 。

推导得出:

相关试验以及资料均表明, 冻结壁内大部分的温度状况均近似于界面的温度状况。因此, 以冻结壁界面平均温度值等代整体平均温度是可行的。

修正的巴霍尔金解析式:

其中:

其中:

此处同样以冻结壁界面平均温度值等代整体平均温度, 其冻结界面平均温度为:

在工程运用中, 综合考虑各公式的特性, 选择单管冻结壁温度场公式 (5) 推算土体冻结温度, 考虑施工过程实际情况及已有研究, 认为在泄压孔压力开始显著增长时, 冻结土体帷幕形成封闭环形 (即交圈) 。此时的冻结壁半径ξ即为, 根据冻结壁内的测温孔温度, 由式 (5) 反算出土体的冻结温度, 为后续计算提供依据。

本工程冻结23d后泄压孔压力开始显著上涨, 判断此时冻结孔间距最远的位置 (本工程中为N1孔末端与N2) 发生交圈, 此时由图2、图4综合判断单孔冻结壁厚度为N1孔末端与N2孔垂直距离的, 即ξ=0.737m, 为了满足单孔冻结壁温度场计算公式条件, 选择t (r) 为测温孔C4深度1m位置的测点温度, 即t (r) =-13.1℃, 根据式 (5) , r=0.661m, r₀=0.045m, 冻结管外表面温度近似取盐水回路温度即t_ct=-23.9℃, 由式 (5) 反推得式 (17) , 将各参数带入式 (17) 得到t₀=-3.9℃。由于本工程测温的不稳定, 当选取C8第2点温度在N7冻结壁边缘的温度时, 算出t₀=-0.7℃, 初步原因分析:由于测温孔是人工手动锤入, 在角度上很难准确定位, 冻结管侧由于孔位众多, 施工不便, 因此以对侧水平向测温孔实测温度为计算温度, 各测温孔2m处测点温度如图10所示。

冻结帷幕厚度、平均温度是否达到设计要求是判断冻结效果的最重要参数, 目前使用的成冰公式中部分参数在冻结过程中很难确定, 因此采用修正的经典解析法求解是很有必要的。

1) 单排管冻结帷幕厚度计算

测温孔C8与冻结排管道的相对位置如图11所示。

根据式 (12) , C8测温孔数据对应的冻结帷幕厚度如表2所示。

由表2得, 计算所得冻结帷幕厚度均小于设计厚度 (2.2m) , 随着土体冻结温度的降低, 帷幕厚度显著减小。要满足帷幕厚度达到设计厚度, 以土体冻结温度-3.9℃考虑, 经反算此测温点位置土体温度应进一步降低至-14℃。

2) 单排管冻结帷幕平均温度计算

以单排管冻结区为例, 利用特鲁巴克及巴霍尔金公式计算联络通道土体不同冻结温度下, 要保证冻结帷幕厚度为2.2m, 其冻结壁平均温度如表3所示。

利用特鲁巴克公式计算得, 当通道所处地层冻结温度为-3.9℃时, 冻结壁平均温度符合设计要求 (冻结壁厚度>2.2m, 冻结帷幕平均温度-10℃) , 且土体冻结温度越高, 其冻结壁平均温度设计值可适当降低。

利用巴霍尔金公式计算得, 当冻结帷幕厚度达到设计要求时, 冻结壁平均温度均低于设计要求的-10℃。

在本工程中, 取冻结温度为-3.9℃, 当冻结壁平均温度为-13℃时, 计算冻结壁厚度为1.41m。通过表3可知, 在冻结帷幕厚度为2m时, 冻结壁平均温度亦为-13℃, 说明冻结壁交圈后, 其内部温度场趋于稳定。这与前文中冻结帷幕厚度的计算结果互相得到了验证。

本工程充分运用理论分析与施工监测相结合的方法, 成功对7处大埋深富水砂层条件下地铁联络通道实施了冻结法施工, 实践表明理论分析结果可靠, 土体冻结效果良好。

1) 从开机冷冻开始直至冻结第25d, 去、回路盐水温度基本上呈线性下降, 去、回路温差逐步呈二次曲线规律减小, 25d之后趋于稳定, 基本稳定在1℃~1.5℃, 冻结帷幕形成良好。

2) 冻结20d左右土体压力开始急剧上涨, 过程中多次泄压控制其上涨速度, 说明冻结在20d左右开始达到交圈状态。

3) 冻结过程中, 应根据单孔冻结计算原理, 合理布置测温孔, 在交圈状态下判断土体实际结冰温度。

4) 冻结壁交圈后, 其内部温度场趋于稳定, 冻结站维持当前功率即可保证冻结壁正常发展。

5) 在长江I级阶地中, 当冻结帷幕设计厚度在2.2m时, 冻结壁平均温度为-13℃。