冻结管断裂的施工处理技术研究★

2019-02-14盛国田周泽陵

山西建筑 2019年5期

范雨盛国田周泽陵王俊

(1.广州地铁集团有限公司，广东广州 510330； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116)

作为一种常用的地基加固处理方法，人工冻结技术在地下工程施工中应用十分广泛，常应用于矿井井筒建设、地铁联络通道、盾构进出洞端头加固、地铁事故修复、地下特殊工程等施工中。冻结施工过程中的冷媒介质多采用低温CaCl2溶液，通过在冻结管内流动而将热量从地层中带出。冻结法施工过程中，尤其是冻结管穿越多层复合地层时，常会发生冻结管断裂事故，冻结管的断裂会造成其内部循环的低温盐水漏失，一方面会对冻结壁造成破坏，影响施工的安全，严重时还会造成土层中的水进入施工工作面，使冻结施工失败。另一方面，盐水的漏失会导致易溶盐进入土层内部，使得土体的起始冻结温度降低，会延长后续冻结时间，甚至造成冻土无法形成，导致冻土施工失败，造成不可挽回的影响与损失。如何有效地预防冻结管的断裂以及冻结管发生断管后如何进行处理，是长期困扰冻结法施工的技术难题。

1 冻结管断裂的原因分析

冻结管断裂一般发生在积极冻结阶段或者是施工掘砌阶段，冻结管断裂的原因可从冻结管自身与外部因素两个角度进行分析。

1.1 冻结管自身方面

冻结管自身引起冻结管发生断裂现象的原因主要包括自身材质与接头两个方面。自身材质主要是由于管材的低温脆化，即便对于低碳钢，根据相关试验与实际工程应用经验，低碳钢随着温度的降低，其韧性逐渐减弱，脆性逐渐增强，当温度低于-20 ℃，这种表现尤为明显，所以当受到较大外力时，脆性较强的管材易造成冻结管断裂。

施工中冻结管通常由多根短管通过不同连接方式连接起来，而接头处就是冻结管中的薄弱部位。冻结管的接头形式有螺纹和焊接两种方式，螺纹连接方式受到螺纹加工的影响，减薄了冻结管的厚度，同时焊接也会降低连接处的强度，使接头强度低于管材强度，所以在外力作用下，冻结管接头处就易于发生断裂现象。

1.2 外部施工因素

冻结法施工过程中，外部因素对冻结管的作用力主要体现在以下三个方面：

1)冻结管受低温影响发生冷缩，与周围冻土体之间产生相对位移，从而使得周围冻土体对其外壁产生摩擦力；

2)冻结管的侧向弯曲变形；

3)冻结管外部受土体的侧向压力，内壁受盐水的内压力。

在以上影响外部因素中，冻结管受到的摩擦力影响最大，在冻结管的断裂中起主要作用；而弯曲变形虽然较摩擦力小，但侧向变形的增加会影响到冻结管的稳定性；内、外压力近似成均匀分布，在冻结管断裂中的影响最小。

所以，引发冻结管断裂主要原因，从内因上说是冻结管材质的低温脆化与接头连接处的强度降低，而外因是冻结管周围土体对冻结管壁的摩擦力和侧向弯曲应力作用。

2 冻结管断裂的判断及处理方法

冻结施工过程中，应采取防止冻结管断裂的措施，确保冻结施工安全顺利进行。如何判断冻结管是否发生断裂现象，进而指导冻结法的安全施工，是一项技术难题。总体来说，判断冻结管是否发生断裂的技术手段主要有理论应力分析、物理相似模拟试验、数字信号监测与工程现场观测等。

2.1 理论应力分析

经来旺等通过对冻结施工过程中冻结管的受力状况进行分析，指出冻结管上各点的应力状态为三向应力状态，依据经典力学的基本理论，对冻结管进行了受力分析，获得的结论包括：1)冻结管在低温冷缩过程中受到土体较大的摩擦力，沿冻结管轴线，应力近似按抛物线规律变化，且存在中性层。在中性层以上部分，摩擦力方向向上，应力逐渐增大；而在中性层以下部分，摩擦力向下，应力迅速减小；在中性层面上，应力达到最大。2)对于弯曲应力，可将冻结管视作下端固定的半无限长梁，指出弯曲应力很小，一般不会使冻结管发生断裂。3)对于内外压力，轴对称情况下，可近似按照长厚壁圆筒进行弹性力学计算，三向应力σr,σθ,σz沿冻结管轴线均呈线性规律变化，且数值不大，故对冻结管的断裂影响不大。在此基础上，建立了冻结管的强度准则，找出了冻结管断裂可能性最大的理论位置，在施工中重点对可疑位置加强监测，通过监测数据来判断冻结管的完整性。

2.2 相似模拟试验

崔广心等依据相似理论，设计进行了试验室模拟试验，对积极冻结阶段及掘砌施工阶段中冻结管的受力与各个影响因素之间的关系进行了研究，对冻结管断裂的机理进行定量分析，指出无论在积极冻结阶段还是施工掘砌阶段，在砂层与粘土层的交界处，冻结管都会产生较大的应力，在实际施工中，在复合地层的交接面上，是冻结管容易断裂的位置，应采取针对性的措施，加强地层交界面位置的冻结管强度，同时在该位置设置观测点，测试冻结管的受力和变形，从而判断施工过程中冻结管的完整性。

2.3 数字信号监测

张维廉等研究了冻结管断裂信号特征及其在冻结管内传播规律，认为冻结管断裂一般发生在粘土层与其他地层的交接处，且多在冻结管的接头处。冻结管断裂时会发出强大的震动声音，根据测震原理，即利用冻结管断裂时发出的震动来报警，使其在断管的瞬时发出报警，提示冻结管出现断裂现象。在施工中可以在冻结管端部布置数字信号监测系统，及时发现冻结管出现断裂现象，为尽快采取针对性的处理措施提供基础。

2.4 工程现场观测

在工程现场施工过程中，一些辅助信息也可以对冻结管是否发生断裂进行判断，如盐水去回路流量差、压力差、冻土电导率的变化、冻结管上压力的改变、盐水箱内盐水的减少、施工现场工作面的观察等。这些信息一旦发现异常，则说明冻结管可能出现断裂现象，需要做进一步的判断，并采取针对性的措施。然而，自冻结管开始发生断裂至这些参数显现变化，存在一定的时间差，并不能做到瞬时报警，这些都会对及时采取针对性的措施产生影响。

2.5 冻结管断裂后的处理方法

冻结管断裂指的是母体管发生裂隙，导致盐水从裂隙中泄漏，给冻结法施工产生不利影响。当监测到冻结管发生断裂后，处理技术应包括：

1)立即关闭盐水干管，停止盐水循环，减少低温盐水进入地层，若已开始掘砌，应立即停止施工，启动应急预案；

2)找出断管，关闭断管的盐水循坏；

3)尽快清理出已泄漏的盐水，防止其对冻结壁的进一步破坏，削弱冻结壁的强度；

4)分析断管原因，判断是否有其他冻结管存在断裂现象，并采取针对性措施；

5)对已经发生断裂的冻结管采取下套管的措施，即在母体管下放一根封底、直径略小的冻结管，重新构成新的冻结器；

6)处理完毕后，尽快使断管恢复冻结，以保证冻结法施工的顺利进行。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某地铁区间联络通道处隧道中心间距为12.550 m，地面标高为+6.84 m，隧道中心标高上下行线分别为-10.208 m，-10.236 m。联络通道施工采用水平冻结加固土体、矿山暗挖法施工，穿越粘土层、淤泥质粘土层、粉质粘土层、残积砾质粘土层等地层。

联络通道冻结站于2016年9月5日正式开始冻结，11月9日，现场值班人员发现D12冻结孔从冻结管与孔口管之间孔隙中向外流盐水，判断冻结管可能出现断裂，即停止冻结，对全部冻结管进行打压处理，发现D11，D12，D24三根冻结管出现断裂渗漏盐水。

3.2 断管原因分析

出现冻结管断裂现象的主要原因体现在以下几个方面：

1)地质条件复杂。

从施工过程中发现的断管来看，D11,D12冻结孔位于粉质粘土和残积砾质粘土两种地层中，D24冻结孔位于粉质粘土、残积砾质粘土、残积砾质粘土三种地层中。在冻结过程中，不同地层中土体冻结速度不同，冻结孔在不同地层中交圈先后、冻结帷幕形成的先后也不同，因此在冻结过程中，同一个冻结孔在不同地层中，受到的冻胀力影响的先后时间也不同，即在冻结过程中，同一个冻结孔处于不同地层中受冻结胀力的影响，将会发生一定程度的变形。

2)管材低温脆化。

施工中盐水的降温速度过快，低温使冻结管的管材出现低温脆化现象，而降温速度过快也限制了管材温度应力的及时释放，从而使冻结管的强度降低，影响了冻结管的强度。

3)残积砾质粘土地层的影响。

残积砾质粘土层中的冻结孔施工过程中，遇到一定数量、大小不一的砾石，导致在造孔过程中，部分冻结孔受砾石的影响，发生了一定程度的变形。当变形的冻结管在低温下受到不均匀冻胀力影响后，应力的叠加效果使冻结管很容易断裂。

3.3 施工处理措施

发现冻结管断裂渗漏盐水后，立即关闭冻结孔，并在断裂的冻结管内下套管处理。套管的下放施工包括冻结管内套管安装、套管打压试漏、供液管下放等工作。

为了防止断裂冻结管内的盐水漏入地层，影响已形成的冻结帷幕，施工现场采用以下措施：

1)采用空压机排出进入冻土里的盐水；

2)为了防止冻结管与套管之间的环形空间影响热传导，在冻结管内安装完套管后，在冻结管与套管之间用高压泵注入水，增强冻结管与套管之间环形空间的导热系数；

3)加强对管片的保温处理，减少冻结范围的能量损失；

4)增大盐水流量，降低盐水温度，提高冻结系统的冻结效率，保证冻结效果。

3.4 效果与影响

加完套管后，冻结站于2016年11月30日正式运行，积极冻结进行45 d后，至2017年1月14日，采用测温数据计算、有限元数值模拟与打设探孔三种分析方法，对冻结帷幕进行分析，认为冻结设计满足设计要求，具备开挖条件，进行了后续开挖施工和结构构筑施工，至2017年2月10日完成了联络通道结构的全部施工。从开挖后的冻结壁封水效果和冻结壁的变形来看，形成的冻结壁质量满足设计要求，所以说冻结管发生断裂后，在冻结管内下套管进行处理，是一项非常有效地补救冻结管断裂的处理方法，但会在一定程度上延长施工工期，增加施工成本。