富水砂卵石地层联络通道人工冻结温度场分析

2020-01-02曹军军郑鹏飞张生权赵旭伟晏启祥

铁道建筑 2019年12期

曹军军，伍旺，郑鹏飞，张生权，赵旭伟，黄杰，晏启祥

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031）

联络通道是地铁工程中的重要结构，开挖时具有施工难度大、风险高等特点。通常开挖联络通道前需要对周围土体进行加固处理，在高温气候地区常用地表旋喷桩加固，在砂质地层、砂砾层常用注浆加固，而对于富水松软地层常用冻结法加固［1-2］。

冻结法是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态，使固结的地层形成冻结壁，从而达到止水和承载的作用。冻结法具有施工方便、防水性能好、土体强度高、对周边环境影响小等优点，在城市地下工程的施工中越来越受到重视，已被广泛应用于地基基础工程、城市地铁、水利工程以及市政工程中［3-5］。国内外对冻结原理和施工方法研究较多。文献［6-7］通过现场实测的结果对冻结法施工阶段进行划分，将冻结过程分为5 个阶段，解冻分为3 个阶段。文献［8］以实际工程为背景，建立三维数值计算耦合模型，对联络通道积极冻结期的温度场分布规律进行系统分析，验证了数值分析的可靠性。文献［9］基于北京地铁6 号线二期工程，从冻结温度场变化以及地表变形两方面探讨了冻结法下穿既有地铁线路的安全性，并提出冻结壁的质量是冻结法施工的关键。文献［10-12］采用数值模拟方法对冻结壁的应力与变形进行了分析以及安全评价，指出了冻结法的薄弱部位。目前冻结法在工程中的加固处理案例较多，但在富水砂卵石地层的应用较少。

成都地铁10 号线双流西站—空港二站区间隧道下穿双流机场，1#联络通道位于机场停机坪下方，地面沉降控制要求严格，同时所处地层为砂卵石地层，含水率高，渗透系数达到20 m/d，大于冻结法适用上限值5 m/d。工程首先通过注浆对地层进行改良，在此基础上研究冻结法在富水砂卵石地层中的应用，为今后相关工程提供技术支持。

1 工程概况

成都地铁10 号线双流西站—空港二站区间隧道联络通道共有6 条，其中2 条采用冻结法施工。本文以风险较大、对沉降控制要求高的1#联络通道为研究对象，联络通道位于隧道区间里程DK11+444 处，埋深20.7 m。联络通道处于中密砂卵石地层，岩性较单一，地基土稳定性较好，但地下水丰富，渗透系数大，且水源补给充沛。对本工程影响较大的主要是第四系砂卵石地层的孔隙潜水和基岩裂隙水。联络通道纵断面以及土层情况如图1所示。

图1 联络通道纵断面以及土层情况（单位：mm）

2 冻结加固方案设计

联络通道周围共有61个冻结孔，按上仰、水平、下俯3 个方向布置在联络通道周边。同时，设置4 个透孔用于侧向冻结管路及冷冻排管的供冷，8 个测温孔（C1—C8，布置于联络通道周围）和4 个泄压孔（X1—X4）监测冻结加固动态信息。具体位置如图2所示。单孔盐水流量为5～7 m3/h，联络通道需冷量为4.6 ×104kcal/h。

图2 联络通道钻孔布置（单位：mm）

联络通道冻结壁设计厚度2.0 m，冻土平均发展速度按22～26 mm/d 计算，交圈时间在20～25 d；冻结壁平均温度为-10 ℃，积极冻结时间为35～45 d。用于冻结法施工的盐水温度在积极冻结5 d 后降至-18 ℃以下，10 d后降到-22 ℃以下。开挖时盐水温度在-25～-22 ℃，去路和回路盐水温差不大于2 ℃。

3 现场监测

3.1 循环盐水温度

控制好盐水温度是保证冻结加固质量的关键。在整个冻结过程中，对冻结管去路和回路端头温度进行监测，测量频率为2 次/d。施工过程中去路和回路盐水温度变化及其温差见图3。

图3 去路和回路盐水温度变化及其温差

由图3可知：联络通道冷冻站于2018年9月12日开机，冻结施工3 d 时去路和回路盐水温度就已降至-20 ℃以下，去路为-22.5 ℃，回路为-21.5 ℃；5 d时去路盐水温度降至-22.8 ℃，回路盐水温度降至-21.7 ℃。在冻结初期盐水温度下降速度比设计略快，随着冻结的进行去路和回路盐水温度的下降速度减缓，同时保持在较低温度。积极冻结45 d 后进入冻结维护期，地层中的热交换已基本平衡，盐水温度控制在-30～-28 ℃。去路和回路温差曲线基本呈一条水平直线，数值也保持在1～2 ℃，符合设计要求。

3.2 测温孔平均温度

为了推算冻结壁温度及冻结发展速度、判断开挖时机，需要对各测温孔温度进行同步监测，频率为2 次/d。8 个测温孔中C1～C7 为浅测温孔（长2 m），每个浅测温孔设3个测点，分别布置在靠近隧道管片处、测温孔中部和远离隧道的端部。C8为深测温孔（长5 m），设5 个测点，且沿测温孔轴线均匀布置。各测温孔内测点从深部开始编号。8 个测温孔平均温度随时间变化曲线见图4。

由图4可知，各测温孔平均温度整体变化趋势相似，但数值存在较大差异。主要表现在：①闭合的“回”字形冻结壁外侧的3 个测温孔C2，C3 和C6 的平均温度明显高于相对应的内侧测温孔C1，C4和C5，积极冻结期结束时C1和C2最大温差达到12 ℃，而C3和C4，C5 和C6 的温差在任意时刻始终保持在4 ℃左右。这是由于冻结壁外侧土体与周围土体持续进行热交换、测温孔与冻结管之间距离不同、孔位偏斜等因素导致。②测温孔平均温度的整体下降趋势与盐水温度相似。③不同测温孔存在较大的初始温差，其中C4和C7 的初始温差达到16.5 ℃。这是因为测温孔与冻结管距离不一致，距冻结管越近起始温度越低。总体来看，各测温孔平均温度下降趋势稳定，冻结40 d 左右冻结壁平均温度满足了设计要求的-10 ℃，部分测温孔温度已低于冻结壁的设计温度。

为了分析单孔内温度的下降规律，选取了具有代表性的测温孔C3，C4，C8 数据进行分析。其中测温孔C3 位于冻结管外侧 1 m 处，测温孔 C4，C8 分别位于冻结管内侧1，0.5 m 处。测温孔 C3，C4，C8 温度随时间变化曲线见图5。

图4 测温孔平均温度随时间变化曲线

图5 测温孔C3，C4，C8中测点温度随时间变化曲线

由图5可知：①3个测温孔内不同深度测点温度变化趋势相似。在冻结开始的0～5 d 各测点温度以较快的速度下降至10 ℃左右，随后各测点温度下降速度减缓；冻结27 d 左右3 个测温孔最深测点温度均达到-2 ℃，在30～40 d 最浅测点温度也相继达到-2 ℃。冻结壁的形成主要在冻结开始后的10～40 d；②同一测温孔内各测点温度出现了一定的分化现象，其中C3测温孔深浅测点温差将近10 ℃。测点越浅其与空气热交换作用越明显，因此“喇叭口”部位冻结壁温度明显较高。

4 数值模拟分析

利用ABAQUS 建立三维数值模型，其中盾构隧道、联络通道、冻结管等结构均按设计尺寸考虑。根据圣维南原理，为了减小模型的边界效应，最终模型整体尺寸定为40 m（y方向）×30 m（x方向）×20 m（z方向）。土体、隧道衬砌、冻结管均选择C3D8RT单元，即温度-位移耦合的单元。考虑的荷载有重力荷载、温度荷载。其中温度荷载按照实测的去路盐水温度加载。初始温度设定为20 ℃。边界条件：约束土体左右、前后、底面的位移，顶面为自由面。冻结管和土体之间采用tie连接，各土层的物理力学参数根据地质勘察报告取值。三维模型和冻结管网格见图6。

图6 三维模型和冻结管网格

不同时期联络通道纵向中间断面处温度场见图7。可以发现，冻结开始后各冻结管周围土体的冻结锋面以单根冻结管为中心逐渐向四周发展。在积极冻结5 d 后冻结管周围土体温度快速下降到0 ℃左右。冻结10 d 左右局部区域达到-10 ℃，各冻结管周围经冻结形成的冻土柱体开始交圈。20 d后联络通道侧面、顶部、底部冻结壁厚度分别达到1.61，1.89，1.34 m。30 d后冻结壁发展速度减慢，联络通道侧面、顶部、底部冻结壁厚度分别达到2.08，2.14，1.71 m。45 d后联络通道冻结壁的形状与厚度符合冻结方案要求，最厚处达到2.65 m，最薄处有2.12 m，转角处的冻结壁发展良好，厚度均匀，不存在死角，整个冻结壁形成一个闭合的“回”字形，达到了既能隔绝地下水又能加固土体的效果。

数值模拟结果能从各个方面直观展示冻结过程，而实际测温孔温度受施工精度和内外界环境影响较大，为了进一步验证冻结设计方案的合理性，从数值模拟结果中提取与现场测温孔C3，C4，C8 对应位置的节点（P3，P4，P8）的平均温度进行对比分析，见图8。

图7 不同时期联络通道纵向中间断面处温度场（单位：℃）

图8 测温孔实测平均温度与模拟平均温度对比

由图8可知：①在冻结中期（5～35 d），3 个测温孔的模拟平均温度要比实测平均温度略低，最大温差达到3 ℃，因为实际冻结并不是简单的温度传递过程，影响因素较多；在冻结早期（0～5 d）与后期（35～45 d）3 个测温孔的模拟平均温度要比实测平均温度略高，相比冻结中期温差明显减小。②模拟平均温度达到-2 ℃在28 d左右，该时间与现场实测时间的误差在4 d 以内。③数值模拟结果中温度降至0 ℃时各测温孔平均温度均出现了短暂稳定，因为液态水凝固过程中相变潜热释放，热交换比较剧烈；而现场冻结受周围环境影响因素较多，在温度降至0 ℃时无明显暂停。总体来看，数值模拟与现场冻结过程吻合较好，采用数值模拟研究冻结温度场可行，现场冻结方案合理。