人工地層凍結(jié)凍土自然解凍與強制解凍實測分析

肖朝昀 胡向東

(華僑大學土木工程學院，廈門 361021)(同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

人工地層凍結(jié)凍土自然解凍與強制解凍實測分析

肖朝昀 胡向東

(華僑大學土木工程學院，廈門 361021)(同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

通過自然解凍和強制解凍原位試驗，得出凍土自然解凍和強制解凍溫度變化規(guī)律。凍土自然解凍速度非常緩慢，強制解凍能顯著的加快凍土解凍速度。對于多排管凍結(jié)形成的大體積凍土，可利用強制解凍加快凍土解凍速度，達到及時跟蹤注漿，更好的控制融沉目的。

人工地層凍結(jié)；自然解凍；強制解凍；平均解凍速度；監(jiān)測

近年來，人工地層凍結(jié)技術(shù)越來越多地應(yīng)用在地鐵，越江隧道等市政工程中[1～4]。多數(shù)工程位于城市繁華地段，地面建筑物、埋設(shè)管線和設(shè)施錯綜復雜。凍結(jié)停止后，凍結(jié)形成的有限厚度凍土解凍，會導致既有建筑、地下管線和設(shè)施產(chǎn)生沉降，必須對其跟蹤注漿以控制融沉。凍土解凍時間長短，導致工程中采取的措施不同。如果凍土自然解凍時間在工程可接受的范圍內(nèi)，工程中只要做到隨融隨注的方法，就能較好控制融沉。但如果凍土自然解凍時間過長，就必須采用強制解凍手段。因而有必要對人工地層凍結(jié)形成的凍土自然解凍和強制解凍規(guī)律進行研究。目前對于人工凍結(jié)形成的凍土自然解凍和強制解凍規(guī)律主要采用理論和實測2種方法。高志勤等[5]建立了半無限空間解凍計算模型，將凍結(jié)區(qū)和未凍結(jié)區(qū)初始溫度假定均勻分布，最終推導出相界面與時間的關(guān)系、凍結(jié)區(qū)和解凍區(qū)溫度分布。邱凡[6]把解凍管看成為線熱源，并將解凍管釋放的熱流密度給定為常數(shù)，建立了單管解凍模型。陳明雄等[7]采用模型試驗，研究淺覆土盾構(gòu)隧道凍結(jié)加固溫度場變化，比較自然解凍和強制解凍解凍時間。周真云[8]給出實測解凍直徑與解凍時間關(guān)系。荻原春男等[9]報道了東京都尾久上干線下水道工程中凍結(jié)法施工豎井，開挖后采用強制解凍的施工方法，監(jiān)測強制解凍時凍土內(nèi)部溫度的變化。文獻[10]給出了井礦工程中凍結(jié)壁自然解凍估計計算公式。筆者基于上海地鐵4號線修復工程江中段自然解凍和強制解凍原位試驗大量實測數(shù)據(jù)，對比分析了自然解凍和強制解凍凍土溫度上升規(guī)律；對于強制解凍，分別分析了單排管和多排管解凍效果，得出了平均解凍速度，為今后類似工程提供有益借鑒。

1 工程和監(jiān)測概況

1.1工程概況

上海地鐵4號線董家渡段因發(fā)生事故，上下行線隧道部分坍塌。修復時坍塌隧道江中段與完好隧道對接部位設(shè)計采用4排凍結(jié)管局部凍結(jié)形成6m厚，凍結(jié)深度14m，寬度24.5m的凍土墻。形成深度方向上呈凸肚子形狀的凍土體，凍土墻中部厚度超過9m。4排凍結(jié)管內(nèi)凍土溫度為-24～-26℃，離外排凍結(jié)管距離0.8m處的凍土溫度在-14～-17℃左右[3]。凍結(jié)停止后，考慮后續(xù)中山南路段的強制解凍的需要，利用江中段原有監(jiān)測系統(tǒng)，并增加部分測溫孔，在現(xiàn)場進行原位試驗。以上行線隧道右側(cè)尺寸線為界線，左邊劃分為自然解凍區(qū)，右邊劃分為強制解凍區(qū)，圖1為解凍分區(qū)布置圖。通過監(jiān)測這2個區(qū)域溫度，并進行對比研究，探討強制解凍凍土內(nèi)溫度變化規(guī)律。強制解凍區(qū)又分為2個區(qū)域，分別考察單排管和雙排管強制解凍，對比單排和雙排解凍速度。

1.2監(jiān)測概況

自然解凍區(qū)利用測孔C14、C15、CB7、CB8監(jiān)測凍土溫度變化，其中CB7和CB8是利用原有的凍結(jié)管D2-6、D1-5內(nèi)放置測溫電纜，測溫孔位置見圖1。C14和C15監(jiān)測從2005年11月20日凍結(jié)停止后開始監(jiān)測，一直持續(xù)到2006年5月7日，共計168d。CB7和CB8監(jiān)測從2006年1月4日開始，一直持續(xù)到2006年5月7日，共計123d。

圖1 自然解凍、強制解凍分區(qū)，強制解凍分組及測溫孔布置圖

強制解凍區(qū)，強制解凍2006年1月4日開始，1月15日結(jié)束。強制解凍采用的方式是把原來凍結(jié)系統(tǒng)中的凍結(jié)管用作強制解凍系統(tǒng)中的加熱管，并利用原凍結(jié)系統(tǒng)中的干管和熱水循環(huán)系統(tǒng)的干管作為強制解凍系統(tǒng)中熱鹽水循環(huán)系統(tǒng)的干管。當土體溫度上升至-1℃時，即可認為凍土解凍完成。由于加熱系統(tǒng)供熱能力的限制以及考慮解凍后融沉控制注漿所需的時間，強制解凍采用分批分組解凍，即解凍完一塊區(qū)域之后再解凍下一塊區(qū)域，或同時解凍幾塊區(qū)域之后再解凍其他區(qū)域。該試驗凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)的熱鹽水溫度為80℃，為保證凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)的熱鹽水不低于此溫度，因此每組串聯(lián)的凍結(jié)管數(shù)為2～4根，具體分組見圖1。其中組1、3、5、6組為單排管強制解凍，組11～17為雙排管強制解凍。強制解凍區(qū)共布置9個測溫孔，分別為C8、C9、C11、C13、C17、CB1、CB2、CB3，測溫孔位置見圖1。

測溫孔內(nèi)測溫電纜溫度傳感器布置原則主要是能全面監(jiān)測設(shè)計凍土墻各個斷面溫度。各傳感器具體深度見表1。

表1各測孔內(nèi)測點位置(單位：m)

測點1234567891011C8-25.70-26.20-28.20-30.00-31.90-33.70-35.50-37.40-38.20-40.20-40.70C9-25.70-26.20-28.20-30.00-31.90-33.70-35.50-37.40-38.20-40.20-40.70C10-25.70-26.20-28.20-30.20-32.20-34.20-36.20-38.22-40.20-40.70C11-25.70-26.20-28.20-30.02-32.02-33.72-35.42C13-25.70-26.20-28.20-30.20-32.20-34.20-36.20-38.20-40.20-40.70C15-25.70-26.20-28.20-29.95-31.85-33.65-35.45C17-25.70-26.20-28.20-30.00-31.90-33.70-35.50-37.40-38.20-40.20-40.70C18-25.70-26.20-28.20-30.20-32.20-34.20-36.20-38.20-40.20-40.70CB1/CB2/CB3/CB7/CB8-23.70-24.20-26.20-28.20-30.20-32.20-34.20-36.20-38.20-40.20

2 自然解凍監(jiān)測分析

圖2 自然解凍區(qū)C10孔測點溫度隨時間變化曲線

圖2為自然解凍區(qū)C15的凍土升溫曲線。取測溫孔C14、C15、CB7和CB8凍土墻中部-28.2m處溫度值，列表計算日均溫度上升值，見表2，從圖2曲線和表2計算值，可以將自然解凍溫度上升大致劃分為3個階段：①溫度快速上升階段。2005年11月20日～2006年1月12日，共計53d。在這一階段，凍土內(nèi)溫度從-25℃左右上升至-8℃左右，日均溫度上升速度為0.2～0.3℃/d；②溫度緩慢上升階段。2006年1月12日～2006年3月15日，共計63d。在這一階段，溫度從-8℃左右上升至-3℃左右，日均溫度上升速度為0.05～0.08℃/d；③凍土開始解凍階段。從2006年3月15日開始，一直至監(jiān)測停止時(2006年5月7日)，共計52d，從圖2中可以看出，這一階段溫度基本沒有上升，處于相變階段。由于工程條件限制，未能繼續(xù)監(jiān)測，從停止監(jiān)測時監(jiān)測的溫度值看，解凍未完成。

表2 自然解凍區(qū)凍土溫度上升計算表

3 強制解凍監(jiān)測分析

3.1強制解凍前凍土帷幕溫度狀態(tài)

江中段垂直凍土墻凍結(jié)工程于2005年11月20日停止凍結(jié)。由于場地限制，直至2006年1月3日才開始強制解凍。表3為1月3日強制解凍前凍土帷幕上部、中部、下部各測溫點溫度情況。表中數(shù)據(jù)表明，4排孔內(nèi)凍土帷幕中部(-30.2m)溫度在-12℃，厚度方向上4排孔外0.8m處(C8)溫度為-6.5℃，1.5m處(C17)溫度為-6.13℃，寬度方向上，4排孔外0.9m處(C13)溫度為-3.94℃。凍土帷幕上部(-26.2m)溫度與中部溫度接近，下部(-40.2m)溫度最高。

表3 強制解凍前凍土帷幕上部、中部、下部各測溫點溫度情況

3.2各組強制解凍起止時間及總解凍時間

2只體積均為2m3的鹽水箱內(nèi)分別安裝15kW的電熱絲6組，對鹽水箱鹽水進行加熱，提供強制解凍所需熱量。熱鹽水去路溫度維持在80℃左右，溫差在2～8℃之間，分組進行強制解凍。表4為各組解凍起止時間和總的解凍時間，各分組位置見圖1。

表4 各組解凍總時間

3.3單排管強制解凍溫度上升規(guī)律

圖3 單排強制解凍區(qū)C10孔測點溫度隨時間變化曲線

圖4 雙排管強制解凍區(qū)C9孔測點溫度隨時間變化曲線

組1、3、5、6可看成為單排管解凍，圖3為單排強制解凍時C10測溫孔測點溫度上升曲線。凍土內(nèi)溫度快速上升，凍土墻內(nèi)不同部位溫度上升趨勢不一樣。C10離第4排凍結(jié)孔軸線距離為0.57m，其經(jīng)歷了137h(見表4)后，C10測孔內(nèi)在凍土墻中部(-28.2～-38.2m)處溫度從-12℃左右上升至0℃附近，說明凍土墻中部已解凍完成，解凍速度為100mm/d，平均溫度上升速度為2.1℃/d，上部(-25.7～-28.2m)溫度從-13℃左右上升至-4℃左右，平均溫度上升速度為1.58℃/d，下部(-40.2～-40.7m)溫度從-7℃左右上升至-2℃左右，平均溫度上升速度為0.88℃/d。上部和中部解凍前初始溫度比較接近，解凍開始后，中部溫度上升是上部的1.33倍，說明中部解凍強度比兩端大。單排管解凍時，離第4排凍結(jié)孔3.6m處的C9測孔也受影響，當C10測孔內(nèi)溫度接近0℃時，C9測孔內(nèi)溫度開始上升，說明6.3倍解凍半徑以外的凍土溫度均受影響。

3.4雙排管強制解凍溫度上升規(guī)律

組11、12、13、14可看成為雙排管解凍，其周圍測孔C9溫度變化見圖4。凍土內(nèi)溫度上升幅度比單排管快。C9測孔離第2排凍結(jié)管軸線距離為0.6m，其經(jīng)歷了91h(見表4)后，中部溫度(-30～-38.2m)由初始時-10℃左右上升至-1℃，解凍速度為158mm/d，平均溫度上升速度為2.37℃/d；上部(-26.2～-28.2m)由初始時-11.5℃左右上升至-5℃左右，平均溫度上升速度為1.72℃/d；下部(-40.2～-40.7m)由初始時-5℃左右上升至-2℃左右，平均溫度上升速度為0.79℃/d。

4 結(jié) 論

筆者基于上海地鐵4號線修復工程江中段自然解凍和強制解凍原位試驗大量實測數(shù)據(jù)，對比分析自然解凍和強制解凍凍土溫度上升規(guī)律。對于強制解凍，分別分析單排管和多排管解凍效果，得出平均解凍速度，主要結(jié)論有：

1)凍土自然解凍速度非常緩慢。凍土自然解凍溫度上升可分3個階段：①溫度快速上升階段，日均溫度上升速度為0.2～0.3℃/d；②溫度緩慢上升階段，凍土內(nèi)溫度越接近相變溫度，溫度上升速度變得越緩慢，日均溫度上升速度為0.05～0.08℃/d；③相變階段，該次自然解凍共監(jiān)測共計168d，凍土溫度在相變溫度附近，未能監(jiān)測到相變完成的完整時間。

2)該次強制解凍試驗初步得出了單、雙排管強制解凍溫度上升規(guī)律。在鹽水溫度為80℃情況下，單排管強制解凍平均溫度上升速度為2.1℃/d，平均解凍速度為100mm/d，雙排管強制解凍平均溫度上升速度為2.37℃/d，平均解凍速度為158mm/d。同自然解凍溫度上升速度相比，強制解凍溫度上升是自然解凍的8.8倍以上。

3)對于多排管凍結(jié)形成的大體積凍土，可利用強制解凍加快凍土解凍速度，達到及時跟蹤注漿，更好的控制融沉目的。

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[編輯] 易國華

TU472.9

A

1673-1409(2009)03-N092-04

2009-05-23

國家自然科學基金資助項目(50578120)。

肖朝昀(1979-)，男，2000年大學畢業(yè)，博士，講師，現(xiàn)主要從事巖土工程方面的研究工作。