異形加強(qiáng)凍結(jié)管在管幕凍結(jié)法中的凍結(jié)效果及使用方法研究

任 輝，胡向東，陳 錦，張 軍

（1.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056）

異形加強(qiáng)凍結(jié)管在管幕凍結(jié)法中的凍結(jié)效果及使用方法研究

任 輝1，胡向東2，陳 錦2，張 軍3

（1.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056）

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段的超前預(yù)支護(hù)體系采用管幕凍結(jié)法，該工法將3種功能不同的特殊凍結(jié)管內(nèi)置在頂管內(nèi)進(jìn)行凍結(jié)封水。其中異形加強(qiáng)凍結(jié)管主要起到減少或是抵消由于開(kāi)挖和施作襯砌引起的熱擾動(dòng)以抵御凍土弱化的作用。結(jié)合管幕凍結(jié)法大型物理模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析異形加強(qiáng)凍結(jié)管的凍結(jié)效果及其使用方法。結(jié)果表明：1）異形加強(qiáng)凍結(jié)管降溫效果明顯，能抵御開(kāi)挖和施作襯砌帶來(lái)的熱擾動(dòng)；2）提前開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管，形成良好的凍土帷幕后開(kāi)挖更安全。

港珠澳大橋；拱北隧道；管幕凍結(jié)法；異形加強(qiáng)凍結(jié)管；模型試驗(yàn)

0 引言

針對(duì)日趨復(fù)雜的城市隧道及地下工程建設(shè)環(huán)境，淺埋暗挖工法在1987年被提出［1］，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，形成了一套完整的配套技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于隧道及地下工程建設(shè)［2］。隨著淺埋暗挖法的廣泛應(yīng)用，城市隧道及地下工程建設(shè)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，施工技術(shù)難度越來(lái)越大，其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為強(qiáng)化輔助工法和簡(jiǎn)化主要工法［3］。對(duì)于富含水地層的超大斷面淺埋暗挖隧道，其輔助工法的選擇尤為重要，當(dāng)單純采用水平旋噴、管幕［4］、凍結(jié)［5］或降水等輔助工法無(wú)法滿足要求時(shí)，多種輔助工法相結(jié)合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合工法被提出。

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段，首次采用“管幕法+人工地層凍結(jié)法”相結(jié)合的淺埋暗挖隧道超前預(yù)支護(hù)體系，即“管幕凍結(jié)法”［6］。在此之前國(guó)內(nèi)尚無(wú)案例，國(guó)際上也僅有日本的株式會(huì)社精研有過(guò)“鋼管+凍結(jié)”工法的設(shè)想與研究［7-9］，目前僅見(jiàn)德國(guó)柏林地鐵勃蘭登堡門站（Brandenburger Tor，U55，Berlin）暗挖施工中有應(yīng)用實(shí)例。但是，“鋼管+凍結(jié)”工法與管幕凍結(jié)工法還是有區(qū)別的：“鋼管+凍結(jié)”工法中將凍土作為承載結(jié)構(gòu)體考慮，鋼管只是為了提高凍土結(jié)構(gòu)的整體承載性能而存在；而管幕凍結(jié)工法中，主要是由頂管形成的管幕作為承載結(jié)構(gòu)體，凍結(jié)形成的凍土帷幕只是替代頂管間鎖口起到封水作用。國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬［10-13］、室內(nèi)試驗(yàn)［14］、大型物理模型試驗(yàn)［15-16］等方法，對(duì)管幕凍結(jié)法的設(shè)計(jì)理念及其封水的可靠性進(jìn)行了大量研究［17］。本文以管幕凍結(jié)法凍結(jié)方案物理模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)［16］，對(duì)管幕凍結(jié)法的特殊管路——異形加強(qiáng)凍結(jié)管進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證異形加強(qiáng)凍結(jié)管的凍結(jié)效果，并探討其使用方法。

1 管幕凍結(jié)法

1.1 工法提出

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程，其口岸暗挖段，共255 m，如圖1所示，采用管幕法施工［18］。因隧道縱向軸線有較大曲率，曲線頂管難以保證兩頂管間的止水鎖扣成功連接，進(jìn)而難以保證管幕的封水效果，故采用控制凍結(jié)對(duì)管幕之間土體進(jìn)行凍結(jié)，從而達(dá)到止水效果。凍結(jié)施工的主要目的是使用冷凍加固的方法將頂管間的土體變?yōu)閮鐾梁晚敼芤黄鹦纬擅荛]的帷幕，為隧道暗挖施工提供條件。由此而提出管幕法與人工地層凍結(jié)法相結(jié)合的工法，即“管幕凍結(jié)法”，將管幕法與人工地層凍結(jié)法2種輔助工法的優(yōu)點(diǎn)充分結(jié)合起來(lái)。

圖1 拱北隧道平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of Gongbei tunnel

“管幕凍結(jié)法”是利用頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質(zhì)的管子，運(yùn)用內(nèi)置在頂管里面的凍結(jié)管，將頂管之間的土體凍結(jié)起來(lái)，形成水密性的地下空間，即用凍土帷幕來(lái)代替原來(lái)管幕間止水鎖口的作用。

1.2 管幕設(shè)計(jì)

當(dāng)所有頂管完成后，頂管間隔一根澆筑混凝土填充形成實(shí)頂管，沒(méi)有澆筑混凝土的頂管成為空頂管，填充混凝土的實(shí)頂管與不填充混凝土的空頂管交錯(cuò)排列，整體形成如圖2所示的管幕結(jié)構(gòu)。

圖2 管幕設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Design drawing of pipe roof

混凝土比空氣更有利于冷量的傳遞，因此，從冷量傳遞的角度來(lái)說(shuō)，最佳凍結(jié)方案是整個(gè)管幕皆由實(shí)頂管組成。設(shè)置空頂管主要作用：首先，空頂管可作為檢修通道，若頂管內(nèi)部出現(xiàn)凍結(jié)管破裂等問(wèn)題，施工人員可以進(jìn)入空頂管內(nèi)進(jìn)行緊急處理；其次，空頂管內(nèi)布置注漿管，方便凍結(jié)施工完成后的融沉注漿；最后，空頂管內(nèi)布置有深入土體內(nèi)的監(jiān)測(cè)孔，有利于凍土監(jiān)測(cè)。所以，最終方案定為實(shí)頂管空頂管交錯(cuò)排列，空頂管待隧道施工完成后及時(shí)填充混凝土。

1.3 凍結(jié)設(shè)計(jì)

考慮管幕為“實(shí)頂管”和“空頂管”交替布置狀態(tài)，首先，需要驗(yàn)證能否形成凍土帷幕的問(wèn)題；其次，需要考慮隧道開(kāi)挖引起的熱擾動(dòng)作用下凍土帷幕是否能夠保持良好的止水狀態(tài)；另外，因環(huán)境保護(hù)要求，必須嚴(yán)格控制凍土體積以限定凍脹融沉量。為此，確立了“凍起來(lái)、抗弱化、控凍脹”的理念，提出在管幕鋼管內(nèi)部布置“圓形主力凍結(jié)管”、“異形加強(qiáng)凍結(jié)管”和“升溫鹽水限位管”3種特殊管路構(gòu)成的國(guó)內(nèi)外前所未有的凍結(jié)方案。管幕內(nèi)各類凍結(jié)管布置如圖3所示。

圖3 管幕及其內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)管橫斷面布置圖Fig.3 Layout of pipe roof and freezing-tubes

2 各類特殊凍結(jié)管介紹

2.1 圓形主力凍結(jié)管

圓形主力凍結(jié)管布置在實(shí)頂管內(nèi)靠近管間凍土中心部位（如圖3所示），是管幕凍結(jié)工法的主力凍結(jié)管，兩側(cè)各1根，通長(zhǎng)設(shè)置，旨在將相鄰頂管間的土體凍結(jié)起來(lái)，封上管間的透水通道。管幕中每根頂管的管節(jié)間通過(guò)法蘭連接，使得圓形主力凍結(jié)管與鋼管壁間存在12 cm空隙，填充混凝土。

2.2 升溫鹽水限位管

升溫鹽水限位管布置在實(shí)頂管內(nèi)靠近隧道外側(cè)區(qū)域（如圖3所示），通長(zhǎng)設(shè)置，主要起到限制實(shí)頂管外側(cè)凍土發(fā)展的作用。升溫鹽水限位管內(nèi)循環(huán)的限位鹽水溫度，比凍土溫度較高，以控制凍土厚度的增加。

2.3 異形加強(qiáng)凍結(jié)管

異形加強(qiáng)凍結(jié)管布置在空頂管內(nèi)（如圖3所示），兩側(cè)各1根，其斷面形狀為直角扇形。異形加強(qiáng)凍結(jié)管在空頂管內(nèi)貼壁布置，配合圓形主力凍結(jié)管加強(qiáng)管間凍結(jié)效果，減少或是抵消由于開(kāi)挖和施作襯砌引起的熱擾動(dòng)，以抵御凍土弱化。

由于空氣流動(dòng)對(duì)冷量消耗較大，同時(shí)空氣導(dǎo)熱效果較差，故異形加強(qiáng)凍結(jié)管越貼近頂管管壁越好。異形加強(qiáng)凍結(jié)管采用角鋼并直接焊接在頂管管壁，以利于與土體進(jìn)行熱交換，如圖4所示。

圖4 異形加強(qiáng)凍結(jié)管分段布置Fig.4 Layout of profiled enhancing freezing-tubes

根據(jù)異形加強(qiáng)凍結(jié)管的作用，將其分段設(shè)置，單獨(dú)形成小型去回路，在不同的施工工況，根據(jù)實(shí)際情況決定是否開(kāi)啟異形加強(qiáng)管。為此，在空頂管內(nèi)設(shè)置鹽水干管，通過(guò)電控球閥控制各段異形加強(qiáng)凍結(jié)管是否通入凍結(jié)鹽水實(shí)施凍結(jié)，如圖4所示。

在頂管管節(jié)接頭處受法蘭影響，異形加強(qiáng)凍結(jié)管在管節(jié)間采用橡膠軟管連接，同時(shí)在靠近法蘭位置將異形加強(qiáng)凍結(jié)管布置為平面內(nèi)“L”型，彌補(bǔ)管節(jié)接頭處無(wú)法布置異形加強(qiáng)凍結(jié)管的情況，如圖5所示。

圖5 異形加強(qiáng)凍結(jié)管在管節(jié)處連接Fig.5 Link of profiled enhancing freezing-tubes

3 關(guān)于異形加強(qiáng)凍結(jié)管的模型試驗(yàn)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，管幕由40根頂管組成，其中30根頂管直徑為1.44 m，10根頂管直徑為1.8 m，相鄰頂管間距為24 cm，凍結(jié)管直徑為108 mm［6］。施工圖設(shè)計(jì)如圖2所示，管幕由36根直徑為1.62 m的頂管組成，相鄰頂管間距為35.7 cm，凍結(jié)管直徑為133 mm。

異形加強(qiáng)凍結(jié)管的模型試驗(yàn)包含于管幕凍結(jié)法大型物理模型試驗(yàn)之中［16］，本次模型試驗(yàn)在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施，采用2根鋼管進(jìn)行局部試驗(yàn)。模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則如下：

1）模型試驗(yàn)選定了直徑為530 mm的無(wú)縫鋼管，幾何相似比Cl＝1 440/530＝2.72。據(jù)此，管間距為88.32 mm（試驗(yàn)中實(shí)際取90 mm），凍結(jié)管直徑應(yīng)為39.75 mm（根據(jù)市售型號(hào)微調(diào)至42 mm），異形管選用30 mm×30 mm的角鋼。

2）根據(jù)柯索維奇準(zhǔn)則，故CQ/CTCC＝1，其中CQ為巖土釋放潛熱相似比，CT為溫度相似比，CC為比熱相似比。模型試驗(yàn)采用與拱北隧道所處地層熱物理性質(zhì)相近的土體，可近似認(rèn)為CT＝CQ＝CC＝1。

3）根據(jù)傅里葉準(zhǔn)則，故Cλ·Ct/C2l＝1，其中Cλ為導(dǎo)熱系數(shù)相似比，Ct為時(shí)間相似比，Cl為幾何相似比。土體相近，Cλ＝1，故Ct＝C2l＝7.40，即時(shí)間相似比為Ct＝7.40。

模型試驗(yàn)實(shí)施時(shí)與設(shè)計(jì)情況盡可能相同，異形加強(qiáng)凍結(jié)管焊接在空頂管內(nèi)壁，采用30 mm×30 mm角鋼，其斷面形狀為直角扇形，異形加強(qiáng)凍結(jié)管到兩管圓心連線的這段圓弧對(duì)應(yīng)圓心角為45°，如圖6所示。異形加強(qiáng)凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度與圓形主力凍結(jié)管相同，為-26～-30℃。具體模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施詳見(jiàn)文獻(xiàn)［16］所述，其測(cè)溫點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)斷面布置示意圖（單位：mm）Fig.6 Layout of monitoring points（mm）

4 異形加強(qiáng)凍結(jié)管的凍結(jié)效果分析

在異形加強(qiáng)凍結(jié)管試驗(yàn)中，前期僅開(kāi)啟圓形主力凍結(jié)管和限位管，待凍土帷幕已有較大體積且體積增長(zhǎng)和溫度場(chǎng)變化非常緩慢（接近穩(wěn)態(tài)）時(shí)，開(kāi)啟空管內(nèi)的異形加強(qiáng)凍結(jié)管。其目的在于突出異形加強(qiáng)凍結(jié)管的效果，若在凍結(jié)前期開(kāi)啟加強(qiáng)凍結(jié)管，就難以說(shuō)明溫度的下降是由異形加強(qiáng)凍結(jié)管帶來(lái)。

為更全面地探究加強(qiáng)凍結(jié)管的效果，主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析。

4.1 溫度時(shí)間曲線分析

測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線的橫坐標(biāo)軸為時(shí)間，單位為h，從開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管前4 h計(jì)時(shí)為第0 h，縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)溫度，單位為℃，凍土冰點(diǎn)為-1.6℃。測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線如圖7所示。

1）實(shí)頂管外側(cè)區(qū)域。在異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟前后，測(cè)點(diǎn)1-1、1-2和1-3的溫度沒(méi)有明顯變化，其波動(dòng)范圍控制在0.1℃以內(nèi)，表明異形加強(qiáng)凍結(jié)管對(duì)實(shí)管底部的土體難以起到加強(qiáng)凍結(jié)的作用，從而不會(huì)加大實(shí)管底部?jī)鐾恋膬雒涀饔谩?/p>

2）實(shí)頂管與空頂管之間。異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟后，測(cè)點(diǎn)2-1—2-6的溫度有不同程度的下降。第4～10 h，即異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟6 h內(nèi)，溫度下降最為明顯，尤其測(cè)點(diǎn)2-1—2-3下降4.7～6.4℃，而測(cè)點(diǎn)2-6溫度下降速度最慢，約0.5℃。第10～24 h，各測(cè)點(diǎn)溫度下降速度明顯放緩，其中測(cè)點(diǎn)2-1—2-6的溫度下降1.1～1.6℃。

3）實(shí)頂管與凍土交界面。第4～10 h，即異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟6 h內(nèi)，測(cè)點(diǎn)4-2—4-5溫度有明顯下降，為1.4～3.3℃，其余測(cè)點(diǎn)基本沒(méi)有變化。第10～24 h，各測(cè)點(diǎn)溫度下降速率明顯減緩，測(cè)點(diǎn)4-2—4-5溫度下降0.9～1.3℃。

4）空頂管與凍土交界面。異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟后，測(cè)點(diǎn)5-1—5-7的溫度都有明顯的下降。第4～10 h，即異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟6 h內(nèi)，測(cè)點(diǎn)5-2與5-3的溫度下降14.3～16.0℃，測(cè)點(diǎn)5-1與5-4的溫度下降約6℃；第10～24 h，測(cè)點(diǎn)5-1—5-4的溫度下降1～3℃。測(cè)點(diǎn)5-5—5-7的降溫速度變化相對(duì)較小，第4～24 h，保持相近的降溫速度，20 h內(nèi)下降2～3.7℃。

通過(guò)以上分析可知：異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟后降溫主要集中在前6 h，距異形加強(qiáng)凍結(jié)管越近區(qū)域，前期降溫速度越快，最終降溫幅度也越大；異形加強(qiáng)凍結(jié)管主要作用于空頂管周圍及兩管之間距異形加強(qiáng)凍結(jié)管較近的區(qū)域，而對(duì)實(shí)頂管周圍影響較小，實(shí)頂管外側(cè)凍土基本不受影響。

圖7 測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線Fig.7 Curves of time-dependent temperatures at different monitoring points

4.2 凍土與頂管搭接長(zhǎng)度分析

凍土與頂管搭接長(zhǎng)度，即指凍土與頂管管周的包裹范圍，也指凍土與頂管交界面在橫截面上的長(zhǎng)度。搭接長(zhǎng)度又分為凍土與實(shí)頂管的搭接長(zhǎng)度、凍土與空頂管的搭接長(zhǎng)度?？紤]模型試驗(yàn)采用2根鋼管進(jìn)行局部試驗(yàn)，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，僅分析實(shí)頂管與空頂管的半周（靠近管間的2個(gè)半周），半周長(zhǎng)度為832.5 mm。

凍土與頂管搭接長(zhǎng)度曲線的橫坐標(biāo)軸為時(shí)間，單位為h，從開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管前4 h計(jì)時(shí)為第0 h，縱坐標(biāo)為凍土與頂管搭接長(zhǎng)度，單位為mm。在靠近管間的半周范圍內(nèi)，異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟前，凍土分別與實(shí)頂管和空頂管的搭接長(zhǎng)度基本相當(dāng)，為600～620 mm，如圖8所示。實(shí)頂管主要受其內(nèi)部限位管開(kāi)啟影響，導(dǎo)致實(shí)頂管外側(cè)凍土沒(méi)有與頂管完全搭接，而空頂管是因?yàn)殚_(kāi)挖側(cè)無(wú)法形成凍土。

圖8 凍土與頂管搭接長(zhǎng)度曲線Fig.8 Overlap length between frozen soil and pipe roof

由圖8可知，當(dāng)異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)啟后，凍土與空頂管的搭接長(zhǎng)度迅速增加，在0.5 h內(nèi)由600 mm上升至805 mm，3 h內(nèi)凍土完全覆蓋空頂管表面，這主要是異形加強(qiáng)凍結(jié)管布置在空頂管內(nèi)部，且距離凍結(jié)薄弱處較近；而凍土與實(shí)頂管的搭接長(zhǎng)度雖然也有所增加，但非常緩慢，經(jīng)過(guò)20 h，才增加約50 mm，這主要是實(shí)頂管外側(cè)除底部外，早已被凍土覆蓋，而異形加強(qiáng)凍結(jié)管對(duì)實(shí)頂管外側(cè)的影響又有限，故凍土與實(shí)頂管搭接長(zhǎng)度的增長(zhǎng)潛力有限。

4.3 溫度云圖分析

開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管20 h后，凍土帷幕在開(kāi)挖面一側(cè)的體積明顯增大，管間凍土溫度明顯下降；同時(shí)，在凍土帷幕非開(kāi)挖一側(cè)，凍土體積并沒(méi)有大幅增加。可得出結(jié)論：開(kāi)啟加強(qiáng)凍結(jié)管20 h后，管間凍土強(qiáng)度顯著提高，封水路徑明顯增加，封水可靠性增加；同時(shí)，并未顯著地加重凍脹效應(yīng)。管幕凍結(jié)效果溫度云圖見(jiàn)圖9。

圖9 管幕凍結(jié)效果溫度云圖Fig.9 Temperature contour of freeze-sealing pipe roof

5 異形加強(qiáng)凍結(jié)管的使用方法分析

管幕凍結(jié)模型試驗(yàn)分4組進(jìn)行，第1組模擬隧道開(kāi)挖前積極凍結(jié)階段，單純采用圓形主力凍結(jié)管，完全可以形成有效的止水凍土帷幕［14］。第2—4組模擬隧道開(kāi)挖及襯砌施作階段，其中第2組為開(kāi)挖前4 d開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管、第3組為開(kāi)挖的同時(shí)開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管。下面通過(guò)對(duì)比第2組和第3組試驗(yàn)結(jié)果（如表1所示），分析異形加強(qiáng)凍結(jié)管是否能抵御開(kāi)挖和施作襯砌帶來(lái)的熱擾動(dòng)，并討論異形加強(qiáng)凍結(jié)管的開(kāi)啟時(shí)間問(wèn)題。

第2組試驗(yàn)，在開(kāi)挖前異形加強(qiáng)凍結(jié)管已開(kāi)啟并形成良好凍土帷幕。隨著施工開(kāi)挖及襯砌施工，整體凍土帷幕受熱擾動(dòng)影響各測(cè)點(diǎn)溫度在不同程度回升，離開(kāi)挖面越近的區(qū)域受熱擾動(dòng)越嚴(yán)重，溫度上升速度越快，如表1所示。但是，測(cè)點(diǎn)（2-2—2-6、4-3—4-5、5-3—5-7）均在冰點(diǎn)以下，且離圓形主力凍結(jié)管和異形加強(qiáng)凍結(jié)管較近的測(cè)點(diǎn)（2-3—2-4、4-4、5-3—5-4）溫度均低于-5℃，從而保證了凍土帷幕的良好封水性。

表1 第2組和第3組試驗(yàn)各階段溫度情況Table 1 Temperature of every stage for the second and third group tests℃

第3組試驗(yàn)，在開(kāi)挖的同時(shí)開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管，開(kāi)啟時(shí)間較第2組試驗(yàn)晚。整體凍土帷幕溫度開(kāi)挖前偏高，僅圓形主力凍結(jié)管附近測(cè)點(diǎn)溫度低于-5℃，管幕中空頂管溫度最低-3.2℃，如表1所示。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行和異形加強(qiáng)凍結(jié)管的開(kāi)啟，除裸露在外的或離開(kāi)挖面較近的測(cè)點(diǎn)受熱擾動(dòng)影響溫度上升之外，其余測(cè)點(diǎn)受異形加強(qiáng)凍結(jié)管影響均有不同程度的降溫，離異形加強(qiáng)凍結(jié)管越近，溫度降低幅度越大。然而隨著開(kāi)挖面裸露在外以及后續(xù)施作襯砌的影響，各測(cè)點(diǎn)溫度均在回升，在最不利的時(shí)候，大部分測(cè)點(diǎn)（2-3—2-5、4-4—4-5、5-3—5-7）均在冰點(diǎn)以下，保證了管幕間凍土的封水性。但是僅離圓形主力凍結(jié)管最近的測(cè)點(diǎn)4-4、離異形加強(qiáng)凍結(jié)管最近的測(cè)點(diǎn)5-3低于-5℃，其余測(cè)點(diǎn)溫度均靠近冰點(diǎn)，在安全邊緣徘徊。

綜上分析，比較2組試驗(yàn)結(jié)果，異形加強(qiáng)凍結(jié)管開(kāi)挖前提前開(kāi)啟或者開(kāi)挖時(shí)開(kāi)啟，均能抵御開(kāi)挖和施作襯砌帶來(lái)的熱擾動(dòng)。而當(dāng)異形加強(qiáng)凍結(jié)管提前開(kāi)啟，形成良好的凍土帷幕后則開(kāi)挖更安全。因此，開(kāi)挖前應(yīng)開(kāi)啟異形加強(qiáng)凍結(jié)管，對(duì)凍土帷幕進(jìn)行強(qiáng)化。

6 結(jié)論與討論

本文結(jié)合港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段提出的“管幕法+人工地層凍結(jié)法”相結(jié)合的淺埋暗挖隧道超前預(yù)支護(hù)體系，對(duì)管幕凍結(jié)法及其各類特殊凍結(jié)管進(jìn)行了介紹，并結(jié)合管幕凍結(jié)大型物理模型試驗(yàn)，對(duì)異形加強(qiáng)凍結(jié)管的凍結(jié)效果及使用方法進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下。

1）異形加強(qiáng)凍結(jié)管降溫效果明顯。離異形加強(qiáng)凍結(jié)管越近的區(qū)域受影響越大，主要集中在空頂管周圍及兩管之間距異形加強(qiáng)凍結(jié)管較近的區(qū)域。其影響表現(xiàn)在前期降溫速度越快，最終降溫幅度也越大。

2）異形加強(qiáng)凍結(jié)管能抵御開(kāi)挖和施作襯砌帶來(lái)的熱擾動(dòng)。但是，異形加強(qiáng)凍結(jié)管提前開(kāi)啟，形成良好的凍土帷幕后開(kāi)挖更安全。

通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)異形加強(qiáng)凍結(jié)管進(jìn)行研究，驗(yàn)證了異形加強(qiáng)凍結(jié)管在管幕凍結(jié)法中的重要作用，為其在拱北隧道中的成功運(yùn)用提供了有力的技術(shù)支撐。

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Study on Freezing Effect and Operation of Profiled Enhancing Freezing-tube in Freeze-sealing Pipe Roof

REN Hui1，HU Xiangdong2，CHEN Jin2，ZHANG Jun3

（1.Management Center of Zhuhai Link Road of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge，Zhuhai 519030，Guangdong，China；2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.CCCC Second Highway Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430056，Hubei，China）

Gongbei tunnel on Zhuhai Link of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge is to be constructed by“Freeze-sealing Pipe Roof”（FSPR）method.FSPR，serving as a forepoling system，consists of three types of freezing pipes with special functions.Profiled enhancing freezing-tube is aimed at minimizing the influence of the excavation disturbance and lining placement on the frozen soil.Based on the model experiment of FSPR，the effect of profiled enhancing freezing-tube is presented.Conclusions drawn are as follows：1）Using profiled enhancing freezing-tube can weaken the thermal disturbance arising from the excavation and lining placement；2）The safety of the excavation is improved because of the better frozen soil achieved by opening the profiled enhancing freezing-tube in advance.

Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge；Gongbei tunnel；freeze-sealing pipe roof；profiled enhancing freezingtube；model test

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.009

U 45

A

1672-741X（2015）11-1169-07

2015-05-20；

2015-10-20

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目（2013318J11300）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478340）

任輝（1986—），男，湖南常德人，2015年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，隧道及地下建筑工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事隧道及人工地層凍結(jié)的施工與管理工作。