水平凍結法施工超大斷面隧道的技術研究與應用

張　明，陳軍浩

(1.約翰芬雷工程技術(北京)有限公司，北京　100004；2.福建工程學院土木工程學院，福建　福州　350118)

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水平凍結法施工超大斷面隧道的技術研究與應用

張明1，陳軍浩2

(1.約翰芬雷工程技術(北京)有限公司，北京100004；2.福建工程學院土木工程學院，福建福州350118)

人工凍結法施工技術在一些困難地層、復雜地下結構施工中得到了廣泛的應用，與其他工法相比，具有很多獨特優(yōu)點和可靠性。以廣州地鐵六號線大坦沙站方向與車站對接段隧道加固為工程背景，針對超大斷面和復雜的條件，提出采用人工凍結法施工。首先基于熱力學原理，推導了巖土凍結過程的水熱力耦合控制微分方程組，并采用有限元軟件對水平凍結過程進行了數值模擬，優(yōu)化了設計參數。結果表明：積極凍結45天時有效凍結壁平均溫度、有效凍結壁厚度、開挖產生最大變形均滿足設計要求，最大變形位于凍土底板中間位置；表明采用的人工凍土雙屈服面本構模型及水熱力耦合控制方程是可行的。同時根據本工程特點，提出了施工技術難點與控制要點，保證了工程順利實施，研究結果具有一定的實用價值。

人工凍結；水熱力耦合；富水地層；地鐵隧道

近年來，隨著我國經濟的迅猛發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，人工凍結法[1～4]施工技術在一些困難地層、復雜地下結構施工中得到了廣泛的應用，與其他工法相比，具有很多獨特優(yōu)點和可靠性。

1940年，前蘇聯(lián)學者В.Н.Веунбрг首先研究了土中的冰對凍土力學性質的影響；H.A.Цытович揭示了凍土中存在未凍水的事實，并說明了未凍水含量直接與負溫條件有關。H.A.Тютюнов(1947)在他的博士論文中肯定了不只是正凍土中有水分遷移。H.A.Цытович和С.С.Вялов于1955年解釋了凍土流變?yōu)殡S時間變化的一個物理過程。HarLan R. L(1973)，Taylor G. S.等提出了飽和正凍土水熱耦合模型；Hopke S. W.(1980 )第一個考慮外載作用的凍脹模型；2001年李洪升等提出了土體在凍結過程中水熱力三場耦合一般數學模型；文獻[6]等通過凍結模型試驗獲得了凍結溫度場、水分場和凍結應力場的特征。

廣州地鐵六號線大坦沙站至如意坊站區(qū)間暗挖段隧道凍結加固工程位于大坦沙站側，為與車站對接段隧道，為雙線矩形斷面。對接段隧道長度約為13米、高7.45米、寬12米；埋深距地面僅4.43米。原設計采用明挖法施工，因施工段中部地面上有廣荗鐵路客運線穿過，同時，隧道與車站對接段有近10米的長度在5號線地鐵車站的正下方，地下污水、雨水等管線交叉穿梭。受此影響，現(xiàn)階段不方便組織明挖法施工?，F(xiàn)采用水平凍結孔凍結加固土體，礦山暗挖法施工。為此，本論文對水平凍結法施工廣州地鐵超大斷面隧道進行了技術研究。

1　人工凍結水熱力多場耦合力學模型

1.1 基本假定

假設土體為均質連續(xù)、各向同性的粘彈塑性材料。研究的土體位于地下水位以下，認為土體是飽和的多孔介質材料，并忽略氣相遷移；水分遷移主要是由溫度梯度引起的，無溶質遷移；在飽和土中除凍結管提供的熱源外，沒有其它熱源或熱匯。假設水和土的熱動態(tài)平衡是瞬時發(fā)生的，即土粒骨架和周圍流動的水具有相同的溫度。

1.2 多場耦合控制微分方程

(1)

(2)

式中：k表示導水系數，m2/(h·℃)；H為水頭高度，m；α為水分擴散率。

1.3人工凍土屈服面本構模型

西源模型[6]能反映材料的粘彈塑性質，本文以西源模型為基礎，對其中的粘塑性項進行改進，以適用于凍土的復雜變形性質。根據人工凍土室內試驗分析提出了一個新的適合凍土的粘彈塑性本構模型[7]，如圖1所示。

圖1　凍土雙屈服面流變模型

西源模型在巖土工程應用上理論較成熟，三維狀態(tài)下流變模型很難用形象化的物理元件來描述，但流變本構方程可以用一維模型，采用類比的方法直接推導。

(3)

式中：E0、E1為材料的彈性模量,MPa；η1、η2為材料的黏滯系數,MPa·min；t為作用的時間,h;F1、F2為屈服函數，見式(4)和式(5)。式(3)即為雙屈服面凍土流變本構方程。

剪切屈服面引起凍土剪切變形，符合D-P屈服準則，D-P屈服函數見式(1)。由于卸載引起的體積膨脹可以選用沈珠江提出的南水雙屈服面模型中的壓縮屈服面。

剪切屈服面

(4)

c為凍土的黏聚力(MPa)；σm、J2為分別為第Ⅰ應力不變量和第Ⅱ偏應力不變量。

體積屈服面

(5)

雙屈服面模型能很好的表示人工凍土在靜水壓力下的體積蠕變和偏應力下的剪切變形規(guī)律。

2　水平凍結方案

2.1工程地質及水文地質概況

根據勘察資料，本區(qū)段場地較平坦，起伏不大，砂層分布廣泛，厚度較大，地下水豐富，暗挖隧道埋深較淺，隧道結構范圍內主要為<2-2>淤泥質粉細砂層，結構下部為< 4-1>粉質粘土層，結構上部為人工填土。地下水水位埋藏較淺，穩(wěn)定水位埋深為0.00～4.80m。凍結加固范圍內土層主要為<2-2>淤泥質粉細砂。

2.2水平凍結設計方案

考慮本工程的特殊性和安全要求，凍結帷幕設計厚度為2.0m，平均溫度不高于-10℃，采用水平凍結，側墻和頂部單排凍結孔，底板雙排凍結孔，暗挖段端頭用雙排垂直孔封堵，凍結管規(guī)格為φ108×8的20#低碳鋼無縫鋼管。凍結孔成孔間距控制在1.3m以內(底部雙排孔控制間距不大于1.6m)，總凍結孔個數為120個，測溫孔10個，卸壓孔8個。設計最低鹽水溫度為-28～-30℃，凍結7天鹽水溫度達-20℃以下，單孔鹽水流量5～7m3/h。根據本工程超大斷面的特性，采取分區(qū)開挖，中間部位水平凍結孔先開機凍結，垂直凍結孔及兩側凍結孔延后10～15天開機凍結。凍結施工過程中為減小對上部既有結構的影響，凍結施工前應通過上部卸壓(注漿)孔XT1～XT13對5號線車站下方、暗挖通道上方土體進行卸壓，壓力不易卸除時可通過泥漿循環(huán)將泥土帶出，以減少凍結期間凍脹[8～10]對上部站臺結構的破壞作用。開挖期間根據地面沉降情況對上部卸壓(注漿)孔XT1～XT13進行適當注漿，開挖結束后根據地層沉降情況對上部卸壓(注漿)孔XT1～XT13和通道內預埋注漿管進行注漿。凍結孔和測溫孔平面布置和立面布置如圖2所示。

圖2　凍結孔和監(jiān)測孔水平、立面布置圖

3　凍結過程水熱力耦合分析

由于工程影響范圍不大，假設工程所在位置計算范圍內各地層均水平分布。凍結加固范圍內土層主要為<2-2>淤泥質粉細砂，根據凍土實驗報告[11]，取土層對應的物理參數。計算時，凍結前初始地溫和空氣溫度取25℃，空氣對流系數為5.0W/m2·℃，結冰溫度取-0.6℃，-10℃時凍土強度指標取抗壓6.4MPa，抗折3.0MPa，抗剪5.5MPa，凍土的彈性模量和泊松比分別取210MPa和0.23。模型材料的計算參數如表1所示，鹽水溫度降溫計劃如表2所示。

表1　材料計算參數

表2　鹽水溫度降溫計劃

3.2計算結果及分析

(1) 凍結溫度場計算結果 通過有限元計算，說明凍結交圈時間為15～20天左右；積極凍結45天后，首先開挖的左上部臺階位置凍土，頂部有效凍結壁厚度可達2.7m，側墻達到2.3m，有效凍土平均溫度達到-11.1℃；“田”字形凍土體中間土體不會凍結，開挖邊界溫度約為-7.5℃，凍結溫度場云圖如圖3所示。

圖3　凍結溫度云圖

根據溫度場計算，設計積極凍結時間為45天；考慮維護結構散熱影響，設計有效凍結壁平均溫度-10℃，有效凍結壁厚度為2.0m?？煽紤]分區(qū)開始凍結，中間位置凍結孔比周邊孔先開機凍結，左上部分區(qū)凍結45天后可開始開挖左上部通道，此時右下部通道最薄處凍土墻為右下側，凍土厚度為1.9m，開挖到此處時可以達到設計參數。

(2) 凍土結構計算結果凍結壁力學分析水平通道外圍凍結壁有效厚度為2.0m，凍結壁平均溫度為不高于-10℃。凍土壁承載力驗算采用許用應力法，根據《旁通道凍結法技術規(guī)程》中的Ⅲ類凍結壁強度檢驗，同時考慮本工程安全性質，安全系數?。嚎箟?.0，抗折3.0，抗剪3.0。凍結壁頂面所受土壓力根據開挖向下變形特性按主動土壓力計算，側面承受水土壓力取靜止側壓力系數0.7計算，土的平均重度取18.5kN/m3，計算結果如圖4所示。

圖4　凍土結構計算結果

從計算結果可以看出，計算的應力值小于強度值，凍結壁的總體承載能力可以滿足施工要求。開挖產生最大變形位于凍土底板中間位置，最大達65mm，開挖時需要采取措施以減小凍土變形。

根據底部開挖附加變形過大的問題，設計采取分區(qū)分斷面開挖，中間布置兩排凍結孔，形成兩排凍土立柱，開挖斷面大致分為三個區(qū)。施工過程中先開挖中間區(qū)域部分，保留兩側凍土立柱，中間部分初襯和二襯做完后，再開挖兩側部分，兩側部分應先施工底部初襯和二襯，再施工上部初襯和二襯，施工過程中應制定詳細的工藝流程、開挖步驟，做到隨挖隨撐，加強監(jiān)測控制好凍土底板變形[12]。

4　主要施工技術難點及控制要點

根據廣州地區(qū)地層凍結法設計和施工經驗以及該工程所處位置的自身特點，存在以下主要技術難點

(1)結構所處的土層為砂性土，含水量高，滲透性強，為透水土層，本段砂層分布廣泛，且厚度大，連通好，和地表水水力聯(lián)系密切，富水性強。在鉆孔和開挖時，易發(fā)生涌水坍孔等事故。

由于苗族聚居區(qū)的聚居特征以及其位置、傳統(tǒng)文化的影響，苗族銀飾鍛造技藝的傳承習慣是傳男不傳女，傳內不傳外。且因歷經多年的發(fā)展以及其比較重，價格較貴等各種因素的影響，選擇整套、具有苗族特征銀飾的顧客越來越少，苗族銀飾的盈利性并不明顯。在這種情況下，很多年輕人選擇外出務工，因此現(xiàn)今懂得苗族銀飾鍛造技藝的人非常少，且基本上都是老一輩勞動者，這些人文化程度普遍偏低，經濟水平也相對一般，對蘊含豐富文化內涵的苗族銀飾不甚關注。

(2)凍結施工地點離兩側珠江水系較近，有500多米。易受江面潮水起落影響，引起地下水的流動，造成一定的冷量損失。

(3)凍結地層離地面較近，頂板凍結邊線離地面只有約2.4米，廣州的氣溫較高，氣溫對地面的溫度影響對凍結帷幕不利，以及積極凍結期主要位于雨季，可能對凍結效果影響比較大。凍結期澆筑混凝土，可能對混凝土本身的強度造成一定影響。

(4)地面有正在運營的地鐵5號線，凍結區(qū)域離站廳較近，凍脹力釋放控制不當容易引起車站站棚變形。同時凍結體頂板處有排水管路，凍結過程中很容易對管路造成凍脹擠壓破壞，施工過程中需采取有效措施減小凍脹對附近構筑物的影響。

針對以上技術難點，施工過程中應做好以下技術要點的控制

(1)凍結施工前，應對該地層進行適當的改良性注漿，以減小流動性雨水、地下水等對凍結壁的影響，同時減小施工過程中的凍脹以及后期的融沉。

(2)鉆孔時，采取二次開孔，首先將車站結構和連續(xù)墻開孔開通，在孔口安裝專門的密封裝置，再進行鉆孔施工。采取跟管法鉆進，凍結管兼做套管，一次性成孔，減少水土流失，控制對地層的擾動?？刂苾鼋Y孔施工質量，在凍結孔長度、偏斜和密封性能上保證100%合格。

(3)凍結制冷量保留較大富余，設備考慮一定量的備用，以保證凍結施工的連續(xù)性，確保加固質量和施工安全。

(4)在地面站廳和凍結線位置施工一定量的水平卸壓孔，安裝壓力表，進行動態(tài)監(jiān)測，并結合沉降及變形監(jiān)測情況及時進行卸壓，控制凍脹力對周邊環(huán)境的影響。

(5)開挖過程中采用分區(qū)、分臺階法、小斷面、短步距的開挖方式，并及時進行臨時支護，為減小開挖面凍結壁散熱以及低溫凍土對新澆筑混凝土的影響，初襯采用鋪設木背板加型鋼后噴射混凝土支護。隨著開挖暴露面不斷增大，必要時采取鋪設保溫層等保溫措施。

(6)加強凍結過程中對鹽水箱液面的測量，一旦發(fā)現(xiàn)鹽水泄漏，及時匯報，并及時對現(xiàn)場所有鹽水管路進行檢查，首先判斷是因凍結管斷裂或焊接質量有問題出現(xiàn)的鹽水泄漏(此鹽水漏入凍結土體內)，還是從凍結膠管或是鹽水干管及閥門中泄漏的 (此鹽水未漏入凍結土體內)。若鹽水漏入凍結土體外，直接根據情況及時修復，再恢復凍結；若鹽水漏入凍結土體內，則要用排除法進一步確定是哪些組出現(xiàn)了問題，最后確定到具體的凍結管，采用下套管的方法，再恢復凍結。

在施工過程中，加強對地面、地層壓力、土體溫度、地層沉降進行監(jiān)測，為指導施工。為減少融沉對結構的影響，在結構上預埋注漿管，施工結束后，進行跟蹤注漿施工，控制融沉量，直至穩(wěn)定。

本工程冷凍機于2012年3月23日開始正式運轉，5月13日所有凍結孔開始凍結，6月16中間區(qū)域正式開挖，9月19日完成整個暗挖段二襯結構，施工取得了圓滿成功。并且在此施工過程中所有監(jiān)測數據正常，均在允許范圍內，對周圍構筑物及環(huán)境未造成任何重大影響。

5　結論

本文以廣州地鐵六號線大坦沙站方向與車站對接段加固隧道為工程背景，針對超大斷面和復雜的工程地質條件，開展凍結法施工技術研究，獲得以下幾點結論：

(1)基于熱力學原理，推導巖土凍結過程的水熱力耦合控制微分方程組，獲得適用于人工凍土的雙屈服面本構模型，通過工程實例驗證了模型的正確性。

(2)采用有限元軟件對水平凍結過程凍結壁水熱力耦合進行數值模擬，得出開挖產生最大變形位于凍土底板中間位置，根據數值模擬計算結果，進一步優(yōu)化了凍結設計參數。

(3)根據廣州地區(qū)人工凍結法施工經驗以及本工程所處位置的自身特點，指出大斷面隧道凍結法施工的技術難點，并提出相應控制要點，在工程中得到較好應用，保證了工程順利實施，相關技術可供類似工程參考。

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(責任編輯：李麗,范君)

Technology Research and Application of Horizontal Freezing Method in Construction of Large Section Tunnel

ZHANG Ming1，CHEN Jun-hao2

(1.John Finlay Engineering & Technology (Beijing) Co.,Ltd, Beijing 100004, China；2.School of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou Fujian 350108, China)

Artificial freezing construction method has been widely used in some difficult stratums and complex underground structure construction, compared with other construction methods, it has many unique advantages and reliability.In this paper, taking tunnel reinforcement of Guang Zhou Metro Line 6 between Datansha station direction and the subway station, the construction of artificial freezing method is put forward for the large section and complex conditions. The rock and soil freezing process of water heat coupling control system of differential equations are proposed, which is based on thermodynamics principle, and the horizontal freezing process is simulated by using the finite element software and optimized design parameters. The results showed that after 45 days positive freezing, the average temperature of frozen wall, the effective thickness of frozen wall, and the maximum deformation are all satisfied with the design requirement, and the maximum deformation is located in the middle position of frozen floor. The artificial frozen soil of double yield surface constitutive model and water heat coupling control equation is feasible. According to the characteristics of this project, the construction technical difficulties and construction control key points are put forward to ensure the smooth implementation of the project. These research results have certain practical values.

artificial freezing; water thermal coupling; water-rich formation; subway tunnel

2016-01-06

國家自然科學基金資助項目(51504070)

張明(1981-)，男，安徽桐城人，高級工程師，碩士，研究方面向:巖土工程與地層凍結的設計與研究。

TU445

A

1672-1098(2016)04-0027-06