隧道管片原位修復(fù)凍結(jié)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律研究

陳智輝 王利軍 陸 路 任 杰

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

由于地下環(huán)境的復(fù)雜性[1]，盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)拼接完成后會(huì)因地質(zhì)水文壓力造成管片的二次損壞，前期雖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小但為安全起見(jiàn)，應(yīng)對(duì)該超限部分進(jìn)行再修復(fù)，施工原理為在損壞區(qū)設(shè)置擋水擋土的鋼筋混凝土連續(xù)墻，起到對(duì)變形隧道加固的目的，土體加固完成后開(kāi)挖并拆除已破壞的管片，重新綁扎鋼筋并支護(hù)模板，換上現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)并與完好隧道交接，至此便完成原位修復(fù)的工作。此工法原理雖簡(jiǎn)單但實(shí)際操作中有管片頂部和下部的封水無(wú)法確定的難點(diǎn)[2]，所以對(duì)以上兩個(gè)部分采用人工凍結(jié)方法進(jìn)行冷凍加固處理，保證封水路徑的安全[3]，使原位明挖修復(fù)管片在凍結(jié)帷幕的保護(hù)下順利進(jìn)行。長(zhǎng)期以來(lái)，各國(guó)科研人員對(duì)于凍結(jié)溫度場(chǎng)做了大量的研究[4]，但是對(duì)于隧道管片超限原位修復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究卻很少，因而分析研究該工程條件下溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)規(guī)律，對(duì)于今后相似工程有重要借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程概述

廣州普朝左線隧道在盾構(gòu)施工中，管片拼裝到196環(huán)～225環(huán)之間時(shí)，由于此部分地質(zhì)水文情況較為復(fù)雜，導(dǎo)致隧道內(nèi)部受力不均勻而發(fā)生管片超限情況。針對(duì)此狀況，施工部門積極處理，超限情況得到進(jìn)一步控制，但考慮到地鐵運(yùn)行年限以及可能出現(xiàn)的并發(fā)問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)該部分隧道管片進(jìn)行原位修復(fù)，明挖所需的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為管片東西兩側(cè)的鋼筋混凝土連續(xù)墻。土體加固完成后開(kāi)挖并拆除已破壞的管片，重新綁扎鋼筋并支護(hù)模板，換上現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)并與完好隧道交接，至此便完成原位修復(fù)的工作。

為了保護(hù)周邊及修復(fù)區(qū)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，攪拌樁、連續(xù)墻、旋噴樁等施工器械應(yīng)保持在管片0.5 m范圍以外(見(jiàn)圖1)，由此產(chǎn)生的主要問(wèn)題是管片頂部和下部的封水將無(wú)法保證，所以對(duì)以上兩個(gè)部分采用人工凍結(jié)方法進(jìn)行冷凍加固處理，保證封水路徑的安全，使土體開(kāi)挖過(guò)程中有凍結(jié)帷幕作為保障。

總體思路：為保證管片頂部封水路徑的安全需在連續(xù)墻的兩端沿水平方向布置合適數(shù)量的凍結(jié)孔；并根據(jù)工程進(jìn)度在隧道底部施工放射性凍結(jié)孔，保證底部的安全。隧道內(nèi)徑為5 500 mm，管片厚度為300 mm，該段隧道最底埋深約為21.5 m，隧道管片寬度為1.5 m。

1.2 工程及水文地質(zhì)

經(jīng)過(guò)勘探，該工程所處土層分布有承壓水，施工中必須采取可靠的加固工法，才能確保隧道的安全。土層由上到下具體分布為：①雜填土、②素填土、③淤泥質(zhì)土、④淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、⑤粉細(xì)砂層、⑥中粗砂層、⑦粉質(zhì)粘土、⑧硬塑性殘積巖、⑨強(qiáng)風(fēng)化層。

1.3 凍結(jié)方案

本工程采取管片下部?jī)A斜與垂直雙向凍結(jié)，為了能在隧道頂部與豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍形成封閉的凍結(jié)帷幕，達(dá)到封水作用，特布置水平傾斜凍結(jié)孔21個(gè)，垂直凍結(jié)孔17個(gè)，設(shè)置5個(gè)水平測(cè)溫孔，見(jiàn)圖2，圖3。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 鹽水溫度監(jiān)測(cè)分析

在凍結(jié)初期，鹽水溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)的主要原因是制冷系統(tǒng)需要不斷的化鹽和調(diào)整參數(shù)，在凍結(jié)11 d后，由于制冷機(jī)組工作穩(wěn)定且不再大量化鹽，此時(shí)鹽水溫度穩(wěn)定下降。初期凍結(jié)，由于土體熱交換劇烈，以及機(jī)器自身的參數(shù)調(diào)整原因，鹽水去回路溫差保持在-1.5 ℃。凍結(jié)20 d時(shí)，去回路溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求(<-28 ℃)，由于熱交換減弱，此時(shí)去回路溫差維持在-1 ℃。4月17日鹽水管路溫度發(fā)生了明顯的回升，主要是因?yàn)樵诋?dāng)天對(duì)基坑進(jìn)行了降水開(kāi)挖，導(dǎo)致了位于凍結(jié)體兩側(cè)地下連續(xù)墻大面積與外界高溫空氣接觸，大量冷量被熱空氣帶走，造成溫度回升。為了確保凍結(jié)體有足夠的冷量供應(yīng)和不影響工期，凍結(jié)單位將鹽水溫度降到-30 ℃以下，溫差保持在-1 ℃。5月28日隧道底板修復(fù)按照進(jìn)度計(jì)劃順利完成，此時(shí)按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)冷凍機(jī)組進(jìn)行了減載，凍結(jié)進(jìn)入了維護(hù)凍結(jié)階段，因而當(dāng)天鹽水溫度回溫較大，見(jiàn)圖4。

2.2 測(cè)溫孔溫度

以C1測(cè)溫孔為例，C1孔位于基坑封水段西側(cè)，靠近將來(lái)開(kāi)挖面。冷凍機(jī)組運(yùn)行之前，通過(guò)C1孔測(cè)得不同深度土體溫度為27 ℃～28.5 ℃之間，至4月2日(積極凍結(jié)7 d)，C1孔內(nèi)全部測(cè)點(diǎn)都達(dá)到0 ℃以下，凍土發(fā)展速度較快。從圖5可以看出C1-1這個(gè)測(cè)點(diǎn)由于受地表影響很大，其溫度比土體內(nèi)的溫度偏高而且溫度波動(dòng)的幅度較大。4月17日，由于降水開(kāi)挖，地連墻大面積暴露在高溫空氣中，大量冷量被熱空氣帶走，導(dǎo)致C1各測(cè)點(diǎn)溫度曾一度出現(xiàn)回升現(xiàn)象，凍結(jié)施工方采取在地連墻上貼保溫板減少墻體散熱對(duì)凍結(jié)土體的影響，并加強(qiáng)冷凍機(jī)組的制冷降低鹽水溫度后各測(cè)點(diǎn)溫度基本保持平穩(wěn)。

以測(cè)溫孔C2為例，C2孔為距離凍結(jié)管1 m的遠(yuǎn)測(cè)溫孔，C2孔內(nèi)的測(cè)點(diǎn)溫度能夠比較直觀的判斷凍結(jié)壁發(fā)展的距離。至5月1日C2-4溫度達(dá)到0 ℃以下，反算出的凍土發(fā)展速度符合以往長(zhǎng)時(shí)凍結(jié)凍土發(fā)展速度的經(jīng)驗(yàn)值。由圖6可以看出，C2-1這個(gè)測(cè)點(diǎn)靠近地層表面，因而隨環(huán)境溫度變化較大；由于測(cè)溫孔打設(shè)在素混凝土墻體內(nèi)，混凝土的各向均質(zhì)性好于土體所以各測(cè)點(diǎn)降溫趨勢(shì)基本相同。

以測(cè)溫孔C3為例，C3孔打設(shè)在隧道西端頭底部。隧道內(nèi)西側(cè)凍結(jié)管為單排布置，冷量供給少于東端頭的部分雙排凍結(jié)管，所以C3孔內(nèi)多數(shù)測(cè)點(diǎn)溫度高于C3′內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度。從圖7可以看出，C3-1溫度偏高且變化大，這主要是因?yàn)樵摐y(cè)點(diǎn)位于管片交界處，受環(huán)境影響較大。

以測(cè)溫孔C3′為例，該孔位于隧道東端頭底部，靠近4個(gè)凍結(jié)管，屬于群孔凍結(jié)，因而該測(cè)溫孔溫度下降較快，且溫度較低，同時(shí)出現(xiàn)的隧道積水對(duì)于凍結(jié)效果影響較大，見(jiàn)圖8。

2.3 管片后凍結(jié)凍脹壓力監(jiān)測(cè)分析

管片后凍結(jié)凍脹壓力變化如圖9所示。從凍脹壓力變化曲線可以看出，在4月13日，該壓力出現(xiàn)了突變，迅速增加，在18日達(dá)到了最大值。主要原因是：隨著冷量的不斷增加，熱交換的不斷進(jìn)行，土體內(nèi)的大量水分發(fā)生了相變，從液態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶冰，造成土體體積迅速增加，由于管片的限制，因而產(chǎn)生了巨大的應(yīng)力。在交圈完成后，凍脹壓力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)隧道超限管片原位修復(fù)止水凍結(jié)實(shí)測(cè)分析，得到了該工程環(huán)境下凍結(jié)溫度場(chǎng)和凍脹力的發(fā)展特征，主要有以下結(jié)論：

1)根據(jù)對(duì)各方面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為4月17日凍結(jié)體已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，可以在控制基坑內(nèi)降水深度，加快開(kāi)挖土體及支撐架設(shè)的情況下進(jìn)行第2層土方的開(kāi)挖。4月17日下午，開(kāi)始正式進(jìn)行土體開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中由于東西端頭地下墻體的大面積暴露，使得凍土墻靠近開(kāi)挖臨空面一度出現(xiàn)溫度回升現(xiàn)象，但回溫幅度不大，采取在臨空面墻體粘貼保溫板和始終保證按照積極凍結(jié)模式控制鹽水溫度后，鹽水溫度開(kāi)始穩(wěn)定下降。

2)由于管片的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于土層以及凍結(jié)管鉆孔偏差，因而該工程凍結(jié)的薄弱點(diǎn)位于隧道頂部管片與土層交界處，此處凍土容易形成駝峰狀導(dǎo)水通道，因而針對(duì)此處加強(qiáng)了保溫措施。此外，在隧道及其上部的腰線上還設(shè)置有100槽鋼和鋼板焊接的凍結(jié)板，以補(bǔ)充和增強(qiáng)隧道頂部和側(cè)面的凍結(jié)效果，最終效果表明該措施得當(dāng)效果明顯。

3)凍脹壓力可以輔助判定凍結(jié)壁交圈，根據(jù)凍脹壓力監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，4月12日，管片后壓力發(fā)生突變，迅速增加，4月18日壓力達(dá)到最大值，可以判定凍結(jié)體交圈。

4)積水對(duì)凍結(jié)體影響較大，管片與土體交界處為凍結(jié)薄弱區(qū)，開(kāi)挖后由于水土壓力作用等容易形成導(dǎo)水通道，所以該位置處應(yīng)嚴(yán)格做好保溫工作，并杜絕大面積頻繁淹水情況。

[1] 武亞軍，潘 濤，唐軍武.人工凍結(jié)技術(shù)在城市地下工程中的應(yīng)用[J].探礦工程，2006(6)：60-63.

[2] 李大勇，呂愛(ài)鐘.南京地鐵旁通道凍結(jié)實(shí)測(cè)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004，23(2):334-338.

[3] 郭 鵬，鄧曉鵬.袁大灘煤礦凍結(jié)斜井受力實(shí)測(cè)與分析[J].建井技術(shù)，2015(36):6-10,205.

[4] 岳豐田，王 濤.扎賚諾爾礦區(qū)白堊系地層凍結(jié)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，31(2)：119-122．