基于土體凍結理論在地鐵施工中的應用

王晨星，劉遠才，劉德穩(wěn)

0 引言

凍結法是地下工程施工中經(jīng)常會使用到的施工方法。是一種利用人工制冷技術使待開挖土體形成一個封閉的整體并使其符合人工開挖強度，最后進行隧道施工的一種特殊的施工方法。

我國在凍結法施工上進行了許多相關的研究［1-4］：南京林業(yè)大學的張婷博士和楊平教授介紹了人工凍結法在隧道施工中的應用及相關技術參數(shù)［5］；海南大學的胡俊博士運用有限元分析法探究了凍結法在不同管幕填充形式下的溫度場發(fā)展規(guī)律［6］；朱云云、胡俊以蘇州地鐵某區(qū)間聯(lián)絡通道凍結施工為背景，建立了該工程的三維數(shù)值模型來分析凍結帷幕溫度場的規(guī)律，同時提出優(yōu)化對比方案［7］。

近年來，為了緩解交通壓力，我國政府大力支持和發(fā)展城市基礎設施建設，地下鐵道的建造已成為無法阻擋的趨勢。而凍結法作為一種安全、可靠、綠色的施工方法，在江蘇、浙江、上海等地區(qū)的地鐵建設中得到了廣泛的應用，并取得了良好的效果。

1 土體凍脹的基本理論

1.1 凍脹現(xiàn)象的本質

土體凍脹現(xiàn)象的機理十分復雜，是一個多種物理化學指標綜合作用的耦合問題。它是一個復雜的相變、熱傳遞、力和水分運動以及土體在荷載、溫度、脫（浸）水作用下的各種過程［8-9］。在20世紀20年代，Casa.Grand在美國的New Hampshire開展了一系列的公路實地勘測。據(jù)當時的勘測資料顯示，該地區(qū)地下水位大約2 m左右，在凍結土體的深度達到45 cm時，地表的凍脹總量為13 cm。在發(fā)生凍結前土體含水量為8%～12%，凍結后含水量達60%～110%。經(jīng)過后續(xù)的人工開挖發(fā)現(xiàn)：土體中包含了大量的冰晶體和凍結夾層。由此可以得出初步結論：土體凍脹現(xiàn)象是由水分子的遷移運動引起的。具體過程如圖1所示。

圖1 液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)冰的分子運動圖Fig.1 Molecular motion of liquid water into solid ice

目前，有關凍脹理論業(yè)界普遍接受的是Martin在20世紀60年代所得出的土體凍脹的物理模型。該模型的主要內容是［5］：在-0.5～-30℃的溫度條件下，土體表面存在的結合水會結成冰晶體，但是表面總會存在一層未凍水膜。伴隨著溫度的逐漸降低，未凍水膜會由外而內逐漸滲透。假設地基土中的水是一個開放的系統(tǒng)，溫度的降低就會使得冰透鏡體的面積不斷擴大，從而最終導致了凍脹現(xiàn)象的產(chǎn)生與發(fā)展。

1.2 凍脹現(xiàn)象相關力學指標

凍土是一種特殊的非彈性土體。一般情況下，將其失穩(wěn)時的臨界應力作為凍土的強度指標。而凍土的強度指標又有兩個，分別是瞬時強度和持久強度。

凍土具有高強度特點的主要原因是：低溫作用使得原先較為松散的土體形成了一個堅實而又封閉的整體。接下來，對凍土的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度三大強度指標進行闡述說明。

1.2.1 凍土的抗壓強度

凍土的抗壓強度是指凍土所能承受的最大壓應力。它的大小主要取決于溫度、含水量以及土體類型的影響。該項指標對于評價凍土在短時荷載作用下的強度有著重要意義。

（1）溫度的影響

凍土的抗壓強度與溫度成反比。計算公式如下：

式中：a、b、n為凍脹土的相關參數(shù)；θ為負溫絕對值，℃。

對于公式（1）中凍土的相關參數(shù)a和b可以在表1中進行取值。

表1 a、b 取值表 MPaTab.1 The chart of the a, b values

（2）含水量的影響

含水量對抗壓強度的影響十分巨大。在含水量未達飽和狀態(tài)時，抗壓強度與含水量成正比；但達到飽和狀態(tài)后，二者成反比關系。

（3）土體類型的影響

在凍結溫度相同的條件下，抗壓強度與土體顆粒的粒徑成正比。例如最常見的黏土、砂土和礫石3種巖石，在受到凍結影響后，其抗壓強度依次增大，分別是凍黏土、凍砂土和凍礫石。由此可見，土體類型對凍土的抗壓強度影響很大。

1.2.2 凍土的抗拉強度

凍土的抗拉強度一般由最大拉應力指標來表示。影響因素主要有外界凍結溫度、土體含水量以及土體顆粒等。這其中，抗拉伸蠕變也是十分重要的特點之一。首先是破壞性質，凍土的抗拉伸試驗與其它一般土體的壓縮試驗不同。凍土的抗拉伸試驗無論是不同溫度條件下還是在不同的加載速度下均發(fā)生脆性破壞。但脆性破壞的時間卻十分短暫，以至于采用人工方法無法提前預防。面對這種情況，在對承載力進行設計時往往采用提高可靠度指標的方法來預防脆性破壞。

1.2.3 凍土的抗剪強度

描述凍土的抗剪強度一般采用在正應力條件下凍土所能承受的最大剪應力來表示。在凍土荷載作用時間延長的情況下，凍土中的冰會逐漸融化使之產(chǎn)生一定的流動性，在這種情況下，荷載的作用時間與凍土的強度會成反比關系。1776年法國科學家C.A.Coulomb經(jīng)過長期的巖土試驗得出了無粘性土和粘性土的抗剪切表達式［8］：

式中：c為土的粘聚力；σ為剪切面上的法向力；為土的內摩擦角。

2 凍結法施工的原理以及要點

2.1 巖土凍結方法的分類

2.1.1 低溫鹽水法

低溫鹽水法是一種間接凍結巖土的施工方法。其施工原理是：將氨、氟利昂等其它制冷物質注入制冷壓縮機中進行循環(huán)做功，使鹽水降至0℃以下，從而變成制冷媒介，最后通過凍結管將低溫鹽水運送到巖層之中從而達到凍結土體的目的。低溫鹽水法由以下三個循環(huán)工作系統(tǒng)組成。

（1）氨循環(huán)系統(tǒng)：如圖2所示，采用氨來吸收鹽水中的熱量，通過氨物質的液—氣狀態(tài)轉換在蒸發(fā)皿中形成一個氨循環(huán)系統(tǒng)；

圖2 氨循環(huán)系統(tǒng)Fig.2 Ammonia circulation system

（2）鹽水循環(huán)系統(tǒng)：如圖3所示，首先將（1）中得到的低溫鹽水送進入凍結管內，吸收巖體中的熱得到高溫鹽水，然后進入鹽水箱內進行處理使之再重新變?yōu)榈蜏佧}水，接下來讓低溫鹽水再次進入凍結管，經(jīng)過多次循環(huán)使巖層的溫度降低，最后形成人工凍結壁。

圖3 氨循環(huán)系統(tǒng)Fig.3 Brine circulation system

（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：如圖4所示，低溫水通過水泵壓送進入冷凝器，水吸收氣氨熱量，并把熱分子傳遞到大氣層之中，從而完成了冷卻水循環(huán)。

圖4 氨循環(huán)系統(tǒng)Fig.4 Cooling water circulation system

這種凍結系統(tǒng)可以達到的效果是：人工獲取-20～-35℃溫度范圍內的低分鹽水，在兩到三個月的時間里凍結巖土。

2.1.2 液氮凍結法

如圖5所示，只需要通過壓強的作用把液氮（即人工冷媒）抽入地層之中并做好熱尾氣處理即可達到人工凍結土體的目的。液氮可以達到-190℃的低溫，使管內溫度極低，短則幾個小時多則幾十個小時即可形成凍結壁。故而液氮冷凍法有凍結速度快、凍結強度高，在搶險堵水的緊急情況下快速便利的優(yōu)點，長期以來也受到了施工單位的青睞。但是液氮提取較為復雜，成本相對也較高。相對于鹽水法其應用比例不高，目前多用于工期特別緊張的工程中。

圖5 氮循環(huán)系統(tǒng)Fig.5 Schematic diagram of liquid nitrogen freezing method

2.2 施工原理以及施工工藝

2.2.1 凍結法施工原理

如圖6、圖7所示，首先需要在地層中進行管道鋪設工作，安裝凍結機械和相應的循環(huán)系統(tǒng)；然后利用制冷媒介吸收土體的熱量，使巖土中的水結冰，最終形成了人工開挖所需要的臨時固結體，達到加固地層、創(chuàng)造無水施工環(huán)境的目的。在凍結工作完成后即可進行隧道的開挖工作，直到剛性支護工作完成后，方可停止制冷。最終隨著時間的增加，人工凍層會逐步解凍，恢復巖土的初始狀態(tài)。

圖6 凍結系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of freezing system

圖7 凍結示意圖Fig.7 The diagram of Freezing

凍土的形成并不是一成不變的，隨著時間的推移也會伴隨著土體內部的變化而變化。首先是土體中的自由水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),其次是松散的固體顆粒膠結成人工凍結體。但是在凍結的不同時間段，土體中的自由水變化也不一樣，該過程按照時間來劃共有5個階段的變化。具體變化如圖8所示。

圖8 凍土中自由水凍結曲線Fig.8 Free water freezing curve in frozen soil

土體凍結是隨時間推移而變化的復雜漸變的熱力學過程。實際上在任何負溫條件下的凍土內部總會存在薄膜水使未凍狀態(tài)下的水分子與冰共存。在一定的溫度區(qū)間內，土壤顆粒大多都處于由松散到固結的過渡狀態(tài)，而不同土壤類型的過渡溫度也都不盡相同。常見土體的過渡溫度見表2。

表2 典型土壤凍結過渡狀態(tài)的平均溫度 ℃Tab.2 Average temperature of transition state of soil freezing

2.2.2 凍結法施工工藝

凍結法施工的施工工藝分為三大階段、四大工序。

（1）三大階段包括：

①擴展凍結階段：在前期準備工作完成后開始凍結作業(yè)，并將人工凍結壁擴大到設計所需厚度的工作階段。

②凍結保護階段：在保證凍結壁強度和厚度的前提下，進行正常施工作業(yè)的階段。

③解除凍結階段：在施工完成即可停止制冷，并逐漸恢復初始土溫的階段。

（2）四大工序包括：

①施工準備：制冷站的建立、水電系統(tǒng)供應、凍結鉆孔的量測工作、制冷機械的運輸與安裝、凍結管線的鋪設。

②進行凍結管試漏以及集配液圈安裝。

③積極凍結期的溫控監(jiān)測以及維護凍結期的地下工程開挖以及襯砌施工。

④在工程完結之后的設備拆除工作。

3 工程實例

地鐵的聯(lián)絡通道有著連接隧道、排水和防火的重要作用，其施工過程中不僅要考慮隧道結構的安全，更要兼顧盾構機械作業(yè)的安全與穩(wěn)定。但是當遇到地層復雜，地下水含量豐富的地段時，常見的土體加固方法很難達到預期的效果，并且由于結構穩(wěn)定性等多方面的原因，不得不采用凍結法施工來達到加固土體、提高結構穩(wěn)定性的目的。該方法在我國多個城市的隧道施工中得到成功應用［10-12］。

3.1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間隧道聯(lián)絡通道地處透水地層，該聯(lián)絡道結構參數(shù)如圖9所示。上方巖土分布為粉細砂層、淤泥及雜填土等，下方巖土分布為：淤泥質土、硬塑粘土和全風化紅巖等。盾構隧道洞身上方地層巖性為粉細砂層，下方地層為淤泥質土和粉細砂層［13］。地質條件較為復雜。

圖9 聯(lián)絡通道結構圖Fig.9 Structure of cross passage

考慮到本地區(qū)地質條件的復雜性，該工程的初始施工方案是采用地面雙管旋噴樁加固的辦法，但在實際實施過程中先后三次出現(xiàn)涌沙險情，無法繼續(xù)開挖。原因是該地區(qū)地下水流動性大，若發(fā)生漏水沙涌現(xiàn)象的話，隧道會被淹沒，所以，采用傳統(tǒng)的注漿加固無法形成封水系統(tǒng)。既要兼顧施工期限也要保證施工安全，決定先采用凍結法加固富水地層，然后采用礦山法完成施工開挖的方案。

3.2 凍結法施工及信息化監(jiān)測

3.2.1 凍結孔洞布置及凍結技術指標

（1）凍結過程中的孔洞布置設計

本工程的凍結孔洞按照上、中、下3種角度在隧道兩側進行布置。除了傳統(tǒng)的凍結孔設置以外，為了減小凍結法施工對隧道周圍結構的影響，還要在上下行線上布置卸壓孔。而測溫孔和測壓孔均是為了后續(xù)施工中的凍結信息化監(jiān)測布置的。如圖10、圖11所示，其中，凍結孔64個，測壓孔2個，卸壓孔4個，測溫孔1個。在進行凍結法施工之前，需要對孔洞布置進行設計，設計原則是避開管片接縫、螺栓和主筋。

圖10 上行線各孔洞布置Fig.10 The arrangement of holes of the up line

圖11 下行線各孔洞布置Fig.11 The arrangement of holes of the down line

（2）凍結施工中的設備以及相關技術指標

本工程采用的凍結設備有：通道鹽水循環(huán)泵、通道冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、兩臺KST-80型號的冷卻塔，供液管采用焊接方式連接，鹽水干管和集配液圈采用無縫鋼管。技術指標包括：鹽水的積極凍結溫度（-28～-30℃）、鹽水的維護凍結溫度（-25～-28℃）、積極凍結時間為40 d左右、凍結孔單位流量大于5 m3/h、聯(lián)絡道凍結壁有效厚度為1.8 m、凍結平均溫度小于-10℃。

3.2.2 凍結施工工況及信息化監(jiān)測

（1）具體施工情況

該聯(lián)絡道工程于2009年9月21日開始施工，其中凍結施工歷時50 d。最后根據(jù)其50 d后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得到：凍結壁厚度＞1.8 m，土體平均溫度＜-10℃，該指標均滿足所規(guī)定的凍結指標。具體開挖工況見表3。

（2）凍結施工的信息化監(jiān)測

凍結法施工在地下水含量豐富的復雜地質條件中有著非常優(yōu)越的表現(xiàn)，它成功地解決了在富水地層條件下盾構施工無法順利進行的問題。并且與其他施工方法相比，凍結法施工具有快捷方便、安全環(huán)保等優(yōu)點。但是土體凍結機理十分復雜，在整個凍結法施工的過程中，凍結加固涂層的物理性質也會發(fā)生巨大改變，比如過度冷凍所帶來的凍脹融沉現(xiàn)象。

表3 施工進度表Tab.3 Construction schedule

鑒于上述所提到的凍害問題，需要在整個施工過程中對溫度力場以及位移場進行全面信息化檢測，以便適時掌握和控制相關施工參數(shù)，保證施工過程安全有序地進行。在本次工程中，對廣州地鐵某聯(lián)絡道凍結施工中的凍結帷幕溫度場、鋼護筒內壁溫度場、與盾構管片接觸的土體凍脹壓力以及隧道盾構變形4大指標進行監(jiān)測。結果如下：

①對于凍脹帷幕的溫度監(jiān)測是采用數(shù)字傳感器對測溫孔內的溫度進行監(jiān)測，并把監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到計算機上來實時反映凍結施工中的帷幕溫度變化。

②安裝鋼護筒并進行溫度監(jiān)測是考慮到廣州地區(qū)的溫度較高，由于氣體對流效應的存在會導致凍結土體的融化，影響凍結強度。故而在鋼護筒內壁安裝冷凍盤管，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該措施可以很好地保證凍土的強度，有利于后期的隧道開挖。

③由于隧道管片與周圍土體的緊密連接，凍結后土體的壓力以及上部結構所傳導的荷載對管片有直接影響，所以在施工中對于管片—土體兩者的監(jiān)測是非常必要的。監(jiān)測結果表明：凍結40 d前后凍結土體開始交圈，交圈完成后凍脹壓力開始降低。

④土體凍結之后體積會增加，其產(chǎn)生的張力對隧道結構會有一定影響，所以要對隧道變形進行監(jiān)測。監(jiān)測結果表明：隧道變形在凍結初期發(fā)展較為緩慢，交圈之后發(fā)展速度開始加快，達到一定數(shù)值后又開始回落?？傮w來說監(jiān)測情況基本與壓力變化情況相對應。

4 結論

本文主要對凍結法施工的物理學指標和力學指標闡述，以廣州地鐵某聯(lián)絡道凍結法施工的工程為例對凍結法在地鐵施工中的應用進行了論證。對地下水復雜的地區(qū)采用凍結法施工并及時進行信息化監(jiān)測，從而減少了由于工法變更所引起的不必要損失，具有一定的借鑒價值。雖然凍結法有許多其他施工方法無法比擬的優(yōu)點，但這種方法會產(chǎn)生凍融等不良影響，土體的加固屬于臨時固結性質，長期效果不好。所以，對于凍結所引起的土體融沉現(xiàn)象仍是今后研究的重點。

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