軌道交通人工凍結(jié)法施工凍脹量精細(xì)化控制

張 松 岳祖潤(rùn) 楊忠年

(1.石家莊鐵道大學(xué)，河北石家莊 050043； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 3.青島理工大學(xué)，山東青島 266000)

1 概述

隨著城市軌道交通的發(fā)展以及地下空間的拓展，所面臨的工況越來(lái)越復(fù)雜。以地鐵施工為例，由于地下空間中既有建構(gòu)筑物錯(cuò)綜復(fù)雜，線路走向受限于整體規(guī)劃，規(guī)避管線與建構(gòu)筑物困難。人工凍結(jié)法可有效控制復(fù)雜條件下的地基變形，如上海地鐵13號(hào)線大渡河路站3號(hào)出入口與車站換乘通道工程最近一根污水管與凍結(jié)壁距離0.445 m[1]、哈爾濱地鐵2號(hào)線哈爾濱站大里程端凍結(jié)加固工程φ2.2 m排水管距離凍結(jié)壁頂部?jī)H2.7 m。

人工凍結(jié)法施工中變形控制主要包括凍脹、融沉控制兩個(gè)方面。融沉控制一般采用跟蹤注漿方式解決，而對(duì)于積極凍結(jié)期間的凍脹變形，則采用凍結(jié)壁內(nèi)部泄壓孔泄壓方式進(jìn)行控制，但其結(jié)果往往并不理想。目前，在變形要求嚴(yán)格且施工空間足夠的情況下，可通過(guò)增設(shè)凍結(jié)壁上部泄壓孔的方式進(jìn)行凍脹控制，如圖1所示。但實(shí)際施工中，許多工程難以滿足布置上部泄壓孔的空間要求(地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程空間尤為狹小)。因此，對(duì)于小空間內(nèi)的凍脹控制方案仍需改進(jìn)。

圖1 人工凍結(jié)法凍脹控制示意

土體的凍脹變形是由土中的水結(jié)晶成冰引起的體積膨脹造成的。凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹；孔隙水的原位凍結(jié)，可造成體積增大9%，外界水分補(bǔ)給并發(fā)生分凝凍脹，可造成體積增大109%[2]。根據(jù)JM Konrad提出的分凝勢(shì)模型理論，土體內(nèi)的水分遷移速率與溫度梯度呈正比關(guān)系[3-4]。而在市政領(lǐng)域的人工凍結(jié)法施工中，工程多位于富水的軟土地區(qū)，且人工凍結(jié)工法易形成較大溫度梯度，造成其原位凍脹、分凝凍脹都較大。

針對(duì)凍脹控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中周國(guó)慶提出了采用間歇凍結(jié)的方式抑制人工凍土的方法[5]，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方式證明了在溫度場(chǎng)尚未趨于穩(wěn)定的情況下改變熱邊界，使凍結(jié)鋒面的擬穩(wěn)定態(tài)不斷被打破，分凝凍脹難以形成，可以有效控制凍脹[6]。胡坤通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式研究了采用全過(guò)程間歇凍結(jié)以及前期正常凍結(jié)、后期間隙凍結(jié)的后間歇凍結(jié)的凍脹量，得出了15 cm高凍土柱的全間歇凍結(jié)凍脹量為對(duì)比組凍脹量的14.4%；并研究了其不同變溫幅度以及時(shí)長(zhǎng)的影響，提出了間隔時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)影響凍結(jié)壁強(qiáng)度的建議[7-8]。高偉論述了紅慶梁回風(fēng)立井凍結(jié)工程中采用間歇凍結(jié)的方案，將間歇凍結(jié)溫度變換幅度選擇為-30～-10 ℃，可保證凍結(jié)安全及節(jié)省工程成本[9]。

在凍脹控制方面，除了采用減緩冷量輸入外，還可采用人工加熱方式。胡向東在港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道頂管間隙的凍結(jié)加固中，采用加熱管的方式控制凍結(jié)壁的形態(tài)，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中得到了驗(yàn)證[10]。韓圣銘在上海地鐵出入口凍結(jié)工程中采用了泄壓孔配合解凍孔的方式進(jìn)行凍脹控制，成功控制了上部管線的變形[1]。陳紅蕾對(duì)單凍結(jié)管溫度場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)凍結(jié)管的幾種隔熱狀態(tài)效果進(jìn)行比較，得出了隔熱與不隔熱之間凍結(jié)管外表面熱流密度的數(shù)量關(guān)系，提出了可行性的方案規(guī)劃[11]。但是，采用人工加熱方式往往會(huì)對(duì)部分區(qū)域造成反復(fù)多次的凍融循環(huán)。王天亮通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)對(duì)于土體沉降性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：第一次凍融循環(huán)凍脹融沉量較小，而經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后的試件凍脹融沉量會(huì)變大，一般凍融循環(huán)5次后土體凍脹融沉量逐步穩(wěn)定[12]。

很多工程中，頂部間歇凍結(jié)區(qū)域往往是開挖主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)[13]。因此，間歇凍結(jié)過(guò)程中也需確保凍結(jié)壁滿足設(shè)計(jì)要求。

為研究適用于淺埋工況下的人工凍結(jié)法凍脹控制，針對(duì)上海地鐵某換乘通道工況，采用數(shù)值計(jì)算的方法，分析不同間歇凍結(jié)方案情況下指定控制點(diǎn)的位移及溫度情況，最終提出一種適合于該工況的間歇凍結(jié)方案，并建立凍脹量與溫度指數(shù)、空間關(guān)系之間的函數(shù)關(guān)系。

2 工程概況

上海軌道交通某車站建筑過(guò)程中需與既有線路間設(shè)置換乘通道，受限于區(qū)域內(nèi)存在的豎向排污工作井，計(jì)劃建設(shè)兩座平行換乘通道，通道寬度分別為9.4 m及5.9 m，長(zhǎng)度均為6.8 m。該工程凍脹控制要求主要源于結(jié)構(gòu)上方的22×104kV電力箱涵(混凝土結(jié)構(gòu))。根據(jù)要求，該箱涵變形不得大于2 cm。由于箱涵內(nèi)部線纜預(yù)留變形較小，箱涵產(chǎn)權(quán)單位要求溫度不宜發(fā)生較大變化。因此，限定箱涵底部溫度變動(dòng)幅度不得高于10 ℃。

原計(jì)劃對(duì)該區(qū)域采用MJS工法進(jìn)行加固后再開挖，但由于電力箱涵為楊浦區(qū)主要輸電線路，搬遷成本較高，且無(wú)法采用原位懸吊保護(hù)。因此，擬采用水平凍結(jié)法對(duì)土體進(jìn)行加固后，采取暗挖法進(jìn)行換乘通道施工，從而避免電力箱涵的搬遷。

根據(jù)換乘通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)劃采用矩形凍結(jié)管布置形式，圍繞開挖構(gòu)筑區(qū)域形成有效的封閉凍結(jié)壁。凍結(jié)過(guò)程中，需對(duì)箱涵下部?jī)鼋Y(jié)壁進(jìn)行精確的凍脹控制。

3 凍脹控制方案選擇

目前可行的凍脹方案主要有三類，分別為泄壓控制、加熱控制、間歇凍結(jié)控制。其中泄壓控制以及加熱控制均需要在凍結(jié)壁上部施作一排管孔(見圖2)，如施工鉆孔則需占用已運(yùn)營(yíng)車站上部空間。受運(yùn)營(yíng)車站進(jìn)站廳區(qū)域空間限制，難以布置鉆機(jī)，前兩種方案不可行。

圖2 凍結(jié)法加固換乘通道設(shè)計(jì)(單位：mm)

有研究表明，反復(fù)的凍融循環(huán)將會(huì)使土體在凍結(jié)施工結(jié)束后形成較大的沉降變形。因此，采用解凍孔方案雖然可以有效破壞凍結(jié)鋒面的穩(wěn)定性，減小分凝凍脹，但是同時(shí)會(huì)造成后期融沉控制困難。

經(jīng)過(guò)比較，最終選擇了間歇凍結(jié)的方法進(jìn)行凍脹控制，該方法也是最適用于淺埋聯(lián)絡(luò)通道、出入口、換乘通道類型工程的解決方案。該方法無(wú)需增大鉆孔工作量，可有效減少對(duì)隧道管片、既有結(jié)構(gòu)的破壞，占用空間小(無(wú)需占用結(jié)構(gòu)開挖工作面)，是小空間施工的最優(yōu)方案。

4 幾何模型

建立20 m×20 m二維熱-固耦合模型，設(shè)置一排凍結(jié)管，間距按常規(guī)設(shè)計(jì)布置取0.8 m，凍結(jié)管上部0.3 m位置為啟動(dòng)間歇凍結(jié)標(biāo)識(shí)點(diǎn)(當(dāng)凍結(jié)壁向外擴(kuò)展超過(guò)0.3 m時(shí)啟動(dòng)間歇凍結(jié))，凍結(jié)管上部1.9 m位置為溫度控制點(diǎn)A，要求該點(diǎn)溫度不低于0 ℃，且位移不大于0.1 m，如圖3所示。采用四邊形為主網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為CPE4R。設(shè)定積極凍結(jié)時(shí)間為40 d，土體初始溫度取18 ℃，土體物理參數(shù)根據(jù)以往類似研究數(shù)據(jù)選取[14-16]，見表1。建模時(shí)本工程尚未實(shí)施，計(jì)算中鹽水溫度按市政凍結(jié)中常見溫度變化情況設(shè)置(采用邊界荷載方式設(shè)置在凍結(jié)管周圍)，模型外邊界設(shè)置為熱絕緣狀態(tài)。

圖3 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(單位：m)

溫度/℃密度/(kg·m-3)彈性模量/Pa泊松比導(dǎo)熱系數(shù)/(W/m2·K)比熱/(J/kg·K)-1018401.9e80.252.221022-218331.05e80.282.101080-113202e70.321.5413301013643.92e60.341.441453

5 凍脹控制方案及計(jì)算結(jié)果

為了選擇合適的凍脹控制方案，本次計(jì)算中共設(shè)置四組凍結(jié)方案，并將正常降溫凍結(jié)方案作為對(duì)比組進(jìn)行研究，各間歇凍結(jié)組凍結(jié)方案參數(shù)如表2所示。

表2 凍結(jié)方案參數(shù)

5.1 正常凍結(jié)方案(對(duì)比組)

參考以往類似工程降溫曲線，簡(jiǎn)化降溫曲線為5 d降溫至-22 ℃，10 d降溫至-28 ℃，積極凍結(jié)期為40 d，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并記錄控制點(diǎn)A溫度、豎向位移情況以及凍結(jié)管上部0.3 m處溫度變化情況(如圖4所示)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，積極凍結(jié)第5.45 d凍結(jié)壁向外擴(kuò)展至0.3 m。因此，后期方案均采用積極凍結(jié)6 d開始進(jìn)行凍脹控制。計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，最終控制點(diǎn)A的溫度為0.6 ℃，溫度變化為17.4 ℃、位移為11.9 cm?？梢姡渥兓隽丝刂浦笜?biāo)，凍結(jié)壁約厚3.3 m，其中凍結(jié)管上部厚1.5 m，下部厚1.8 m。

圖4 對(duì)比組各點(diǎn)溫度、位移曲線

5.2 間歇凍結(jié)方案一(Ⅰ組)

根據(jù)對(duì)比組數(shù)據(jù)，選擇正常凍結(jié)至6 d開始間歇凍結(jié)，間歇凍結(jié)溫度變化區(qū)間為-28～-5 ℃，時(shí)間間隔為3 d，積極凍結(jié)為40 d，并記錄控制點(diǎn)A位移、溫度相關(guān)數(shù)據(jù)(如圖5所示)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，控制點(diǎn)A最大位移為5.7 cm，溫度6.7 ℃，最大變化幅度為11.3 ℃。凍結(jié)壁厚2.4 m，其中凍結(jié)管上部厚1.1 m，下部厚1.3 m。

圖5 第Ⅰ組各點(diǎn)溫度、位移曲線

5.3 間歇凍結(jié)方案二(Ⅱ組)

根據(jù)Ⅰ組計(jì)算數(shù)據(jù)，控制指標(biāo)有所改善，但尚未達(dá)到要求，修訂方案溫度變化區(qū)間為-28～-5 ℃，時(shí)間間隔為1 d，積極凍結(jié)為40 d，并記錄控制點(diǎn)A位移、溫度相關(guān)數(shù)據(jù)(如圖6所示)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，控制點(diǎn)A最大位移為5.2 cm，溫度6.7 ℃，最大變化幅度為11.3 ℃。凍結(jié)壁厚2.4 m，其中凍結(jié)管上部厚1.2 m，下部厚1.2 m。

圖6 第Ⅱ組各點(diǎn)溫度、位移曲線

5.4 間歇凍結(jié)方案三(Ⅲ組)

圖7 第Ⅲ組各點(diǎn)溫度、位移曲線

根據(jù)第Ⅰ、Ⅱ組對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，縮小間歇凍結(jié)時(shí)間間隔對(duì)于凍脹及溫度控制效果并不顯著，其原因主要是累計(jì)向土體內(nèi)輸送的總冷量基本保持一致，最終在相同時(shí)間段內(nèi)土體溫度場(chǎng)基本一致。為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，控制溫度變化區(qū)間不變，將時(shí)間間隔延長(zhǎng)至5 d，并記錄控制點(diǎn)A位移、溫度相關(guān)數(shù)據(jù)(如圖7所示)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，控制點(diǎn)A最大位移為6.38 cm，溫度6.7 ℃，最大變化幅度為11.3 ℃。凍結(jié)壁厚2.4 m，其中凍結(jié)管上部厚1.25 m，下部厚1.15 m。

根據(jù)前三組方案對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，凍脹及凍結(jié)壁的擴(kuò)展與傳輸入土體的總冷量呈正相關(guān)關(guān)系。

5.5 間歇凍結(jié)方案四(Ⅳ組)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)控制點(diǎn)A的溫度、位移控制，調(diào)整間歇凍結(jié)方案為：溫度變化區(qū)間為-15～-5 ℃，間歇凍結(jié)時(shí)間間隔為3 d，積極凍結(jié)為40 d，并記錄控制點(diǎn)A位移、溫度相關(guān)數(shù)據(jù)(如圖8所示)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，控制點(diǎn)A最大位移為1.54 cm，溫度9.63 ℃，最大變化幅度為8.37 ℃。凍結(jié)壁厚1.4 m，其中凍結(jié)管上部厚0.67 m，下部厚0.73 m。滿足了控制目標(biāo)。

圖8 第Ⅳ組各點(diǎn)溫度、位移曲線

為了更直觀地對(duì)比計(jì)算結(jié)果，繪制各組計(jì)算數(shù)據(jù)的溫度、位移云圖(如圖9所示)，可以看出，第四組凍脹量與凍結(jié)壁厚度控制最為有效，其凍結(jié)壁厚度也滿足設(shè)計(jì)要求。因此，第四組間歇凍結(jié)方案為最優(yōu)選擇。

5.6 方案選擇及凍脹計(jì)算公式

綜上所述，方案四是最為有效的施工方案，3 d的時(shí)間間隔便于施工操作，高低溫循環(huán)幅度較小，利于施工調(diào)整。對(duì)于單排凍結(jié)孔的凍脹控制，該種設(shè)計(jì)方案的實(shí)際操作較為理想。

為使間歇凍結(jié)具有更廣泛的適用性，利用上述計(jì)算結(jié)果，并增補(bǔ)溫度變化區(qū)間為-18～-8 ℃、-25～-15 ℃、-28～-15 ℃的計(jì)算數(shù)據(jù)，根據(jù)土體的凍脹量與土體內(nèi)輸入的總冷量呈正相關(guān)關(guān)系的性質(zhì)，推導(dǎo)出積極凍結(jié)期間歇凍結(jié)40 d凍脹量計(jì)算公式

(1)

α=0.032×h2-0.31×h+1.41

(2)

h——計(jì)算點(diǎn)至凍結(jié)管軸面距離/m；

α——凍脹修訂系數(shù)；

ε——計(jì)算點(diǎn)豎向凍脹位移/cm。

公式適用條件如下：

參照各地區(qū)相關(guān)規(guī)范與設(shè)計(jì)圖紙，凍結(jié)管間距選擇為0.8 m。

適用于距離凍結(jié)管1.0～4.0 m范圍內(nèi)的近距離凍脹預(yù)測(cè)。

適用于與本工程地層物理參數(shù)相同或相近情況下的凍脹量計(jì)算，對(duì)于參數(shù)相差過(guò)大的地層，只可用作定性分析。

分組Ⅰ組Ⅱ組Ⅲ組Ⅳ組圖例位移場(chǎng)/cm溫度場(chǎng)/℃

圖9不同凍結(jié)方案位移場(chǎng)及溫度場(chǎng)

為了驗(yàn)證公式的有效性，重新選擇凍結(jié)溫度變化區(qū)間為-16～-8 ℃，時(shí)間間隔為3 d的凍結(jié)方案，進(jìn)行40 d積極凍結(jié)期不同位置凍脹公式計(jì)算值與仿真計(jì)算值之間的對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同深度凍脹對(duì)比

6 間歇凍結(jié)的操作方案

根據(jù)方案四所規(guī)劃溫度方案，將上部間歇凍結(jié)區(qū)域凍結(jié)管單獨(dú)進(jìn)行循環(huán)，在凍結(jié)工作面集配液圈引出一組分路，進(jìn)入工作面小型鹽水箱，再利用管道循環(huán)泵對(duì)鹽水進(jìn)行間歇凍結(jié)區(qū)域分組循環(huán)(圖10中紅色部分)，從而實(shí)現(xiàn)上部?jī)鼋Y(jié)管獨(dú)立變溫、其余區(qū)域保持正常凍結(jié)的效果。在小型鹽水箱內(nèi)安裝溫度檢測(cè)裝置及自動(dòng)加熱裝置，將鹽水溫差控制在±3 ℃內(nèi)。如圖10所示。

圖10 間歇凍結(jié)工作面示意

7 結(jié)論

(1)采用間歇凍結(jié)方案可以有效控制淺埋凍結(jié)工程的溫度、凍脹情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于臨近凍結(jié)壁區(qū)域的管線凍脹控制。針對(duì)換乘通道工況制定了溫度變化區(qū)間為-5～-15 ℃，間歇凍結(jié)循環(huán)間隔為3 d的間歇凍結(jié)方案，在保證凍結(jié)施工質(zhì)量的前提下，可將凍脹量控制在1.54 cm以內(nèi)，為對(duì)比組結(jié)果的13%。

(2)間歇凍結(jié)的循環(huán)間隔對(duì)于凍脹變形的影響較小，可以忽略。加大或減小時(shí)間間隔，控制點(diǎn)A的最大凍脹量和溫度區(qū)間有微小變化，變化幅度約為7%～12%。

(3)積極凍結(jié)過(guò)程中，傳入土體的總冷量是土體發(fā)生凍脹的主要因素。選擇不同的溫度變化區(qū)間計(jì)算其溫度指數(shù)。對(duì)比計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度指數(shù)模的增大(傳入土體冷量的增多)，相同點(diǎn)的位移發(fā)生了明顯的變化。

(4)建立了淺埋人工凍結(jié)法間歇凍結(jié)凍脹量計(jì)算公式，認(rèn)為在確定地層參數(shù)及凍結(jié)管間距的情況下，凍脹量與計(jì)算點(diǎn)與凍結(jié)管軸面的距離、溫度指數(shù)有關(guān)。該公式對(duì)于與本工程土體熱物理參數(shù)類似工程中的凍脹量預(yù)估有一定參考意義。