富水砂卵石地層聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)溫度場分析

曹軍軍，伍 旺，鄭鵬飛，張生權(quán)，趙旭偉，黃 杰，晏啟祥

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031）

聯(lián)絡(luò)通道是地鐵工程中的重要結(jié)構(gòu)，開挖時(shí)具有施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。通常開挖聯(lián)絡(luò)通道前需要對周圍土體進(jìn)行加固處理，在高溫氣候地區(qū)常用地表旋噴樁加固，在砂質(zhì)地層、砂礫層常用注漿加固，而對于富水松軟地層常用凍結(jié)法加固［1-2］。

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)，使固結(jié)的地層形成凍結(jié)壁，從而達(dá)到止水和承載的作用。凍結(jié)法具有施工方便、防水性能好、土體強(qiáng)度高、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下工程的施工中越來越受到重視，已被廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)工程、城市地鐵、水利工程以及市政工程中［3-5］。國內(nèi)外對凍結(jié)原理和施工方法研究較多。文獻(xiàn)［6-7］通過現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果對凍結(jié)法施工階段進(jìn)行劃分，將凍結(jié)過程分為5 個(gè)階段，解凍分為3 個(gè)階段。文獻(xiàn)［8］以實(shí)際工程為背景，建立三維數(shù)值計(jì)算耦合模型，對聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期的溫度場分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性。文獻(xiàn)［9］基于北京地鐵6 號線二期工程，從凍結(jié)溫度場變化以及地表變形兩方面探討了凍結(jié)法下穿既有地鐵線路的安全性，并提出凍結(jié)壁的質(zhì)量是凍結(jié)法施工的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［10-12］采用數(shù)值模擬方法對凍結(jié)壁的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析以及安全評價(jià)，指出了凍結(jié)法的薄弱部位。目前凍結(jié)法在工程中的加固處理案例較多，但在富水砂卵石地層的應(yīng)用較少。

成都地鐵10 號線雙流西站—空港二站區(qū)間隧道下穿雙流機(jī)場，1#聯(lián)絡(luò)通道位于機(jī)場停機(jī)坪下方，地面沉降控制要求嚴(yán)格，同時(shí)所處地層為砂卵石地層，含水率高，滲透系數(shù)達(dá)到20 m/d，大于凍結(jié)法適用上限值5 m/d。工程首先通過注漿對地層進(jìn)行改良，在此基礎(chǔ)上研究凍結(jié)法在富水砂卵石地層中的應(yīng)用，為今后相關(guān)工程提供技術(shù)支持。

1 工程概況

成都地鐵10 號線雙流西站—空港二站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道共有6 條，其中2 條采用凍結(jié)法施工。本文以風(fēng)險(xiǎn)較大、對沉降控制要求高的1#聯(lián)絡(luò)通道為研究對象，聯(lián)絡(luò)通道位于隧道區(qū)間里程DK11+444 處，埋深20.7 m。聯(lián)絡(luò)通道處于中密砂卵石地層，巖性較單一，地基土穩(wěn)定性較好，但地下水豐富，滲透系數(shù)大，且水源補(bǔ)給充沛。對本工程影響較大的主要是第四系砂卵石地層的孔隙潛水和基巖裂隙水。聯(lián)絡(luò)通道縱斷面以及土層情況如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道縱斷面以及土層情況（單位：mm）

2 凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)

聯(lián)絡(luò)通道周圍共有61個(gè)凍結(jié)孔，按上仰、水平、下俯3 個(gè)方向布置在聯(lián)絡(luò)通道周邊。同時(shí)，設(shè)置4 個(gè)透孔用于側(cè)向凍結(jié)管路及冷凍排管的供冷，8 個(gè)測溫孔（C1—C8，布置于聯(lián)絡(luò)通道周圍）和4 個(gè)泄壓孔（X1—X4）監(jiān)測凍結(jié)加固動態(tài)信息。具體位置如圖2所示。單孔鹽水流量為5～7 m3/h，聯(lián)絡(luò)通道需冷量為4.6 ×104kcal/h。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道鉆孔布置（單位：mm）

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度2.0 m，凍土平均發(fā)展速度按22～26 mm/d 計(jì)算，交圈時(shí)間在20～25 d；凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃，積極凍結(jié)時(shí)間為35～45 d。用于凍結(jié)法施工的鹽水溫度在積極凍結(jié)5 d 后降至-18 ℃以下，10 d后降到-22 ℃以下。開挖時(shí)鹽水溫度在-25～-22 ℃，去路和回路鹽水溫差不大于2 ℃。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 循環(huán)鹽水溫度

控制好鹽水溫度是保證凍結(jié)加固質(zhì)量的關(guān)鍵。在整個(gè)凍結(jié)過程中，對凍結(jié)管去路和回路端頭溫度進(jìn)行監(jiān)測，測量頻率為2 次/d。施工過程中去路和回路鹽水溫度變化及其溫差見圖3。

圖3 去路和回路鹽水溫度變化及其溫差

由圖3可知：聯(lián)絡(luò)通道冷凍站于2018年9月12日開機(jī)，凍結(jié)施工3 d 時(shí)去路和回路鹽水溫度就已降至-20 ℃以下，去路為-22.5 ℃，回路為-21.5 ℃；5 d時(shí)去路鹽水溫度降至-22.8 ℃，回路鹽水溫度降至-21.7 ℃。在凍結(jié)初期鹽水溫度下降速度比設(shè)計(jì)略快，隨著凍結(jié)的進(jìn)行去路和回路鹽水溫度的下降速度減緩，同時(shí)保持在較低溫度。積極凍結(jié)45 d 后進(jìn)入凍結(jié)維護(hù)期，地層中的熱交換已基本平衡，鹽水溫度控制在-30～-28 ℃。去路和回路溫差曲線基本呈一條水平直線，數(shù)值也保持在1～2 ℃，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 測溫孔平均溫度

為了推算凍結(jié)壁溫度及凍結(jié)發(fā)展速度、判斷開挖時(shí)機(jī)，需要對各測溫孔溫度進(jìn)行同步監(jiān)測，頻率為2 次/d。8 個(gè)測溫孔中C1～C7 為淺測溫孔（長2 m），每個(gè)淺測溫孔設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，分別布置在靠近隧道管片處、測溫孔中部和遠(yuǎn)離隧道的端部。C8為深測溫孔（長5 m），設(shè)5 個(gè)測點(diǎn)，且沿測溫孔軸線均勻布置。各測溫孔內(nèi)測點(diǎn)從深部開始編號。8 個(gè)測溫孔平均溫度隨時(shí)間變化曲線見圖4。

由圖4可知，各測溫孔平均溫度整體變化趨勢相似，但數(shù)值存在較大差異。主要表現(xiàn)在：①閉合的“回”字形凍結(jié)壁外側(cè)的3 個(gè)測溫孔C2，C3 和C6 的平均溫度明顯高于相對應(yīng)的內(nèi)側(cè)測溫孔C1，C4和C5，積極凍結(jié)期結(jié)束時(shí)C1和C2最大溫差達(dá)到12 ℃，而C3和C4，C5 和C6 的溫差在任意時(shí)刻始終保持在4 ℃左右。這是由于凍結(jié)壁外側(cè)土體與周圍土體持續(xù)進(jìn)行熱交換、測溫孔與凍結(jié)管之間距離不同、孔位偏斜等因素導(dǎo)致。②測溫孔平均溫度的整體下降趨勢與鹽水溫度相似。③不同測溫孔存在較大的初始溫差，其中C4和C7 的初始溫差達(dá)到16.5 ℃。這是因?yàn)闇y溫孔與凍結(jié)管距離不一致，距凍結(jié)管越近起始溫度越低。總體來看，各測溫孔平均溫度下降趨勢穩(wěn)定，凍結(jié)40 d 左右凍結(jié)壁平均溫度滿足了設(shè)計(jì)要求的-10 ℃，部分測溫孔溫度已低于凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)溫度。

為了分析單孔內(nèi)溫度的下降規(guī)律，選取了具有代表性的測溫孔C3，C4，C8 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測溫孔C3 位于凍結(jié)管外側(cè) 1 m 處，測溫孔 C4，C8 分別位于凍結(jié)管內(nèi)側(cè)1，0.5 m 處。測溫孔 C3，C4，C8 溫度隨時(shí)間變化曲線見圖5。

圖4 測溫孔平均溫度隨時(shí)間變化曲線

圖5 測溫孔C3，C4，C8中測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖5可知：①3個(gè)測溫孔內(nèi)不同深度測點(diǎn)溫度變化趨勢相似。在凍結(jié)開始的0～5 d 各測點(diǎn)溫度以較快的速度下降至10 ℃左右，隨后各測點(diǎn)溫度下降速度減緩；凍結(jié)27 d 左右3 個(gè)測溫孔最深測點(diǎn)溫度均達(dá)到-2 ℃，在30～40 d 最淺測點(diǎn)溫度也相繼達(dá)到-2 ℃。凍結(jié)壁的形成主要在凍結(jié)開始后的10～40 d；②同一測溫孔內(nèi)各測點(diǎn)溫度出現(xiàn)了一定的分化現(xiàn)象，其中C3測溫孔深淺測點(diǎn)溫差將近10 ℃。測點(diǎn)越淺其與空氣熱交換作用越明顯，因此“喇叭口”部位凍結(jié)壁溫度明顯較高。

4 數(shù)值模擬分析

利用ABAQUS 建立三維數(shù)值模型，其中盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道、凍結(jié)管等結(jié)構(gòu)均按設(shè)計(jì)尺寸考慮。根據(jù)圣維南原理，為了減小模型的邊界效應(yīng)，最終模型整體尺寸定為40 m（y方向）×30 m（x方向）×20 m（z方向）。土體、隧道襯砌、凍結(jié)管均選擇C3D8RT單元，即溫度-位移耦合的單元。考慮的荷載有重力荷載、溫度荷載。其中溫度荷載按照實(shí)測的去路鹽水溫度加載。初始溫度設(shè)定為20 ℃。邊界條件：約束土體左右、前后、底面的位移，頂面為自由面。凍結(jié)管和土體之間采用tie連接，各土層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告取值。三維模型和凍結(jié)管網(wǎng)格見圖6。

圖6 三維模型和凍結(jié)管網(wǎng)格

不同時(shí)期聯(lián)絡(luò)通道縱向中間斷面處溫度場見圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)，凍結(jié)開始后各凍結(jié)管周圍土體的凍結(jié)鋒面以單根凍結(jié)管為中心逐漸向四周發(fā)展。在積極凍結(jié)5 d 后凍結(jié)管周圍土體溫度快速下降到0 ℃左右。凍結(jié)10 d 左右局部區(qū)域達(dá)到-10 ℃，各凍結(jié)管周圍經(jīng)凍結(jié)形成的凍土柱體開始交圈。20 d后聯(lián)絡(luò)通道側(cè)面、頂部、底部凍結(jié)壁厚度分別達(dá)到1.61，1.89，1.34 m。30 d后凍結(jié)壁發(fā)展速度減慢，聯(lián)絡(luò)通道側(cè)面、頂部、底部凍結(jié)壁厚度分別達(dá)到2.08，2.14，1.71 m。45 d后聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁的形狀與厚度符合凍結(jié)方案要求，最厚處達(dá)到2.65 m，最薄處有2.12 m，轉(zhuǎn)角處的凍結(jié)壁發(fā)展良好，厚度均勻，不存在死角，整個(gè)凍結(jié)壁形成一個(gè)閉合的“回”字形，達(dá)到了既能隔絕地下水又能加固土體的效果。

數(shù)值模擬結(jié)果能從各個(gè)方面直觀展示凍結(jié)過程，而實(shí)際測溫孔溫度受施工精度和內(nèi)外界環(huán)境影響較大，為了進(jìn)一步驗(yàn)證凍結(jié)設(shè)計(jì)方案的合理性，從數(shù)值模擬結(jié)果中提取與現(xiàn)場測溫孔C3，C4，C8 對應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)（P3，P4，P8）的平均溫度進(jìn)行對比分析，見圖8。

圖7 不同時(shí)期聯(lián)絡(luò)通道縱向中間斷面處溫度場（單位：℃）

圖8 測溫孔實(shí)測平均溫度與模擬平均溫度對比

由圖8可知：①在凍結(jié)中期（5～35 d），3 個(gè)測溫孔的模擬平均溫度要比實(shí)測平均溫度略低，最大溫差達(dá)到3 ℃，因?yàn)閷?shí)際凍結(jié)并不是簡單的溫度傳遞過程，影響因素較多；在凍結(jié)早期（0～5 d）與后期（35～45 d）3 個(gè)測溫孔的模擬平均溫度要比實(shí)測平均溫度略高，相比凍結(jié)中期溫差明顯減小。②模擬平均溫度達(dá)到-2 ℃在28 d左右，該時(shí)間與現(xiàn)場實(shí)測時(shí)間的誤差在4 d 以內(nèi)。③數(shù)值模擬結(jié)果中溫度降至0 ℃時(shí)各測溫孔平均溫度均出現(xiàn)了短暫穩(wěn)定，因?yàn)橐簯B(tài)水凝固過程中相變潛熱釋放，熱交換比較劇烈；而現(xiàn)場凍結(jié)受周圍環(huán)境影響因素較多，在溫度降至0 ℃時(shí)無明顯暫停?？傮w來看，數(shù)值模擬與現(xiàn)場凍結(jié)過程吻合較好，采用數(shù)值模擬研究凍結(jié)溫度場可行，現(xiàn)場凍結(jié)方案合理。

5 結(jié)論

本文以成都地鐵10 號線區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)工程為背景，對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬的溫度場進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，整個(gè)凍結(jié)過程中鹽水循環(huán)穩(wěn)定，各測溫孔監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。凍結(jié)開始后10～35 d是凍結(jié)壁成型主要時(shí)期，40 d 時(shí)凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。8 個(gè)測溫孔溫度變化趨勢相似，在凍結(jié)0～5 d時(shí)溫度下降速度快，之后逐漸放緩；凍結(jié)40 d 時(shí)測溫孔平均溫度降至-10 ℃。

2）根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，凍結(jié)45 d 后聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁形狀與厚度滿足凍結(jié)方案要求。最厚處2.65 m，最薄處2.12 m。凍結(jié)壁轉(zhuǎn)角處厚度均勻，不存在死角。整個(gè)凍結(jié)壁形成一個(gè)閉合的“回”字形，能同時(shí)達(dá)到隔絕地下水和加固土體的效果。

3）數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合較好，同時(shí)期溫差在3 ℃以內(nèi)，兩者降至-2 ℃的時(shí)間差也在4 d以內(nèi)。表明采用數(shù)值模擬研究凍結(jié)溫度場可行，現(xiàn)場凍結(jié)方案合理。