水泥改良土地層人工凍結溫度場的特性

黃建華，楊鹿鳴，王蘊晨

(1．福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118；2．地下工程福建省高校重點實驗室，福建 福州 350118;)

引 言

人工凍結法是目前常用于地鐵聯(lián)絡通道工程中的地層加固方法。其原理是利用人工制冷的方式，將低溫冷媒通過凍結管輸入地層中，使地層中的水冷卻結冰，從而提高地層的強度和彈性模量，并通過凍結形成的杯型凍結帷幕將地下水與待開挖土體隔絕，起到支護和止水的雙重作用[1]。在凍結施工過程中，為了對凍結效果做出評價，需對冷凍鹽水及凍結影響范圍內(nèi)的土體溫度進行監(jiān)測，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得凍結溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律，推算出凍結壁的發(fā)展情況。

由于地下工程交疊以及地層加固工法交叉使用情況的日益普遍，在水泥改良土地層中采用人工凍結法進行二次加固的情況已并不罕見[2]。部分工程采用凍結法加固的土體已非原狀土，而是臨近地下工程預加固過的水泥改良土；部分工程為抑制土體的凍脹變形，在采用凍結法加固地層前，預先使用水泥攪拌樁對地層土質加以改良[3]。由于水泥改良提高了土體的初始溫度，降低了土體的含水率，并改變了其礦物組成和熱物理參數(shù)，因此水泥改良土地層和原狀土地層中凍結溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律存在著明顯差異。

目前中國對于凍結溫度場的研究主要針對原狀土地層[4-9]，部分學者對水泥改良土地層中的凍結特性進行了研究。王杰[10]利用數(shù)值模擬分析了盾構端頭水泥改良土地層凍結溫度場對各項土體參數(shù)變化的敏感性特征；胡俊等[11]介紹了水泥攪拌樁法與凍結法相結合的工法，并對該工法凍結過程土體溫度場特性進行數(shù)值分析；王效賓等[12]運用ADINA軟件模擬水泥改良土地層凍結壁的解凍過程，分析其解凍過程溫度變化規(guī)律?？梢娔壳八喔牧纪恋貙觾鼋Y溫度場研究多采用數(shù)值模擬的方式，現(xiàn)場實測分析較為少見。本文以福州地鐵2號線某聯(lián)絡通道凍結工程為背景，通過對該工程的冷凍鹽水溫度及土體溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，總結了水泥改良土地層凍結溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程與地質概況

福州地鐵2號線某聯(lián)絡通道位于某主干道下方，通道埋深20.0 m，總長40.2 m。其左線位置上方為某機動車檢測公司地塊，右線位置上方為福州環(huán)城高速輔道邊部，均為交通繁忙地段，對施工產(chǎn)生的地表及周邊建筑變形控制要求嚴格。

聯(lián)絡通道所處地層自上而下的分布情況為：雜填土、淤泥、黏土、淤泥質土夾薄層砂(泥質)中砂和強風化花崗巖。各地層主要物理力學參數(shù)如表1所示。聯(lián)絡通道主體大部分位于淤泥質土夾薄層砂中，該地層透水性較弱但含水率較高，強度較低且壓縮性較高，在此地層進行聯(lián)絡通道開挖易發(fā)生失穩(wěn)、塌方等事故，且容易引起較大的地表和周邊建筑變形；聯(lián)絡通道下部部分位于(泥質)中砂中，該地層透水性強且水壓高，易出現(xiàn)流砂和突、涌水現(xiàn)象。因此在聯(lián)絡通道開挖前，需對其開挖斷面周邊一定范圍內(nèi)的土體進行加固，以保證工程的安全進行。

表1 地層主要物理力學參數(shù)表

1.2 地層加固方案

本工程在初期采用水泥攪拌樁法加固地層，攪拌樁樁徑850 mm，樁間距660 mm；加固范圍為縱向至盾構管片外1 m，橫向至聯(lián)絡通道結構外3 m，豎向自聯(lián)絡通道上3 m至泵房下2 m。由于福州地區(qū)位于濱海軟粘土地層，地下水量豐富且處于流動狀態(tài)，噴入土體中的水泥易被地下水帶走，導致水泥攪拌樁的成樁效果受到影響。在對水泥攪拌樁加固效果進行探孔監(jiān)測時，出現(xiàn)了出水出砂現(xiàn)象，說明該加固未達預期效果，無法滿足工程的穩(wěn)定性和止水性要求，遂改用人工凍結法進行二次加固。

由于該聯(lián)絡通道長度較大，擬采用隧道內(nèi)水平雙向凍結的方式加固待開挖土體，即分別在左右線盾構隧道中安設凍結管，將聯(lián)絡通道外圍土體凍結形成具有一定強度、穩(wěn)定性和止水性的凍結壁。工程設計積極凍結期為65 d，要求凍結壁的交圈時間不大于35 d，積極凍結期末凍結壁厚度在喇叭口處不小于1.8 m，在通道正常段及泵站處不小于2.1 m，凍結壁平均溫度不低于-10 ℃。為使積極凍結期末凍結壁的各項參數(shù)滿足設計要求，在左右線隧道中近似對稱布設178個凍結孔，總開孔深度達2 510 m。

2 凍結溫度場監(jiān)測方案

凍結溫度場是一個隨時間變化的動態(tài)溫度場，其發(fā)展受到各種環(huán)境及施工條件的影響，在工程中需通過實時監(jiān)測以了解凍結溫度場的發(fā)展情況。冷凍鹽水溫度和凍結影響范圍內(nèi)的土體溫度是凍結工程的兩個重要監(jiān)測指標，從中可獲得鹽水管路的循環(huán)狀況和凍結壁的發(fā)展情況，對凍結施工作出及時的評價與調整。

2.1 冷凍鹽水溫度監(jiān)測方案

在凍結過程中，為確保冷凍鹽水按凍結計劃降溫，各管路鹽水循環(huán)順暢，未發(fā)生堵塞、漏液、空泡等現(xiàn)象，待鹽水管路布設完成后，在去、回路鹽水干管及各組串聯(lián)凍結管上安設熱電偶傳感器，測量干管去、回路鹽水溫度及各組串聯(lián)凍結管回路鹽水溫度。鹽水溫度數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動測量，自動記錄。

2.2 土體溫度監(jiān)測方案

為及時掌握凍結壁的發(fā)展狀況，在凍結壁發(fā)展范圍內(nèi)部及周邊布設測溫孔對土體溫度進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果推算出凍結壁的發(fā)展情況。本工程于左右線隧道中近似對稱布置22個測溫孔，其中右線測溫孔布置如圖1所示。各測溫孔入土深度均為20 m左右，為獲得凍結溫度場的空間分布規(guī)律，在測溫孔入土0.5、5.0、12.0、20.0 m處分別設置一個溫度測點，溫度測點編號根據(jù)入土深度由淺至深編為Wi-1～Wi-4號。

圖1 右線測溫孔布置圖

3 冷凍鹽水溫度監(jiān)測結果分析

工程于水泥攪拌樁加固地層8個月后正式開機凍結，積極凍結66 d后進行開挖作業(yè)，開挖過程中保持維護凍結，聯(lián)絡通道開挖及支護完成后10 d停止凍結，歷時105 d。

從圖2、3可見，冷凍鹽水的降溫過程大致可以分為4個階段:

圖2 干管去回路鹽水溫度圖

圖3 干管去回路鹽水溫差

(1)第1階段為開機凍結前7 d，去路鹽水溫度從20 ℃快速下降至-18 ℃，降溫速率約為5.5 ℃/d，去回路鹽水溫差穩(wěn)定在1 ℃左右。

(2)第2階段為開機8～25 d，去路鹽水溫度從-18 ℃降至-28 ℃，降溫速率明顯減緩。這是由于此階段鹽水溫度較低，繼續(xù)降溫所需的能量增大，但冷凍機組仍保持恒定功率。去回路鹽水溫差升至2～2.5 ℃，這是因為此時凍結管周圍土體逐漸凍結，土中水在相變階段釋放潛熱，使冷凍鹽水的吸熱量提高。此階段末，凍結管周一定范圍內(nèi)的土體已經(jīng)凍結，相鄰凍結管周的凍結柱逐漸開始交圈。

(3)第3階段為開機26～45 d，去路鹽水溫度和去回路鹽水溫差分別穩(wěn)定在-28 ℃和2 ℃左右。此時各凍結管周凍結壁的交圈范圍不斷擴大，已初步形成具有一定支護和止水能力的凍結壁。

(4)第4階段為開機45 d至停止凍結，去路鹽水溫度依然保持在-28 ℃左右(開挖及支護完成后升至-22 ℃)。去回路鹽水溫差不斷下降，至積極凍結期末，去回路鹽水溫差已降至1.5 ℃，滿足開挖前去回路鹽水溫差小于2 ℃的設計要求；維護凍結期間，去回路鹽水溫差最終穩(wěn)定在0.6 ℃左右。此階段凍結壁繼續(xù)吸收冷凍鹽水的冷量，厚度不斷增大，均勻性不斷提高，具有一定厚度和均勻性的凍結壁阻礙了冷凍鹽水與外圍未凍土體間的熱量交換，使冷凍鹽水的吸熱量逐漸減小，因此該階段去回路鹽水溫差不斷減小并最終趨于穩(wěn)定。

4 土體溫度監(jiān)測結果分析

由于該工程左右線凍結管和測溫孔近似對稱布置，根據(jù)對稱性選取右線位于聯(lián)絡通道斷面右側的W1、W3、W6、W7測溫孔進行分析，以得到土體凍結溫度場的時間變化規(guī)律和空間分布規(guī)律。由于在施工過程中遭到破壞，部分測溫孔中的4號測點未獲得測溫數(shù)據(jù)。各測溫孔測點溫度隨時間變化如圖4所示。

圖4 測溫孔測點溫度曲線圖

4.1 土體凍結溫度場時間變化規(guī)律

由圖4可見，各測溫孔測點溫度隨時間變化大致可分為4個階段：

(1)第1階段為凍結初期土體溫度快速下降階段。由于本工程采用水泥攪拌樁法預加固地層，水泥在水化過程中釋放大量熱量，使凍結前的初始地溫較高，各測點處土體初始溫度最高接近35 ℃。在凍結初期，冷凍鹽水溫度從20 ℃迅速降至負溫，凍結管與測點處土體間的溫差巨大，熱交換劇烈，測點處土體從凍結管吸收大量冷量，溫度迅速下降。

(2)第2階段為相變階段。此階段持續(xù)時間較短，測點溫度變化曲線較為平緩，土體降溫速度明顯減小，進入降溫平臺期。這是由于此階段測點處土體的溫度已降至0 ℃左右，逐漸進入相變階段。測點周圍的土中水在相變過程中釋放大量潛熱，抵消了土體從凍結管吸收的部分冷量，減緩了土體的降溫過程。此階段末，凍結壁已發(fā)展至測點所在位置，可通過測點與最近凍結管的水平距離對凍結壁發(fā)展情況作出判斷。

(3)第3階段為凍土負溫迅速下降階段。此階段測點處土體已經(jīng)凍結，凍結管周圍已形成具有一定厚度的凍結壁，但此時凍結壁的平均溫度較高，測點處的凍土與凍結管間的溫差仍然較大，熱量交換依然劇烈，測點處凍土繼續(xù)吸收凍結管所提供的冷量，溫度不斷降低；凍結管周的凍結壁也繼續(xù)向外發(fā)展，厚度不斷增大，平均溫度不斷降低。

(4)第4階段為土體降溫趨勢趨于平穩(wěn)階段。此階段測點溫度已無明顯下降。這是由于此階段凍結壁的平均溫度較低、厚度較大，凍結管所提供的冷量已無法使凍結壁繼續(xù)發(fā)展，凍結管、凍結壁有效厚度范圍內(nèi)的凍土以及凍結壁有效厚度外的未凍土體三者間的熱量交換達到平衡狀態(tài)，使測點處土體的降溫趨勢減緩并趨于平穩(wěn)。由圖4(b)、(d)可見，部分測點的溫度在此階段出現(xiàn)了一定幅度的波動，這是因為此階段進行聯(lián)絡通道的開挖與支護，開挖時對土體的擾動、聯(lián)絡通道內(nèi)空氣與周圍土體的對流換熱以及支護過程中混凝土產(chǎn)生的水化熱均會對凍結溫度場產(chǎn)生影響。

綜上所述，由于各測溫孔測點的位置、周圍凍結管排列密度和與凍結管間距離均存在一定差異，導致不同測點各降溫階段的持續(xù)時間、降溫幅度和速度不盡相同。但總體而言，土體降溫階段的劃分及各階段的降溫特點均可與上文冷凍鹽水降溫的4個階段相對應，說明冷凍鹽水的質量對凍結效果的影響十分顯著，在工程中應嚴格保證冷凍鹽水的降溫速度和最終溫度滿足設計要求。

4.2 土體凍結溫度場空間分布規(guī)律

凍結溫度場是一個包含移動邊界的動態(tài)溫度場，不但會隨時間變化，空間中不同位置處凍結溫度場的發(fā)展與分布情況也存在著差異。為獲得凍結溫度場的空間分布規(guī)律，對不同鉆孔位置及不同入土深度的測溫孔測點溫度數(shù)據(jù)進行對比分析。

選取與最近凍結管距離相近的W1、W3測溫孔進行分析。對比圖4(a)、(b)可得，與位于凍結管布置圈外側的W1測溫孔相比，位于凍結管布置圈內(nèi)側的W3測溫孔在積極凍結階段降溫速度更快，相變過程持續(xù)時間更短，整體溫度變化梯度更大，積極凍結期末所達到的溫度更低，即凍結管布置圈內(nèi)側土體的凍結效果要優(yōu)于凍結管布置圈外側；但在維護凍結階段，其溫度曲線的波動也更為明顯。這主要是由于凍結管布置圈外側的未凍土體范圍要遠大于內(nèi)側，在凍結過程中，凍結管布置圈外側廣闊的未凍土體將消耗大量冷量，造成能量損失，降低了外側測溫孔的降溫速度和積極凍結期末的溫度絕對值，延長了相變過程的持續(xù)時間。此外，由于凍結管布置圈內(nèi)側的測溫孔離聯(lián)絡通道外輪廓線更近，且維護凍結階段是聯(lián)絡通道的開挖與支護階段，在開挖及支護過程中產(chǎn)生的土體擾動、空氣與土體對流換熱以及混凝土水化熱對其溫度產(chǎn)生的影響更為顯著，因此其溫度在維護凍結階段的波動更為明顯。

對比圖4中各測溫孔不同入土深度測點的溫度曲線可見，各測溫孔入土深度較淺的1號測點的初始溫度要低于2、3、4號測點；在凍結初期，各測點降溫速度較為接近，但隨著凍結時間的推移，1號測點的降溫速度逐漸減慢，在維護凍結階段，其溫度要明顯高于2、3、4號測點，且溫度波動更為明顯。這是由于本工程初期采用水泥攪拌樁法加固地層，水泥水化熱的釋放使加固區(qū)內(nèi)部土體的初始溫度達到35 ℃左右；此時主隧道內(nèi)空氣溫度約為15 ℃，1號測點入土深度較淺，距離隧道管片較近，其與隧道內(nèi)空氣的熱交換將其初始溫度降至25 ℃左右。在凍結初期，1號測點溫度仍高于隧道內(nèi)空氣溫度，隧道內(nèi)空氣與凍結管共同吸收其熱量，對1號測點的初期凍結效果起到促進作用。而隨著凍結時間的推移，1號測點溫度逐漸低于隧道內(nèi)空氣溫度，兩者間的熱交換將消耗凍結管提供的冷量，使1號測點的降溫速度減慢，導致其維護凍結階段溫度明顯高于2、3、4號測點。因此，有必要在凍結管鉆孔管片及其兩側一定范圍內(nèi)的隧道管片上設置保溫措施，以減小土體與隧道內(nèi)空氣熱交換對凍結效果的影響。此外，由于測溫孔的傾斜布置，與2、3、4號測點相比，1號測點距聯(lián)絡通道外輪廓更近，其溫度更容易受到聯(lián)絡通道開挖及支護的影響，因此在維護凍結階段其溫度波動較2～4號測點更為明顯。

5 凍結壁發(fā)展情況計算分析

5.1 凍結壁發(fā)展速度與交圈時間計算

凍結壁發(fā)展速度和交圈時間是判斷初期凍結質量的重要參數(shù)。根據(jù)傳熱不利原則，選擇凍結管布置圈外側W1、W6測溫孔的1、2號測點作為喇叭口段及正常段分析點。其中W6-1號測點距最近凍結管910 mm，凍結56 d時溫度降至-1 ℃，可推算凍結壁平均發(fā)展速度為16.3 mm/d；此處相鄰凍結管間距為480 mm，以相鄰凍結管間距除以兩倍凍結壁平均發(fā)展速度，推算凍結壁交圈時間為15 d。各分析點的計算結果如表2所示，可見各分析點的計算結果較小，各處凍結壁交圈時間均滿足不大于35 d的設計要求，說明在凍結初期凍結壁的發(fā)展較為均勻，初期凍結效果良好。

表2 凍結壁發(fā)展速度與交圈時間計算表

5.2 凍結壁有效厚度計算

凍結壁需達到一定厚度，方可滿足工程對于凍結支護的穩(wěn)定性和止水性要求。選取與上節(jié)相同分析點，利用單管凍結柱半徑公式計算單管凍結圓柱半徑[13]，并依此推算出凍結壁的有效厚度。各分析點計算結果如表3所示，可見至積極凍結期末，凍結壁有效厚度在喇叭口處達到2.47 m，在正常段達到2.63 m，均滿足設計要求(喇叭口處1.90 m；正常段2.10 m)。相同測溫孔中不同入土深度測點處及不同測溫孔中入土深度相同測點處的凍結壁有效厚度均較為相近，可見凍結壁在凍結管徑向和軸向上的分布較為均勻，凍結效果良好。

表3 積極凍結期末凍結壁有效厚度計算表

5.2 凍結壁平均溫度計算

土體的各項力學參數(shù)會隨著土體溫度而變化，工程中常通過凍土的平均溫度判斷其強度，因此凍結壁有效厚度內(nèi)的平均溫度是評判凍結效果的重要指標。選取溫度下降較慢的W6-1號測點，運用直線排管凍結壁平均溫度計算公式進行計算[14]，可得積極凍結期末凍結壁有效厚度內(nèi)平均溫度達-12.87 ℃，已滿足≤-10 ℃的設計要求。

6 結論

通過對福州地鐵二號線某聯(lián)絡通道凍結工程進行實測研究，得到了凍結過程中冷凍鹽水與土體的降溫規(guī)律，分析了不同鉆孔位置及不同入土深度測點處的凍結溫度場發(fā)展與分布規(guī)律差異，并通過計算凍結壁交圈時間、厚度和平均溫度對該工程的凍結效果做出了評價。得到主要結論如下：

1)冷凍鹽水的降溫過程可分為4個階段。凍結初期，鹽水溫度快速下降，但去回路鹽水溫差較??；相變階段，由于土中水相變潛熱的釋放，去回路鹽水溫差發(fā)生突增；相變完成后，去回路鹽水溫差開始回落；維護凍結階段，由于形成凍結壁的質量良好，隔斷了未凍土體與凍結管間的熱交換路徑，去回路鹽水溫差十分微小。

2)受水泥水化熱影響，土體的初始溫度較高，各測點初始溫度最高可達35 ℃；凍結初期，由于土體與冷凍鹽水溫差巨大，土體溫度下降迅速；當土體溫度下降至0 ℃以下時，降溫速度發(fā)生突減，出現(xiàn)了明顯的相變階段；相變完成后，土體溫度繼續(xù)快速下降；維護凍結階段，由于聯(lián)絡通道主體開挖及支護的影響，部分測點溫度出現(xiàn)了較為明顯的波動。

3)土體降溫階段的劃分及各階段降溫特點可與冷凍鹽水的降溫階段一一對應，說明冷凍鹽水質量對土體凍結效果的影響較為顯著，在工程中應嚴格保證冷凍鹽水的降溫速度和最終溫度滿足設計要求。

4)與凍結管布置圈外側土體相比，內(nèi)側土體的降溫速度更快，積極凍結期末所達溫度更低；但在維護凍結期間，其溫度受聯(lián)絡通道施工的影響更為顯著，溫度波動更為明顯。

5)水泥水化熱使土體的初始溫度高于主隧道內(nèi)空氣溫度，由于與隧道內(nèi)空氣進行對流換熱，入土深度較淺的1號測點的初始溫度較低；當其溫度下降至15 ℃左右時，其降溫速度開始減慢；維護凍結階段，其溫度明顯高于同一測溫孔中的其它測點。

6)由各分析點處參數(shù)計算所得的凍結壁交圈時間、有效厚度和平均溫度均滿足設計要求，各分析點處的凍結壁交圈時間和有效厚度均較為相近，說明凍結壁的發(fā)展較為均勻，整體凍結效果良好。