軟弱粉質黏土層隧道工程凍結實驗設計與仿真分析

陳 誠，王 建，黃 鵬

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

在軟土地質條件下，人工凍結法技術是實施深基坑開挖、隧道土體開挖的一種可靠方法。近年來，人工凍結技術在軟土地鐵隧道工程中大量應用，特別在地鐵泵房、聯(lián)絡橫通道部位實施凍結加固應用較多，并實施了一些地鐵隧道凍結施工的室內試驗、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬［1-2］。

人工地層凍結是一種有效地改進技術，用以處理各種巖土工程問題，用其切斷水，也提高了地面土壤強度。在凍結帷幕的保護下實施隧道工程的開挖和支護，在許多工程領域具有良好的發(fā)展前景［3-4］，并具有重大的研究意義。

土體凍結過程受控于土體中的水分場、應力場、溫度場及其變化規(guī)律，其本質是凍土多孔介質中土骨架、冰晶體、未凍水這三種物質在溫度、土水勢、壓力與變形等外界因素作用下的相互運動、遷移、擴散與相變。目前，低溫和凍結條件下土體介質的水熱力耦合現(xiàn)象已成為巖土工程領域研究的熱點問題并開展了相應的一些研究工作。周曉敏、蘇立凡等［3］論述了隧道內水平凍結加固的施工設計、關鍵技術以及實際效果，探討了人工地層凍結和淺埋暗挖技術相互結合的發(fā)展方向。李大勇等［4］為了直觀了解凍土墻的力學特性，掌握聯(lián)絡通道內土體開挖對凍土墻的影響，對凍結條件下聯(lián)絡橫通道的施工過程進行了三維數(shù)值模擬。趙建軍等［5］介紹了一種非線性彈塑性凍結模擬。王文順等［6］提出了考慮水分遷移、熱傳導和約束壓力之間耦合作用的一維土體凍脹量計算算法，并將水分場、溫度場和應力場耦合進行計算，獲得了土體的凍脹位移場；崔廣心等［7］提出了三場耦合分析的一般數(shù)學格式和非線性數(shù)值求解的迭代算法；郇中杰、何紹書等［8］進一步提出了考慮損傷的軟巖水、熱、力耦合數(shù)學模型，并獲得了隧道圍巖凍脹力的分布趨勢；寧建國、王慧、朱志武等［9］利用水熱耦合模型揭示了季節(jié)性凍土中地下水的運移規(guī)律。

上述研究的重點各不相同，但對凍結溫度場，尤其是對凍結帷幕的擴展過程研究的都還不夠，也沒有考慮凍土強度不均勻分布對地層應力狀態(tài)的影響，本文基于傳熱學、滲流理論及凍土力學，依附深圳地鐵某通道凍結法施工為工程案例，對隧道的水平凍結施工進行現(xiàn)場試驗，設計了凍結參數(shù)并開展了現(xiàn)場凍結效果檢驗；采用水熱耦合理論對隧道左右兩截面的凍結狀況進行了二維數(shù)值模擬，揭示了凍結帷幕的擴展過程和未凍結水、凍結鋒面的遷移過程。

1 凍結法施工工藝及參數(shù)設計

本工程設計凍結帷幕厚1.8～2.2 m，凍結帷幕平均溫度-10℃，凍土單軸抗壓強度3.5 MPa，抗折強度1.8 MPa，抗剪強度1.5 MPa。

凍結孔從左、右線隧道兩側打孔實施布置，主要分為上仰、水平、下俯三種角度，共施工凍結孔63個，實施完成后總長約414 m，用字母D表示，用于對地層實施制冷凍結；測溫孔8個，實施完成后總長32.5 m，用字母W表示，用于測量凍結帷幕范圍不同部位的溫度發(fā)展情況；卸壓孔4個，實施完成后總長10 m，用字母X表示，用于放水卸壓觀測。另外還實施了4個深度為2.0 m的探測孔，用T表示，以觀測土層結冰和凍結帷幕發(fā)展情況。凍結孔、測溫孔、卸壓孔的鉆孔編號編號及幾何位置參數(shù)見表1。

表1 鉆孔編號編號及幾何位置參數(shù)

凍結管采用Φ89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，采用跟管鉆進方式施工，每根凍結管通過連接若干長度為1.0～2.0 m的凍結管段而成。

在每個測溫孔內分別設置3～5個測溫點。測溫管選用Φ32 mm×3.5 mm無縫鋼管，管前端焊接密封。

4個卸壓孔布置在凍結帷幕封閉區(qū)域內，左線、右線各2個；卸壓管選用Φ32 mm×3.5 mm無縫鋼管，管前端開口，梅花狀布置，以確保凍結帷幕內的壓力有效傳遞。

在凍結孔布置圈徑內，分別在左線管片上距離D20凍結孔和D21凍結孔1.2 m的位置，在右線管片上距離距離D26凍結孔和D27凍結孔1.2 m的位置各開1個探測孔。凍結站對側隧道的冷凍排管選用Φ32 mm×3.5 mm無縫鋼管。左右端凍結孔布置見圖1～2。

圖1 隧道左端凍結孔布置剖面示意

圖2 隧道右端凍結孔布置剖面示意

施工時，首先根據(jù)凍結孔布置平面圖和凍結孔定位角度，在聯(lián)絡通道四周管片上放出開孔位置。調整鉆機位置并固定，將鉆頭裝入孔口裝置內施鉆。利用全站儀和羅盤儀檢測凍結孔上下仰俯角及方位角，將鉆孔的偏斜控制在1%以內，終孔間距控制在1.0 m以內。

積極凍結期設計鹽水溫度為-28～-30℃，維護凍結期設計鹽水溫度為-25～-28℃。積極凍結時間為37 d，維護凍結時間為30 d。其他凍結設計參數(shù)見表2。

表2 凍結參數(shù)

根據(jù)設計要求，則可計算凍結需冷量：

式中，Q為制冷站總吸熱能力，kJ·h-1；Li為每根凍結管長度，m；d為凍結管外直徑，m；K為凍結管吸熱系數(shù)，一般為1 047.0～1 172.0 kJ·m-2·h；m為冷量損失系數(shù)，一般取1.1～1.2。

凍結管總長度427.92 m，最大需冷量16.82×104kcal／h。根據(jù)計算需冷量，選用W-YSLGF300Ⅱ型螺桿冷凍機組三臺，其中兩臺運轉，一臺備用。單臺機組設計工況制冷量為8.75×104kcal／h，電機功率110 kW。

將凍結站布置在區(qū)間隧道左線靠近聯(lián)絡橫通道位置。凍結站占地面積約80 m2，站內設備除了冷凍機組，還包括鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及配電控制柜等。其中鹽水泵設計流量為200 m3／h，功率45 kW。

凍結站及凍結器安裝完成后，用清水對管路進行試壓檢漏，發(fā)現(xiàn)滲漏應及時處理。冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱、鹽水干管、凍結帷幕發(fā)展區(qū)域管片用保溫板隔熱保溫，并將冷凍區(qū)域周邊鋼管片格柵用素混凝土填充。

凍結系統(tǒng)全部安裝調試結束后，2月7日開始凍結設備的試運轉，在試運轉時，要隨時調節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關工藝規(guī)程和設備要求的技術參數(shù)條件下運行。2月8日正式開機凍結，整個凍結過程中凍結設備及冷凍系統(tǒng)運轉正常，凍結系統(tǒng)無鹽水漏失現(xiàn)象。

2 凍結效果的預測與檢驗

在積極凍結過程中，需根據(jù)實測溫度資料判斷凍結帷幕是否交圈并達到設計厚度，同時要監(jiān)測凍結帷幕與隧道的膠結情況。當確認凍結帷幕達到設計厚度且與隧道完全膠結后，方可進入維護凍結階段。有鑒于此，需要對凍結帷幕交圈、凍結帷幕平均溫度、卸壓孔壓力等參數(shù)進行預測或檢驗。

工程正式凍結時，鹽水的總去回路溫度曲線見圖3。凍結3天鹽水溫度降至-19℃以下，凍結7天鹽水溫度降至-27℃以下。積極凍結期（2月8日到3月25日止，共46天）鹽水去路溫度穩(wěn)定保持在-28～-30℃以下。

圖3 積極凍結結束前的凍結溫度曲線

2.1 凍結帷幕厚度預測

人工凍結帷幕溫度場是由一根根凍結管溫度場疊加而成的，由于凍結管溫度場的時空性，加上凍結管偏斜等因素的影響，使得凍結帷幕半徑的估計非常復雜，目前，依然采用單孔凍結溫度場解進行預測，相對多孔疊加的溫度場解而言，預測的凍結孔半徑偏于安全。大量的試驗和測試數(shù)據(jù)表明，單孔凍結溫度場呈對數(shù)曲線，若假定計算時刻的凍結溫度場為穩(wěn)定的二維溫度場，則可視單孔凍結溫度場的發(fā)展為圓管穩(wěn)定導熱問題，于是，可以根據(jù)測溫孔的溫度求凍結圓柱（表面溫度0℃）的半徑，就可以用下式進行凍結圓柱半徑的預測：

式中，r2為凍結圓柱半徑；t1為鹽水溫度；tx為凍結區(qū)內測溫孔溫度；r1為凍結管半徑；rx為測溫孔相對凍結管的距離。

根據(jù)3月25日測溫資料，按照最不利原則，用截面上最遠的測溫孔數(shù)據(jù)進行計算，分別繪出隧道左右兩端剖面凍結交圈情況。其中，凍結圓柱發(fā)展半徑分別為1 260 mm、1 100 mm。繪制凍結帷幕交圈圖如圖4～5所示。

圖4 隧道左端剖面凍結交圈示意

圖5 隧道右端剖面凍結交圈示意

由圖可見，凍結帷幕厚度最薄處為隧道兩側直墻，最薄厚度為2.08 m，大于設計的1.9 m，這表明，3月25日時凍結帷幕厚度已經(jīng)滿足設計要求。

2.2 凍結帷幕平均溫度預測

凍結帷幕的平均溫度是計算凍結帷幕厚度的基本參數(shù)之一，其大小主要取決于凍結帷幕的厚度、鹽水溫度、凍結孔間距等因素，而受凍結管直徑的影響較小。中國根據(jù)對潘集礦區(qū)立井凍結帷幕溫度場大量實測資料的回歸分析，提出了在凍結管直徑89 mm和鹽水運動為層流狀態(tài)時，凍結帷幕平均溫度的預測經(jīng)驗公式，并被大量隧道工程凍結法施工采用：

式中，tavg為凍結帷幕平均溫度，℃；tb為鹽水溫度，本工程取為-30.0℃；d為凍結孔間距，取0.4 m；r為凍結帷幕厚度，根據(jù)上文，本工程取2.4 m。通過計算，預測的隧道凍土的平均溫度為-10.38℃，滿足凍結設計要求。

2.3 溫度的探孔檢驗

隧道正式開挖前，應先進行探挖檢驗和卸壓孔壓力檢驗，并在綜合考慮測溫孔溫度、卸壓孔壓力、探測孔水流等因素后方可決定能否開挖。

在開挖輪廓線四周和中心鉆設探測孔，孔深2.0 m，直徑Ф48 mm。探測孔測溫記錄見表3，四個探測孔土體都無水流并已結冰。

表3 探測孔測溫記錄

2.4 地層壓力的卸壓檢驗

當卸壓孔達到升壓條件時，進行卸壓觀測試驗。各卸壓孔壓力測試結果見圖6，圖中表明，卸壓孔初始壓力為0，隨著凍結過程的持續(xù)，壓力逐漸上升，并在3月份上半月上升至0.3 MPa。2月27日開始，分別對1、2、3、4號卸壓孔進行多次放水卸壓試驗，發(fā)現(xiàn)流出的水量逐漸減小，關閉放水閥，卸壓孔壓力又逐漸恢復。3月13日后，卸壓孔壓力開始下降，直到壓力降為0。打開卸壓閥，發(fā)現(xiàn)卸壓孔內無水流出。繼續(xù)保持卸壓閥打開狀態(tài)。

圖6 卸壓孔壓力測試曲線

通過上述預測和檢驗，可以判斷3月26日時，凍土帷幕已經(jīng)滿足設計要求。接下來進入維護凍結期并進行聯(lián)絡橫通道開挖。開挖時，打開鋼管片，采用礦山法對隧道實施暗挖施工。

3 凍結效應數(shù)值模擬

本次計算采用GEO-SLOPE有限元仿真模擬軟件。

GEO-SLOPE是一套專業(yè)、高效而且功能強大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件，其中TEMP／W為地熱分析模塊，是一款涵蓋范圍廣泛的地熱分析軟件。該次隧道凍結法施工仿真分析即是采用TEMP／W模塊，建立水熱耦合模型，對該凍結施工過程進行仿真分析。

圖7為有限元計算模型，模型水平方向長120.0 m，豎向長90.0 m，拱頂埋深70 m。

圖7 數(shù)值模型

采用考慮相變的水熱耦合理論進行凍結仿真模擬，計算范圍內地層為軟弱黏土層，其體積含水量為32.7%，天然重度為18.4×103N·m-3，地層土體熱傳導系數(shù)為1.22 W·（m·K）-1，容積熱容量2.25×103J·（m3·K）-1，比熱容0.8×103J·（kg·K）-1，相變溫度0℃，未凍結前粉質黏土層平均天然溫度為15℃。

圖8～9分別是隧道左右兩端剖面凍結8 d、25 d和46 d的溫度場等值線圖。圖中，實心小三角形依然表示凍結管組，白色粗實線為0℃溫度線，代表凍結鋒面，可用于觀測凍結帷幕的厚度及形態(tài)，黑色粗實線表示聯(lián)絡橫通道的設計開挖輪廓線，白底標簽標值為等值線溫度值。

圖8 隧道左端剖面凍結帷幕演變過程

圖9 隧道右端剖面凍結帷幕演變過程

由圖可知：0℃溫度線隨時間擴展過程表明，凍結管周邊的地層溫度最低，啟凍結鋒面隨著凍結時間的增長逐漸向四周擴展，并與鄰近凍結管的凍結鋒面逐漸相接融合，出現(xiàn)局部區(qū)域凍結現(xiàn)象。隨著局部去區(qū)域凍結范圍越來越大、局部凍結區(qū)域越來越多，凍結鋒面向凍結管四周擴展的越來越遠，最終凍結帷幕實現(xiàn)初始交圈。隨著凍結時間越來越長，凍結帷幕逐漸擴展變厚，并最終達到設計的凍結帷幕厚度。

凍結8 d時，拱頂開挖線以外區(qū)域，存在局部凍結管兩兩交圈現(xiàn)象，而直墻及底部開挖線以外區(qū)域，僅凍結管周邊存在小范圍土體凍結。25 d時，凍結帷幕接近交圈，但拱頂和邊墻凍結帷幕厚度僅有30～40 cm，底部區(qū)域凍結帷幕厚度為20～30 cm；46 d時，拱頂開挖線附近區(qū)域形成的凍結帷幕平均厚度達120～130 cm，兩側邊墻開挖線外側凍結帷幕厚度約120 cm，隧道底部開挖線下部凍結帷幕平均厚度約120 cm，這說明各截面的凍結帷幕厚度均達到了設計厚度120 cm。30 d時，各截面凍結帷幕都基本閉合，平均厚度約60 cm，且厚度較為均勻，因此，30 d可視為凍結帷幕正式交圈時間節(jié)點。對于不同截面的各位置，由于凍結管分布的差異，因此形成的凍結帷幕厚度有所區(qū)別。

4 結 論

本文依附深圳地鐵某通道凍結法施工為工程案例，開展了軟弱粉質黏土層中凍結試驗工程的凍結施工設計、設計凍結效果的預測與檢驗、凍結水熱耦合數(shù)值模擬，以及數(shù)值模擬凍結效應等研究工作，以期更好地揭示凍結帷幕的形成過程。主要研究結論如下：

（1）對地層溫度場的分析結果表明，隧道拱墻部位由于凍結管布置間距相對較密，其在15 d左右即形成了較薄的凍結帷幕，而底板周邊凍結管布置間距相對較疏，其凍結帷幕的形成時間要長一些；

（2）隧道凍結帷幕交圈的時間大致在25 d左右，但此時的帷幕較薄，積極凍結到40 d后，凍結帷幕平均厚度可達120 cm，達到了設計厚度，再經(jīng)過一段時間的維護凍結后即可實施開挖；

（3）由于維護凍結的溫度比積極凍結溫度略高，此時致冷量與地層從外界吸收的熱量基本平衡，因此凍結帷幕的厚度一般不會繼續(xù)增大；

（4）凍結管一般只能對周圍一定距離內的地層溫度產(chǎn)生影響，使其溫度降低至負溫區(qū)產(chǎn)生凍結。故具體凍土設計過程中，可根據(jù)實際情況調整參數(shù)，采取諸如改變凍結鹽水溫度變化曲線、改變凍結時間、調整凍結管的數(shù)量和間距等措施，控制凍結帷幕的形狀、擴展范圍以及交圈整體形成凍結帷幕的時間。