富水砂礫地層水平杯型凍結(jié)溫度場變化規(guī)律分析

奚家米,郭 帥,葉萬軍,田俊峰,吳云濤

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

在地下水豐富的軟弱土層地區(qū)，常規(guī)的地層加固方式常伴隨大規(guī)模的降水與擾動，噪音大，污染強，不再符合城市建設(shè)的需要，而凍結(jié)法以其優(yōu)良的止水性、低污染性、環(huán)境適用性，在城市地下工程建設(shè)中逐漸推廣[1]。

1965年，中國最先在北京地鐵一期大開挖工程中引入凍結(jié)法。2001年，南寧地鐵為保證盾構(gòu)出洞時鄰近居民住宅及管線安全，首次采用垂直凍結(jié)盾構(gòu)端頭加固，位移變形控制效果顯著[2]。2005年，南京地鐵越江隧道地層水壓高、滲透性強，常規(guī)加固方式效果差，采用凍結(jié)法有效防治了涌水噴砂現(xiàn)象。2013年，常州地鐵1號線一期工程某區(qū)間，盾構(gòu)接收下穿火車站站廳，豎直凈距僅為3.75 m，受地面條件限制，采用水平凍結(jié)加固+短鋼箱接收法，密閉止水效果良好，凍脹及開挖變形可控[3]。2019年，蘇州地鐵5號線某區(qū)間穿越富水、微承壓的軟弱土層，地層自立性較差，盾構(gòu)機進出端頭易發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，遂采用水平杯型凍結(jié)帷幕技術(shù)，保證了進、出洞的施工安全和質(zhì)量要求[4]。凍結(jié)加固技術(shù)已經(jīng)作為一種地層處理方式參與地下空間建設(shè)，特別是在富水軟弱地層，穿越破碎帶、穿越既有建筑、聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)、盾構(gòu)收發(fā)等危險環(huán)節(jié)防治效果顯著，在少擾動、小變形的城市建設(shè)中應(yīng)用越發(fā)廣泛。

目前，關(guān)于人工凍結(jié)法的研究逐漸成熟。有學(xué)者通過原位測量[5-9]、物理模型試驗[10-13]及有限元模擬[14-16]等方式，對凍結(jié)加固機理、溫度變化規(guī)律、土層位移變形等方面進行了探究。針對聯(lián)絡(luò)通道和端頭垂直凍結(jié)的溫度場[8，17-19]研究成果較多，而在富水砂礫軟硬不均地層，對于盾構(gòu)端頭土體加固采用的水平杯型多圈凍結(jié)技術(shù)，其現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析不充分，關(guān)于溫度場的變化規(guī)律及階段特點的研究成果較少。

因此，本文將以昆明軌道交通五號線五一路—彌勒寺站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)凍結(jié)作業(yè)為依托，明確凍結(jié)加固與監(jiān)測布置方案，通過對凍結(jié)各圈層溫度發(fā)展實測分析，總結(jié)其溫度場的變化規(guī)律及階段特性，為今后類似地質(zhì)條件和開挖加固工程的施工與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 工程概述

本文依托工程為昆明軌道交通5號線五一路—彌勒寺站區(qū)間建設(shè)，線路主要位于五一路道路下方，隧道埋深19.7～28.8 m，盾構(gòu)通過地層為黏質(zhì)粉土、圓礫土、粉砂等，加固區(qū)域內(nèi)地下水豐富，主要為孔隙潛水與承壓水。

穿越段的圓礫土、粉砂及黏質(zhì)粉土屬于第四系沖湖積層，富水性中等，透水性強，上部圓礫土層夾有淤泥，土質(zhì)不均，下部粉砂層賦存微承壓水，且與上部潛水有一定的聯(lián)通性。地層整體軟硬不均，在盾構(gòu)收發(fā)階段鑿除洞門時，容易發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象，影響土層的穩(wěn)定性。

盾構(gòu)始發(fā)端為五一路站，始發(fā)端頭位于道路交叉口，交通疏解難度大，地表管線復(fù)雜，并有排水河道，地面加固可行性較低，設(shè)計采用水平凍結(jié)法加固，縱向加固范圍為外圈9 m，中心板塊3 m，橫向、豎向設(shè)計厚度為管片外側(cè)1.6 m，地層分布及加固剖面圖如圖1所示。

圖1 地層分布及加固剖面圖

2 盾構(gòu)端頭凍結(jié)加固及監(jiān)測方案

2.1 水平杯型多圈凍結(jié)加固方案

本工程采用長壁杯形水平凍結(jié)方案，多圈凍結(jié)孔位布置和現(xiàn)場凍結(jié)管布置分別見圖2和圖3。沿開挖面φ8.1 m、φ5.7 m、φ2.9 m分別布置外圈孔34個、中圈孔16個、內(nèi)圈孔8個和中心孔1個，形成多圈型凍結(jié)布置；外圈孔孔深9 m，中、內(nèi)圈孔孔深3 m，形成長臂杯型凍結(jié)布置。凍結(jié)管選用φ89 mm×8 mm 20#低碳鋼無縫鋼管，采用絲扣加焊接連接，基本參數(shù)如表1所示。水平凍結(jié)孔施工工序為：定位開孔→孔口管安裝→跟管鉆進→斜率檢測→接口嚴密性檢測。

圖2 多圈凍結(jié)孔位布置圖圖3 現(xiàn)場凍結(jié)管布置圖

表1 孔位參數(shù)統(tǒng)計表(單洞)

2.2 凍結(jié)效果控制指標

凍結(jié)效果檢驗及破除洞門時涌水、涌砂的預(yù)防需要進行凍結(jié)帷幕狀態(tài)估測與探孔檢測。相關(guān)檢測指標包括：①鹽水去回路溫差≤2 ℃；②鹽水溫度降至-28～-30 ℃；③積極凍結(jié)時間要達到設(shè)計值(30 d以上)；凍結(jié)帷幕厚度≥1.6 m；④凍結(jié)帷幕平均溫度≤-10 ℃；⑤壁土交界面探孔溫度≤0 ℃。

2.3 凍結(jié)監(jiān)測布置方案

配合水平多圈凍結(jié)施工方案，在每個圈層間均布設(shè)監(jiān)測點，共計6個測溫孔，外圈層外側(cè)布置C1、C3測孔(C1在凍結(jié)帷幕右上部、C3在凍結(jié)帷幕左下部)，距離最近凍結(jié)孔600 mm，測孔孔深10.8 m；外圈層與中圈層間布置C2、C4測溫孔(C2在凍結(jié)帷幕左上部、C3在凍結(jié)帷幕右下部)，距離最近凍結(jié)孔600 mm，測孔孔深3.7 m；內(nèi)圈層布置C5、C6測孔。溫度監(jiān)測設(shè)備采用自制MS-100型溫度采集儀配合熱電偶聯(lián)結(jié)若干傳感器，C1～C4測溫孔布置11個測點，C5和C6布置5個測點，各測點布置如圖4所示。

圖4 溫度測點布置圖

3 盾構(gòu)端頭水平凍結(jié)溫度實測分析

3.1 鹽水去回路溫度變化分析

整個凍結(jié)施工共持續(xù)54 d，其中積極凍結(jié)期為32 d，維護凍結(jié)期為20 d，拔除中、內(nèi)圈層所有管材耗時2 d，外圈管不拔除，以減少擾動。圖5是凍結(jié)52 d干管鹽水溫度變化曲線。由圖5可以看出：去回路鹽水溫度差隨著凍結(jié)時間延長逐步減小，并趨于穩(wěn)定；積極凍結(jié)期內(nèi)，熱交換量大，消耗凍量大，凍結(jié)7 d時鹽水溫度降至-10 ℃，凍結(jié)20 d時總管去路溫度降至-28 ℃，去回路鹽水溫差平均為2.3 ℃。32 d后進入維護凍結(jié)階段，凍結(jié)壁基本形成，凍量消耗減小，總管去路溫度基本維持在-30 ℃，去回路鹽水溫差穩(wěn)定在1.5 ℃。

圖5 干管來去回路鹽水溫度變化曲線

圖6為1～9號支路鹽水溫度變化曲線(共17個支路)，由圖6可知：各支路均在不同凍結(jié)期表現(xiàn)出不同的溫度變化差異，與干管監(jiān)測結(jié)果相同，說明各凍結(jié)管沒有發(fā)生夾壓空氣及堵塞狀況。圈位不同的支路溫度變化差異表現(xiàn)并不明顯，說明凍結(jié)帷幕的形成較為均勻。

圖6 1～9號支路回路鹽水溫度變化曲線

3.2 凍結(jié)溫度場分析

凍結(jié)監(jiān)測開始時間為2020年9月，共持續(xù)52 d，監(jiān)測頻率每天1次，6個測溫孔溫度隨凍結(jié)時間變化曲線見圖7(4個外圈測溫孔測點較多，選取其中6個測點)。

由圖7可以看出，所布6個測溫孔溫度變化具有明顯共性，其整個過程可以大致分為4個階段：

第1階段(初始高速降溫段)：根據(jù)降溫計劃，10 d凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度降至-18 ℃，隨之各圈層土層溫度由地溫20 ℃開始迅速下降，達到3～0 ℃。該階段鹽水溫度與土層溫度相差最大，熱交換激烈，冷媒吸熱量最大，土層的平均降溫量可達2 ℃/d。由于地溫高于空氣溫度，空氣與槽壁存在熱交換，第1階段表現(xiàn)出靠近槽壁土層降溫速率稍快。

第2階段(潛熱釋放段)：根據(jù)降溫計劃，20 d左右凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度平穩(wěn)降至-25 ℃，但與第1階段不同，土層溫度此時處于0 ℃上下的孔隙水相變階段，釋放潛熱，土層降溫稍有停滯，監(jiān)測結(jié)果顯示在0 ℃線附近出現(xiàn)了明顯的平緩曲線，該階段持續(xù)時間為5～7 d，各測點的平均降溫量為0.2 ℃/d，由于采用多圈凍結(jié)的排布形式，內(nèi)圈與外圈相比自由水補充較弱，階段特征在內(nèi)圈測溫孔C5、C6表現(xiàn)最為明顯，如圖7e和圖7f所示，各深度測點在同時段7 d內(nèi)完成潛熱釋放；而外圈各深度表現(xiàn)出滯后性，滯后時長約為2 d，主要特征為測點越淺進入潛熱釋放段越早，這是因為凍結(jié)采用杯型凍結(jié)，淺處杯底段凍結(jié)孔密集，凍量大，凍結(jié)效率高。

第3階段(再次高速降溫段)：此階段鹽水溫度從-25 ℃繼續(xù)平穩(wěn)降至-30 ℃，并維持在-28～-30 ℃，去回路鹽水溫差在2.0 ℃左右，仍處于高效率的積極凍結(jié)階段，地層含水率迅速下降，成為冰土混合體，土層溫度從-2.0 ℃再次開始迅速下降，各測點的平均降溫量為1 ℃/d以上。此階段凍結(jié)管周圍凍土圈徑不斷擴展，凍結(jié)鋒面外推并逐漸交圈。由于土體溫度此時降至0 ℃以下，高于空氣溫度，空氣和槽壁的熱交換關(guān)系轉(zhuǎn)置，測管各深度測點溫度出現(xiàn)差異。降溫速率方面，基本維持”杯底”大于”杯壁”，相差0.2 ℃/d左右，但表現(xiàn)最明顯的槽壁與土層交界面上，降溫速率遠低于同期其他測點；同期溫度方面，也基本維持”杯底”大于”杯壁”，依次相差2～5 ℃，內(nèi)圈小而外圈大，但由于同樣原因，槽壁與土層交界面上同期溫度也遠低于其他測點。因此，應(yīng)該在凍結(jié)期做好洞門處的保溫工作，鋪設(shè)保溫材料，防止離槽壁近的土體溫度由于熱量損失而難以達到設(shè)計強度；在鑿除洞門前，進行多位置的鉆孔測溫，監(jiān)測槽壁與凍土黏結(jié)面溫度是否達標至關(guān)重要。

(a) C1測溫孔溫度變化圖

第4階段(溫度緩慢下降段)：此階段與鹽水降溫計劃的維護凍結(jié)階段基本同步，凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度維持在-25～-28 ℃，去回路鹽水溫差逐漸下降至1.0 ℃左右，凍結(jié)帷幕交圈完成，凍結(jié)范圍內(nèi)的自由水基本耗盡，土層溫度降溫速率下降，平均為0.2 ℃/d，各測點溫度變化曲線趨于平緩。最終的凍結(jié)溫度表現(xiàn)為內(nèi)低外高，內(nèi)圈測孔(C5、C6)平均溫度達到-25 ℃左右，中圈測孔(C3、C4)達到-18 ℃左右，而外圈測孔(C1、C2)達到-15 ℃左右，均達到設(shè)計溫度。

3.3 不同地層溫度發(fā)展特性分析

對比圖7a與圖7c可知：C1、C3測溫孔同屬最外圈測溫孔，C1位于凍結(jié)范圍上側(cè)，處于圓礫土地層，C3位于凍結(jié)范圍上側(cè)，處于粉砂地層，兩者的溫度監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)出不同地層凍結(jié)效果差異：

(Ⅰ)粉砂的潛熱大于圓礫土，導(dǎo)熱系數(shù)卻小于圓礫土，所以在第2階段潛熱釋放過程，C3各測點需要天數(shù)較長，平均為7 d，而圓礫土僅需2～3 d，甚至階段特征不明顯。粉砂層孔隙水有微承壓性，凍結(jié)后溫度粉砂高于圓礫土。

(Ⅱ)圓礫土相較于粉砂顆粒粒徑較大，含有淤泥質(zhì)土，級配不良，孔隙率高，自由水流動性好，各位置含水率差距較大，導(dǎo)致C1各測點溫度變化相較于C3差異較大。

3.4 凍結(jié)帷幕發(fā)展特性分析

水平杯型多圈凍結(jié)施工過程中，凍結(jié)加固范圍內(nèi)溫度場變化可分為4個階段，在溫度演化機理的影響下，水平杯型凍結(jié)帷幕也逐漸發(fā)展完成，其形成過程為：土層溫度迅速降低，孔隙水凍結(jié)成冰，自由水不斷補充，各凍結(jié)管周圍形成單根凍結(jié)圓柱體；隨后，各圈層凍結(jié)鋒面不斷外擴，凍結(jié)體體積不斷增大，互相連接，外圈層形成較薄凍結(jié)杯身，中、內(nèi)圈層形成較厚凍結(jié)杯底；最后，整個凍結(jié)帷幕溫度繼續(xù)下降，達到并超過設(shè)計溫度，形成加固區(qū)板塊強度，并阻隔地下水流通路徑，為盾構(gòu)始發(fā)做好準備?？赏ㄟ^分析現(xiàn)場實測溫度數(shù)據(jù)，獲得凍結(jié)指標來明確反映凍結(jié)過程。

圖8 凍結(jié)壁與槽壁交界面降溫圖

為獲得不同凍結(jié)加固區(qū)(杯身加固區(qū)、杯底加固區(qū))凍結(jié)發(fā)展速率、交圈時間、溫度變化規(guī)律等控制指標，選取布置于槽壁與凍土交界面(0.7 m)、杯底區(qū)(2.8 m)、杯身區(qū)(7.5 m)的各測孔孔溫，進行分析比較。圖8為凍結(jié)壁與槽壁交界面處的降溫圖。

由于破除洞門是凍結(jié)加固施工中的重要危險環(huán)節(jié)，槽壁與凍土交界面的凍結(jié)效果是凍結(jié)加固成功與否的關(guān)鍵因素，但因為施工面保溫措施不足、施工擾動等原因，其往往又是凍結(jié)帷幕的薄弱位置，因此根據(jù)這一斷面凍結(jié)帷幕發(fā)展速度和凍結(jié)交圈時間評價凍結(jié)加固效果最為有效。

由圖8可知：C1測溫孔壁厚測溫點在凍結(jié)18 d后達到0 ℃以下，距離最近凍結(jié)孔600 mm，因此推算該處凍結(jié)壁交圈時間為18 d，發(fā)展速度為33.3 mm/d。其他測點計算結(jié)果如表2所示。

表2 凍結(jié)帷幕發(fā)展指標參數(shù)表

由表2可得：外圈外側(cè)、外中圈之間、中內(nèi)圈間、內(nèi)圈交圈時間之比為1.9∶1.0∶1.7∶1.8，凍結(jié)壁發(fā)展速度之比為0.53∶1.00∶0.56∶0.56。外圈與中圈之間的土體降溫速度最快，中圈內(nèi)圈次之，而外圈外側(cè)最慢，符合預(yù)期效果，其原因為多圈凍結(jié)孔外圈與中圈明顯較為密集，凍量供應(yīng)最為充足，而外圈外側(cè)接觸未凍土，凍量消散嚴重。這樣的布置也符合實際工程的需要，因為盾構(gòu)管片位于凍結(jié)孔外圈與中圈之間，這里是涌水涌砂風(fēng)險的源頭。

圖9為杯底凍結(jié)區(qū)降溫圖。圖10為杯身凍結(jié)區(qū)降溫圖。由圖9和圖10可知：在凍結(jié)期間，杯底加固區(qū)降溫速率均高于杯身加固區(qū)，杯底平均交圈時間15 d左右，杯身平均交圈時間則需要20 d左右；杯底最終形成凍結(jié)帷幕的平均溫度也更低，為-20 ℃左右，杯身平均溫度則為-15 ℃左右。其原因主要是杯身加固區(qū)與外側(cè)未凍土體接觸，受地下水滲流影響大，冷量消耗量相較于杯底加固區(qū)要多；另外，外圈外側(cè)測孔周圍的凍結(jié)孔少，輸冷量相較于內(nèi)圈要少。因此，凍結(jié)帷幕杯底凍結(jié)效果優(yōu)于杯身，也符合杯身止水杯底承載的設(shè)計要求。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知，水平杯型多圈凍結(jié)凍結(jié)壁1 m厚的杯底在凍結(jié)25 d時可達到設(shè)計溫度-10 ℃，杯壁凍結(jié)32 d時達到設(shè)計溫度，凍結(jié)52 d支護強度可以保證。

圖10 杯身凍結(jié)區(qū)降溫圖

4 結(jié)論

(1)根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示，富水砂礫石地層水平杯型多圈凍結(jié)降溫過程中，溫度場發(fā)展可劃分為4個階段：初始高速降溫段、潛熱釋放段、再次高速降溫段、溫度緩慢下降段。各階段特征明顯，且與鹽水降溫的兩期計劃有很好的協(xié)調(diào)性，可通過調(diào)整鹽水降溫計劃更精確地控制凍結(jié)帷幕強度。

(2)槽壁與凍土交界面為凍結(jié)薄弱環(huán)節(jié)，在鑿除洞門前，進行多位置的鉆孔測溫，監(jiān)測槽壁與凍土黏結(jié)面溫度是否達標十分必要。

(3)多圈凍結(jié)各圈位凍結(jié)速率及交圈時間存在差異：外圈外側(cè)、外中圈之間、中內(nèi)圈間、內(nèi)圈交圈時間之比為1.9∶1.0∶1.7∶1.8，凍結(jié)壁發(fā)展速度之比為0.53∶1.00∶0.56∶0.56，符合實際工程需要。

(4)杯型凍結(jié)的凍結(jié)效果存在部位差異：杯底加固區(qū)降溫速率均高于杯身加固區(qū)，杯底平均交圈時間15 d左右，杯身平均交圈時間則需要20 d左右；杯底最終形成凍結(jié)帷幕的平均溫度也更低，為-20 ℃左右，杯身平均溫度則為-15 ℃左右，高于設(shè)計溫度。