微凍結(jié)法盾構(gòu)隧道襯砌管片凍結(jié)性能參數(shù)試驗(yàn)研究

丁 飛，張魯魯，曹新剛，李遠(yuǎn)榮，汪亦顯

(1.中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前我國(guó)的城市地鐵線路隧道施工主要以明挖回填、盾構(gòu)法為主。地鐵工程通過富水弱膠結(jié)地層或高壓富水?dāng)鄬訒r(shí)，可采用超前降水及旋噴樁、帷幕注漿加固等輔助措施。但由于施工空間受限、地層巖性差異大、質(zhì)量難以控制等，不能完全避免突泥涌砂、結(jié)構(gòu)變形等問題，甚至出現(xiàn)反復(fù)加固，長(zhǎng)期無進(jìn)尺或負(fù)進(jìn)尺，最終引起了工期延長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)加大、費(fèi)用大幅度增加等不利后果。而人工地層凍結(jié)法可以彌補(bǔ)以上常規(guī)輔助措施的不足，降低在此類地層中進(jìn)行隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)。尤其在地下土壤含水率較大的盾構(gòu)隧道中破洞時(shí)，可能會(huì)帶來隧道漏水甚至淹沒以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌等危害，而人工地層凍結(jié)法是一種規(guī)避該類工程風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

1997年煤炭科學(xué)研究總院建井的近水平凍結(jié)施工技術(shù)攻關(guān)課題為我國(guó)地鐵、隧道和其他市政工程地下開挖提供全新的技術(shù)[1]。1998年北京地鐵“復(fù)―八”線“大北窯―熱電廠”區(qū)間大北窯車站南隧道基于技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，完成了我國(guó)首例水平法凍結(jié)施工，沿隧道拱頂周圍進(jìn)行水平鉆孔，水平距離為45 m，拱頂水平凍結(jié)壁有效地提高了隧道頂部土體穩(wěn)定性，證明了水平凍結(jié)法是暗挖隧道軟弱含水地層中封水和加固土體的有效方法[2]。上海地鐵2號(hào)線建設(shè)中有4個(gè)聯(lián)絡(luò)通道采用水平凍結(jié)法施工，其中河南路—浦東陸家嘴段處于黃浦江下，拱頂距江底僅7～8 m，是我國(guó)第一個(gè)河下凍結(jié)工程[3]。2003年，潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋錨碇基礎(chǔ)施工采用封水效果好，施工可操作性強(qiáng)的“排樁凍結(jié)法”。即利用AGF法技術(shù)，把零下28 ℃的鹽水，注入地下，使含水地層凍結(jié)，在基坑四周形成厚1.3 m、深40 m的凍結(jié)帷幕墻體，很好地解決了地下水滲流問題；同時(shí)在凍土內(nèi)側(cè)排列140根嵌入基巖的鉆孔灌注樁作為擋土受力結(jié)構(gòu)，從而在基坑四周形成一個(gè)既擋水抗?jié)B又能抵抗水土壓力的堅(jiān)固圍護(hù)屏障。這是國(guó)際上將排樁和凍結(jié)相結(jié)合的施工方法在橋梁工程施工中的首次運(yùn)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果，工程的可靠度也得到了滿足。

2003年，楊平等[4]以南京地鐵一期工程張府園車站南隧道盾構(gòu)出洞為背景，分析了凍結(jié)法在該工程中的凍結(jié)設(shè)計(jì)、施工工藝及對(duì)周圍環(huán)境影響等問題。2005年，楊太華等[5]以上海市復(fù)興東路越江隧道工程盾構(gòu)的進(jìn)出洞工程為對(duì)象，認(rèn)為凍結(jié)加固可成功解決盾構(gòu)進(jìn)出洞段覆土淺、兩條隧道相距近及周圍管線的保護(hù)問題。2006年，李為強(qiáng)[6]結(jié)合上海地鐵9號(hào)線七寶站～外環(huán)路站區(qū)間隧道工程實(shí)踐，分析了液氮垂直凍結(jié)在盾構(gòu)出洞端頭加固中的應(yīng)用。2006年，英旭等分析了上海地鐵2號(hào)線西延伸工程中山公園站盾構(gòu)進(jìn)洞施工中水平杯形凍結(jié)壁的應(yīng)用效果，對(duì)隧道上方的大型污水箱涵起到較好的保護(hù)作用[7]。2007年，韋良文對(duì)泥水盾構(gòu)施工中存在的開挖面穩(wěn)定性、盾尾拖出管片的土體坍塌及隧道上浮現(xiàn)象以及出洞段土體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出進(jìn)出洞土體加固方法應(yīng)視地層條件、工程水文地質(zhì)條件確定，優(yōu)先選擇深層攪拌加固，若進(jìn)出洞段地下水豐富且土性為滲透系數(shù)大的砂質(zhì)地層時(shí)應(yīng)考慮用凍結(jié)法加固[8]。2010年，張朝彪等對(duì)各種地質(zhì)條件下盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為軟土地區(qū)的盾構(gòu)隧道端頭可采用水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁或注漿加固，當(dāng)受地面環(huán)境限制時(shí)可采用人工凍結(jié)法，而砂層宜采用地層加固+降水的加固方式，全斷面巖石地層則無須加固，特殊地層需采取較為特殊的加固方式[9]。

盾構(gòu)接收工程中，水平凍結(jié)法與垂直凍結(jié)法因安全性高、止水加固效果好且對(duì)環(huán)境友好，得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種改進(jìn)后的凍結(jié)方法，微凍結(jié)方法在“杯狀”凍結(jié)帷幕“杯口”處形成止水環(huán)箍，擁有良好的阻水性能。其但也存在一定的工程風(fēng)險(xiǎn)，如供冷不足或外部熱源可導(dǎo)致凍土帷幕性能退化、地下水含鹽量過大影響凍結(jié)效果、地層水流速過快導(dǎo)致凍結(jié)效果無法形成且致凍土快速消融等。在微凍結(jié)方法中，凍結(jié)管片的凍結(jié)性能決定了凍結(jié)止水箍的止水效果，凍結(jié)管片的凍結(jié)參數(shù)是進(jìn)行微凍結(jié)施工設(shè)計(jì)的前提，所以有必要進(jìn)行凍結(jié)管片的凍結(jié)性能試驗(yàn)以獲取凍結(jié)管片的凍結(jié)參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在天津地鐵10號(hào)線一期工程沙柳南路站盾構(gòu)接收端施工現(xiàn)場(chǎng)開展，試驗(yàn)設(shè)備包括微凍結(jié)冷凍站、冷凍液輸送管、微凍結(jié)管片和測(cè)溫管。凍結(jié)設(shè)備包括冷凍站和凍結(jié)管片，測(cè)量設(shè)備為測(cè)溫孔與測(cè)溫計(jì)。冷凍站負(fù)責(zé)提供源源不斷的冷媒劑，冷媒劑與凍結(jié)管連通，凍結(jié)管埋入土層鉆孔中通過熱傳導(dǎo)帶走土層中的熱量實(shí)現(xiàn)土體的凍結(jié)。測(cè)溫孔能進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化情況。

微凍結(jié)管片各構(gòu)件的設(shè)計(jì)如圖1所示。凍結(jié)管片由混凝土管片本體與凍結(jié)管道微凍結(jié)管片構(gòu)成，微凍結(jié)管片內(nèi)預(yù)埋凍結(jié)管道，凍結(jié)管道采用低碳無縫鋼管，凍結(jié)管尺寸為40 mm×60 mm，厚度為5 mm。每塊管片埋設(shè)5道之字形管路，在管片上預(yù)埋鹽水進(jìn)、出口，如圖2所示。凍結(jié)管道嵌入管片，管路外側(cè)與管片外側(cè)齊平，如圖3所示。管片外側(cè)保護(hù)層厚度為70 mm(外側(cè)與主筋)，嵌入凍結(jié)管路，以避免后期產(chǎn)生管片腐蝕；凍結(jié)管路預(yù)埋道管片外側(cè)保護(hù)層內(nèi)，外側(cè)與管片外弧面齊平，管片塊與塊之間采用50 mm的軟管進(jìn)行連接管片，如圖4所示。外環(huán)面的凍結(jié)管與土層的管土接觸面積百分率約為20%，冷凍液可由凍結(jié)管入口進(jìn)入凍結(jié)管道，經(jīng)由凍結(jié)管出口流出。

圖1 微凍結(jié)混凝土管片的整體結(jié)構(gòu)1-微凍結(jié)管片本體；2-環(huán)向螺孔；3-環(huán)向手孔；4-縱向手孔；5-縱向螺孔；6-注漿孔；7-凍結(jié)管路；8-止水橡膠條；9-凍結(jié)軟管；10-凍結(jié)管入口；11-凍結(jié)管出口；17-凍結(jié)設(shè)備

圖2 凍結(jié)管路截面圖

圖3 凍結(jié)管路平面圖

圖4 凍結(jié)管路布置側(cè)面圖

凍結(jié)站(圖5)采用氨(氟利昂)-鹽水(氯化鈣溶液)凍結(jié)系統(tǒng)，它采用氨循環(huán)系統(tǒng)相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)制冷，再以鹽水作為冷媒劑將地層中的熱量帶出至冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)再將熱量釋放到大氣中。制冷循環(huán)一般包括四個(gè)過程：壓縮-冷凝-降壓-蒸發(fā)。微凍結(jié)冷凍站型號(hào)選用TSLC-015.1TJ，其功率為21 kW，制冷量為1.8×104kTal/h。測(cè)溫管中在不同的深度有2個(gè)測(cè)溫計(jì)。

圖5 TSLC-015.1TJ凍結(jié)站

2 試驗(yàn)原理

微凍結(jié)管片通過在管環(huán)中形成凍結(jié)回路，凍結(jié)液在凍結(jié)回路中循環(huán)對(duì)管片進(jìn)行制冷。凍結(jié)回路包括凍結(jié)管路、凍結(jié)軟管、凍結(jié)管入口和凍結(jié)管出口。凍結(jié)軟管連通環(huán)向的微凍結(jié)管片本體中的凍結(jié)管路，形成沿硐周的完整圓周凍結(jié)回路。凍結(jié)管路起點(diǎn)與內(nèi)環(huán)面凍結(jié)管入口相連通，凍結(jié)管路終點(diǎn)與內(nèi)環(huán)面凍結(jié)管出口相連通，凍結(jié)液可以從凍結(jié)管入口進(jìn)入凍結(jié)管路對(duì)管片制冷，經(jīng)由凍結(jié)管路從凍結(jié)管出口流出，再進(jìn)入下一管片。

具體過程如下：凍結(jié)管出口與凍結(jié)軟管的一端連接，凍結(jié)軟管的另一端與環(huán)向相鄰下一微凍結(jié)管片的凍結(jié)管入口相連，這樣就實(shí)現(xiàn)了環(huán)向相鄰兩管片的凍結(jié)管路的聯(lián)通。凍結(jié)設(shè)備提供的凍結(jié)液從第一塊微凍結(jié)管片的凍結(jié)管入口進(jìn)入凍結(jié)管路，經(jīng)由第一塊微凍結(jié)管片的凍結(jié)管路，從第一塊微凍結(jié)管片的凍結(jié)管出口進(jìn)入凍結(jié)軟管，通過凍結(jié)軟管再進(jìn)入下一微凍結(jié)管片的凍結(jié)管入口10和凍結(jié)管路，如此循環(huán)一周后，凍結(jié)液從最末的微凍結(jié)管片的凍結(jié)管出口流回凍結(jié)設(shè)備。

凍結(jié)管路的凍結(jié)管為無縫鋼管，截面尺寸為40 mm×60 mm，厚度為5 mm，管片外環(huán)面的凍結(jié)管與土層的管土接觸面積百分率約為20%，能實(shí)現(xiàn)高效的熱傳遞。

3 試驗(yàn)過程

在微凍結(jié)方法中，微凍結(jié)管片能否形成可靠有效的止水帷幕，即凍結(jié)“止水環(huán)箍”，是微凍結(jié)止水方法的關(guān)鍵，而這依賴于微凍結(jié)管片的凍結(jié)性能。為驗(yàn)證在本次工程中微凍結(jié)管片能否及時(shí)地形成可靠有效的微凍結(jié)帷幕以保障微凍結(jié)方法的有效性，需要進(jìn)行微凍結(jié)管片的凍結(jié)性能試驗(yàn)。

圖6 凍結(jié)管片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

圖7 測(cè)溫孔布置圖

本試驗(yàn)選取一塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片進(jìn)行微凍結(jié)試驗(yàn)(圖6)。試驗(yàn)步驟如下：

(1) 埋置單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管片，并在溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)處埋設(shè)好溫度監(jiān)測(cè)器。首先，在試驗(yàn)地點(diǎn)開挖試驗(yàn)坑，并在試驗(yàn)坑的一側(cè)開挖出管片外環(huán)面的形狀；然后，將標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)管片放置在試驗(yàn)坑壁，用土袋固定好；最后將溫度監(jiān)測(cè)器埋置在設(shè)計(jì)位置，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上1/3和下1/3深度位置埋置了2個(gè)監(jiān)測(cè)器。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示，L為單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管片的弧長(zhǎng)，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)到管片外環(huán)面的設(shè)計(jì)距離不一，H1、H2、H3、H4和H5分別為25 mm、80 mm、150 mm、30 mm和200 mm。

(2) 進(jìn)行打壓測(cè)試，確保管道不會(huì)發(fā)生泄漏。在用凍結(jié)管道連接冷凍設(shè)備和微凍結(jié)管片之前，進(jìn)行打壓測(cè)試，要求試驗(yàn)壓力不小于0.8 MPa，試壓30 min后壓力下降不超過0.05 MPa，再延續(xù)15 min壓力不變則為合格。

(3) 冷凍設(shè)備開機(jī)運(yùn)行，微凍結(jié)管片開始工作。本次選擇的凍結(jié)設(shè)備功率為21 kW，制冷量為1.8×104kTal/h，通過對(duì)管路的需冷量及凍結(jié)各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，最低鹽水(冷凍液)溫度可為-28～-30 ℃。

(4) 記錄溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每隔6 h記錄溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)量方法：每隔一段時(shí)間采集每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，24 h和48 h測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)見表1，各測(cè)溫孔溫度-時(shí)間曲線圖如圖8所示，在凍結(jié)前期溫度下降速率約為1 ℃/h，后期溫度趨于穩(wěn)定，溫定溫度場(chǎng)的溫度梯度約為6.5 ℃/dm。之后進(jìn)行了凍結(jié)效果探查，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)鼋Y(jié)帷幕壁單側(cè)厚度約為160 mm，凍結(jié)速率為80 mm/d。

表1 測(cè)溫孔溫度記錄表

圖8 測(cè)溫孔溫度-時(shí)間曲線

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖8所示，在凍結(jié)48 h后，凍結(jié)帷幕最低溫度可達(dá)-13℃。各溫度監(jiān)測(cè)孔的溫度在24 h內(nèi)下降較快，隨后降溫速率趨于平緩。在各個(gè)點(diǎn)位的溫度變化速率不一，其中K2的溫度下降得最快，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)H2在24 h后溫度下降到了-10℃以下。這是由于K2處于管片中央且離管片外環(huán)面較近。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)K5離管片外環(huán)面最遠(yuǎn)，為200 mm，因此它的溫度下降得最慢。雖然溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)K1離外環(huán)面最近，但它的位置處于管片較為邊緣的位置，冷量的流失可能導(dǎo)致K1處的制冷效率較低。

經(jīng)過積極凍結(jié)48 h后，對(duì)管片后方土體進(jìn)行開挖，進(jìn)行凍結(jié)膠圈進(jìn)行效果檢查，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)鼋Y(jié)壁單側(cè)厚度約為160 mm，單側(cè)凍結(jié)速率為80 mm/d，因此微凍結(jié)+水平凍結(jié)雙側(cè)發(fā)展，需要30 h凍結(jié)膠圈即可以填充凍土與管片之間的空隙。試驗(yàn)結(jié)果表明，微凍結(jié)管片能夠形成完整可靠的微凍結(jié)止水帷幕。

4 結(jié) 論

通過微凍結(jié)管片凍結(jié)性能試驗(yàn)，微凍結(jié)管片的凍結(jié)性能得到了驗(yàn)證，并獲得了關(guān)鍵的凍結(jié)性能參數(shù)：

(1)凍結(jié)管片的凍結(jié)管與土層的管土接觸面積百分率為20%，當(dāng)采用TSLC-015.1TJ冷凍站時(shí)(功率為21 kW，制冷量為1.8×104kTal/h，在凍結(jié)前期溫度下降速率約為1 ℃/h，后期溫度趨于穩(wěn)定，溫定溫度場(chǎng)的溫度梯度約為6.5 ℃/dm。

(2)凍結(jié)效果探查結(jié)果表明，凍結(jié)帷幕壁單側(cè)厚度約為160 mm，凍結(jié)速率為80 mm/d，對(duì)于一般的盾尾孔隙為100～200 mm的工程情況，微凍結(jié)止水箍能在48 h內(nèi)完全成型，以滿足施工堵水要求。