張 潔， 史培新， *， 潘建立

(1. 蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215131； 2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222)

0 引言

近年來，我國隧道和地下空間的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，隧道越修越長、斷面越修越大，同時建設(shè)環(huán)境也日趨復(fù)雜。國際隧道協(xié)會對超大斷面隧道定義為凈空斷面面積大于100 m2[1]。我國很多隧道的開挖斷面面積已超過300 m2，例如港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道開挖斷面面積為338.4 m2，隧道采用上下行疊層的雙向6車道斷面形式曲線下穿珠澳兩地通關(guān)口岸間的狹長地帶，最小埋深4～5 m。

復(fù)雜地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境下，暗挖斷面面積超過300 m2的淺埋隧道是國際隧道界的公認(rèn)難題，傳統(tǒng)工法難以適應(yīng)，需要進(jìn)行施工技術(shù)上的革新。港珠澳大橋拱北隧道采用的管幕冷凍法為復(fù)雜條件下超大斷面隧道的建造提供了新的思路。管幕冷凍法采用36根直徑為1.62 m的鋼管組成的管幕為開挖支護(hù)主體，同時對管幕周圍的土體實行人工冷凍，形成止水帷幕。拱北隧道政治意義大，周邊環(huán)境敏感，人工冷凍過程中對地層的凍脹控制是工程成敗的一個關(guān)鍵技術(shù)。

人工冷凍引起的凍脹主要由土體中原有水分結(jié)冰產(chǎn)生的原位相變凍脹和地層中水分遷移結(jié)冰產(chǎn)生的分凝凍脹組成[2]，且分凝凍脹是土體凍脹的主體[3]。20世紀(jì)70年代初，Harlan[4]對土體的凍結(jié)過程進(jìn)行了深入研究，研究發(fā)現(xiàn)土體的凍結(jié)過程是一個復(fù)雜的水熱耦合過程，分凝凍脹量主要取決于土體溫度場的變化和土中的水分遷移量。因此，控制土體凍脹量的方法主要有控制地層溫度場和抑制土中的水分遷移。周金生等[5]采用控制凍結(jié)深度的間歇凍結(jié)模式來打破地層溫度場的穩(wěn)定狀態(tài)，研究表明凍結(jié)60 h后，試驗土樣凍脹量由采用連續(xù)凍結(jié)模式的0.72 cm降至0.14 cm，降低了80%。Zhang等[6]對有水分供給且土體滲透系數(shù)較大的寒區(qū)地層凍脹特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土體滲透系數(shù)較大時，單一采用控制溫度場的方法依舊會導(dǎo)致土層產(chǎn)生很大的分凝凍脹量。為控制地層滲透系數(shù)較大時由人工冷凍施工引起的地層凍脹，需結(jié)合土體改良來減少土體的滲透系數(shù)，抑制土中水分遷移量。

土體預(yù)注漿可以降低土層的滲透系數(shù)，提高土體強度，降低土體的凍脹率，從而控制土體的凍脹和后期的融沉。胡向東[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體滲透系數(shù)從1.7×10-6cm/s降到6×10-7cm/s后，凍脹率可從原有的4.5%降到2%。注漿對土體還有擠密效果，注漿加固后土體孔隙率大幅減少，抗壓強度增大。張民慶等[8]對渝懷鐵路圓梁山隧道原狀地層注漿加固發(fā)現(xiàn)，注漿后地層孔隙率從82.8%降低到18.3%～44.3%，含水率從120.3%降到15.7%～29.1%。吳延平等[9]對淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行注漿改良，注漿后孔隙率由60.3%降到47.8%，含水率由54.4%降到30.7%，壓縮模量由2.12 MPa提升為3.00 MPa。張慶松等[10]采用水灰質(zhì)量比為1∶1的水泥漿對隧道斷層土樣試件進(jìn)行注漿加固，加固后試樣的單軸抗壓強度由0.17 MPa增加到0.48 MPa，增長了181%。

拱北隧道采用的管幕冷凍法是我國對該工法的首次嘗試，目前關(guān)于人工冷凍法引起的地層凍脹大都局限于采用預(yù)注漿的單一凍脹控制技術(shù)，對于開啟限位管控制溫度和預(yù)注漿聯(lián)合作用的凍脹控制技術(shù)研究較少。本文基于熱力耦合原理，采用有限元預(yù)測地表凍脹位移，對比和分析采用管幕周圍土體預(yù)注漿和開啟限位管模式的凍脹控制措施后地表的凍脹位移，優(yōu)化凍脹控制方案。通過對比分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，從地層溫度和地表位移分布規(guī)律2個方面說明凍脹控制措施的工作原理，以期使研究結(jié)果為港珠澳大橋拱北隧道的順利實施提供技術(shù)保障，并為類似采用人工冷凍的隧道施工提供技術(shù)參考，同時有助于管幕冷凍法的完善和推廣，提升我國隧道建造的總體技術(shù)水平。

1 工程背景

1.1 工程概況

拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的關(guān)鍵控制性工程。隧址所在地隸屬于珠海市香洲區(qū)，毗鄰澳門。隧道暗挖段長255 m，位于曲率半徑為886～906 m的緩和曲線和圓曲線上，起始樁號為YK2+390～+645，開挖斷面面積338.4 m2，是目前世界上斷面最大的單個暗挖隧道。隧道暗挖段下穿國內(nèi)第一大陸路口岸——拱北口岸，地理位置特殊，政治意義敏感(見圖1)。隧道埋于海陸兩相富水軟土中，最小埋深4～5 m，工程地質(zhì)條件極差，地層由上至下依次為人工填土①、淤泥質(zhì)粉質(zhì)土③-1、砂土③-3、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土④-3、砂土⑤-2、砂石土⑥-2和粉質(zhì)粉土⑦-1(見圖2)。

圖1 拱北隧道平面圖(單位： m)Fig. 1 Plan of Gongbei Tunnel (unit: m)

為控制施工引起的地面變形，拱北隧道采用大型管幕結(jié)合人工冷凍管間止水的暗挖施工方法。管幕作為隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，由36根直徑1.62 m的鋼管組成，每根鋼管由64個管節(jié)組成，每節(jié)管道長4 m，管間距35.5～35.8 cm[11]。管幕頂進(jìn)采用4臺外徑為1.676 m的泥水平衡頂管機，由隧道兩端的東西工作井始發(fā)和接收(見圖1)。在管幕頂進(jìn)完成之后，采用微膨脹混凝土進(jìn)行填充。奇數(shù)管在頂管完成并在管內(nèi)預(yù)埋好凍結(jié)管路設(shè)備之后、人工冷凍前進(jìn)行填充；偶數(shù)管在隧道開挖完成、地層解凍和融沉注漿完成之后進(jìn)行填充。

圖2 拱北隧道橫斷面圖(單位： m)Fig. 2 Cross-section of Gongbei tunnel (unit： m)

1.2 限位管凍脹控制

管幕工程的一個核心技術(shù)是管間止水，防止地下水滲入管幕包圍區(qū)，影響開挖面穩(wěn)定并增大地表沉降[12]。小型管幕工程通常采用管間鎖口止水，即將鎖口預(yù)先焊接在鋼管外側(cè)，然后隨鋼管一起頂進(jìn)地層。對于長距離、大直徑曲線管幕，鎖口在頂進(jìn)過程中容易發(fā)生破壞，出現(xiàn)咬合困難，影響止水效果。拱北隧道采用“管幕+人工冷凍法”施工，管幕起載荷支護(hù)作用，人工冷凍形成的凍土帷幕起管間止水作用。為防止凍脹產(chǎn)生過大的地表變形進(jìn)而對地表建筑物及管線造成破壞，凍土帷幕厚度的設(shè)計需同時滿足管間封水及地表凍脹控制的要求。

拱北隧道采用管幕橫向分區(qū)、縱向分段的凍結(jié)模式及圓形凍結(jié)管+限位管+異形凍結(jié)管的布管方式[13]。沿隧道橫斷面，將管幕斷面分為A、B1、B2、B3、C 5個凍結(jié)區(qū)(見圖3)，每個區(qū)的奇數(shù)管幕鋼管內(nèi)布置圓形凍結(jié)管和限位管，偶數(shù)管幕鋼管內(nèi)布置異形凍結(jié)管(見圖4)； 沿隧道縱向，分為3個凍結(jié)段，由東工作井控制凍結(jié)1段的鹽水溫度，西工作井控制凍結(jié)2段和3段(見圖5)。冷凍過程中，利用圓形凍結(jié)管進(jìn)行積極凍結(jié)，異形凍結(jié)管進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)，限位管內(nèi)循環(huán)熱鹽水控制凍土厚度。凍結(jié)過程中采取總體一次積極凍結(jié)、分段分層維護(hù)凍結(jié)的理念，即圓形凍結(jié)管全長整環(huán)積極凍結(jié)，異形管分段分區(qū)維護(hù)凍結(jié)。整環(huán)凍土帷幕的厚度不小于2 m，以滿足管間止水效果，同時A、B1、B2段凍土帷幕厚度不大于2.3 m，B3、C段凍土帷幕厚度不大于2.6 m，以滿足地表變形對土體凍脹的要求。

圖3 管幕橫斷面凍結(jié)分區(qū)示意圖

Fig. 3 Zonation of tunnel cross-section by artificial ground freezing method

圖4 凍結(jié)管布置圖Fig. 4 Layout of freezing pipes

圖5 縱向凍結(jié)分段示意圖(單位： m)Fig. 5 Longitudinal sectioning of artificial ground freezing (unit： m)

1.3 注漿凍脹控制

管幕周圍土體預(yù)注漿和開啟限位管模式是本工程采用的主要凍脹控制途徑。頂管完成后，先通過管幕內(nèi)預(yù)留的注漿孔向管外土體進(jìn)行注漿，從而擠密土體，降低土體滲透系數(shù)，減小外圍水力對凍結(jié)區(qū)域的影響，進(jìn)而控制人工冷凍產(chǎn)生的土體凍脹。注漿孔為每節(jié)鋼管布置4排，每排7個孔，共28孔。注漿孔均采用絲扣連接，導(dǎo)管采用φ32注漿花管，長1.5 m(見圖6)，注漿范圍為管幕兩側(cè)各1.5 m，注漿圈共厚4.6 m。

注漿材料選用超細(xì)水泥+膨潤土，水灰質(zhì)量比mW∶mC=1∶1，膨潤土摻入量為3%。注漿過程中控制注漿壓力以免破壞土體的整體性，注漿壓力為管幕上部0.05～0.15 MPa，中部0.15～0.3 MPa，下部0.3～0.5 MPa。注漿速度控制為前期5～25 L/min，后期5～15 L/min，注漿接近結(jié)束時小于5 L/min。

(a) 預(yù)留注漿孔 (b)注漿花管

Fig. 6 Layout of reserved grouting holes and grouting holey pipes(unit： m)

注漿效果的檢驗主要采用鉆孔檢查法，注漿孔數(shù)量約900個，檢查孔數(shù)量為注漿孔數(shù)量的8%，即72個。鉆孔取樣后，進(jìn)行現(xiàn)場壓水試驗，由單位吸水量計算得到注漿后地層的滲透系數(shù)。將取芯土體進(jìn)行室內(nèi)土工試驗和凍結(jié)試驗測得注漿后土樣密度、含水率、強度及凍脹率。由拱北隧道暗挖段工程的地質(zhì)勘探報告得到注漿前地層的熱物理力學(xué)參數(shù)。注漿前后地層的熱物理參數(shù)及凍脹率見表1—3。

表1 注漿前后地層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils before and after grouting

表2 各層土熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-thermal properties of soils

表3 各層土凍脹率Table 3 Frost heave rate of soils %

從表1—3可以看出： 注漿后地層的各項指標(biāo)均有一定程度的提高，其中，地層孔隙率由注漿前的0.26～0.67降低到0.22～0.60，降低了13%；滲透系數(shù)由10-2～10-7cm/s降低到10-5～10-7cm/s；含水率由10.2%～38.1%降低到9.2%～33.6%，降低了10%； 凍脹率由3.82%～6.63%降低到3.53%～5.46%，降低了12%；彈性模量由1.6～15.0 MPa增大到20.1～32.7 MPa，增大了118%～1 156%。

2 數(shù)值計算

2.1 數(shù)值模型

2.1.1 基本假設(shè)

土體的凍結(jié)過程將導(dǎo)致土體溫度變化和水分遷移。在有水源補給的開放系統(tǒng)中，遷移水結(jié)冰是引起土體膨脹的主要因素[14]。本文基于土骨架的彈性本構(gòu)關(guān)系，并通過綜合考慮凍融過程中冰水相變、水分遷移和地層溫度變化等因素建立了熱力耦合模型，模型基本假定如下：

1) 地層均為各向同性的彈性材料；

2) 冰水相變發(fā)生在-0.5 ℃；

3) 熱傳導(dǎo)滿足Fourier定律；

4) 水分遷移只以液態(tài)水的形式進(jìn)行，以未凍水梯度作為驅(qū)動力，滿足Darcy定律；

5) 土骨架為低溫膨脹材料，膨脹系數(shù)定義為土骨架、冰和水共同作用下的等效膨脹系數(shù)。

2.1.2 能量守恒方程

隨著土體溫度的不斷降低，到達(dá)冰點后，土中的孔隙水逐漸結(jié)成冰，冰水相變釋放相變潛熱，將相變潛熱作為內(nèi)熱源而建立的能量守恒方程[15]為：

(1)

式中：ρ、ρi分別為土體和冰的密度，kg/m3；Cv為土的比熱容，J/(kg·K) ；λ為土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)； ▽為密哈頓算子，表示空間微分算子；T為土的溫度，℃；L為水冰相變潛熱，取值335×103J/kg；θi為含冰量。

2.1.3 質(zhì)量守恒方程

在土體凍結(jié)過程中，孔隙冰的形成對水分遷移有阻滯作用，考慮孔隙冰的阻滯作用后，體現(xiàn)土中水分遷移作用的質(zhì)量守恒方程可以用Richards方程[16]表示為：

(2)

式中：θu為未凍水含量；ρw為水的密度，kg/m3；D(θu)為水的擴散率，%；kg(θu)為豎向土體水力傳導(dǎo)系數(shù)，m-1。

為了計算孔隙冰對水分遷移的阻抗作用大小，引入阻抗系數(shù)I[17]：

(3)

I=1010θi。

(4)

式中：K為土體的滲透系數(shù)，m/s ；C為比水容量，m-1。

式(1)—(4)即為熱力耦合控制微分方程組。由于控制微分方程組理論求解比較困難，一般采用有限元法求解，本文利用COMSOL Multiphysics有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 數(shù)值模擬

利用COMSOL有限元軟件對隧道橫斷面建立二維有限元模型，選用系數(shù)型微分方程模塊對熱力耦合方程(1)—(4)進(jìn)行計算求解，輸入?yún)?shù)包括土體重度、孔隙率、滲透系數(shù)、含水率(見表1)、土體比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)(見表2)，計算得到含冰量θi。然后，將含冰量θi作為土體凍脹發(fā)生的判別條件代入固體力學(xué)模塊，輸入?yún)?shù)包括土體重度、彈性模量、泊松比(見表1)和土體凍脹率(見表3)，計算得到土體凍脹量。在此基礎(chǔ)上，通過改變注漿范圍內(nèi)土層的熱物理參數(shù)(見表1注漿后土層物理力學(xué)參數(shù))、凍脹率(見表3注漿后土層凍脹率)、限位管啟用與禁用的設(shè)定，實現(xiàn)了管幕周圍土體預(yù)注漿和連續(xù)開啟限位管模式對地層凍脹控制效果的模擬研究。

2.2.1 模型建立

地質(zhì)層分為7層，地下水位在地表以下1 m處，根據(jù)隧道施工影響土體范圍，建立模型尺寸為150 m×50 m，除了底部14#～21#頂管外，其余管幕周圍土體均進(jìn)行注漿加固，形成注漿加固圈。模型坐標(biāo)原點位于隧道中軸線上，整個模型的網(wǎng)格采用自由剖分三角形網(wǎng)格，最小單元尺寸設(shè)置為1 cm，共建立69 954個單元，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.92，模型的整體示意圖見圖7。

(a) 計算模型

(b) 網(wǎng)格剖分

2.2.2 邊界條件

運用系數(shù)型微分方程PDE模塊計算考慮水分遷移作用的土層溫度，模型溫度邊界條件設(shè)置為： 地表邊界溫度21 ℃；圓形凍結(jié)管、異形凍結(jié)管和限位管邊界溫度分別為-28、-24、8 ℃；空管邊界溫度為-10 ℃。

運用固體力學(xué)模塊計算地表位移，模型邊界條件設(shè)置： 側(cè)邊為限制水平位移邊界；頂管及底邊為固定邊界； 上邊為自由邊界。

3 不同凍脹方案結(jié)果分析

為了分析不同的凍脹控制措施對地層的凍脹控制效果，本文模擬了3種凍脹控制方案的地表位移。方案1： 連續(xù)開啟限位管模式；方案2： 管幕周圍土體預(yù)注漿；方案3： 管幕周圍土體預(yù)注漿后連續(xù)開啟限位管模式聯(lián)合作用。本文將分別在雙管協(xié)同凍結(jié)模式(圓形凍結(jié)管+異形凍結(jié)管)下，對凍結(jié)30、50、70 d后方案1、2、3所對應(yīng)的地表位移進(jìn)行比較分析，旨在找出最優(yōu)方案。3種方案的地表位移模擬結(jié)果如圖8所示。

(a) 30 d

(b) 50 d

(c) 70 d

Fig. 8 Ground surface displacements under different frost heave control measures

由圖8可知: 隨著凍結(jié)時間的延伸，凍土帷幕厚度不斷擴大，地表位移逐漸增大，且在靠近隧道中軸線處，地表位移達(dá)到最大值。無凍脹控制措施的地表最大位移分別為9.4、12.9、13.5 cm，與無凍脹控制措施的地表位移曲線相比，方案1、2、3的位移曲線均在無凍脹控制曲線下方，表明3種方案均起到了地層凍脹控制效果。其中，方案3對地層凍脹的控制效果最佳，凍結(jié)70 d后，無凍脹控制措施和方案1、2、3的地表最大位移依次為13.5、12.3、9.0、7.7 cm，方案3比無凍脹控制措施的地表最大位移減少了5.8 cm。為了更直觀地反映3種方案對地層凍脹的控制效果，首先選定無凍脹控制時的地表最大位移為基準(zhǔn)，然后減去各方案中地表最大位移，最后將3種方案的位移差值進(jìn)行比較分析，位移差值分布結(jié)果見圖9。

圖9 不同凍脹控制方案的地表最大位移減少量曲線

Fig. 9 Maximum reduction values of ground surface displacements under different frost heave control measures

由圖9可知： 凍結(jié)30 d后，3種方案的地表最大位移減少量相近，為2.2 cm左右； 凍結(jié)50 d后，方案2、3地表最大位移減少量分別為4.2、5.5 cm，大于方案1的2.9 cm，可見在凍結(jié)中期，地層注漿形成漿-土復(fù)合體是地層凍脹控制技術(shù)的主體，這是由于凍脹是由原位凍脹和分凝凍脹組成，且由水分遷移引起的分凝凍脹是地層凍脹的主要組成部分[18]。注漿后土體的滲透系數(shù)降低，抑制了土中水分遷移作用，減少了分凝凍脹量，同時隨著滲透系數(shù)的降低，土層凍脹率也有不同程度的減小，從而進(jìn)一步控制了地表位移，凍結(jié)后期，注漿對地層凍脹的控制效果更為明顯； 凍結(jié)70 d后，方案1的地表最大位移減少量為1.2 cm，方案2、3的減少量分別為4.5、5.8 cm，是方案1的3.75、4.83倍。此外，方案3對應(yīng)的地表位移最小，這是由于單一使用注漿的凍脹控制方案時，凍土發(fā)展速率依舊較快，凍結(jié)后期，凍土體積較大，從而使得地表位移較大。

4 現(xiàn)場實測

4.1 現(xiàn)場測溫系統(tǒng)

由前文中的分析可知，采用方案3對地層凍脹控制效果最佳，故選用方案3作為拱北隧道管幕冷凍施工中的凍脹控制措施。現(xiàn)場溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)將拱北隧道暗挖段全長255 m(起始樁號YK2+390～+645)共分為32個測溫斷面，每個斷面的奇數(shù)管管壁內(nèi)安裝7個測溫點A1～A7，偶數(shù)管管壁安裝6個測溫點B1～B6，為了監(jiān)測管幕中各管壁之間土體的溫度，除了管壁測溫點之外，也有打進(jìn)土體里面的土體測溫點，實時監(jiān)測凍土溫度的變化情況(見圖10)。

(a) 管壁測溫點

(b) 土體中測溫點

4.2 溫度和位移模擬值與實測值的比較分析

4.2.1 溫度實測與模擬值對比

為減小工作井內(nèi)高溫對土體凍結(jié)溫度的影響，在雙管凍結(jié)模式下(即同時開啟圓形凍結(jié)管和異形凍結(jié)管)凍結(jié)30、50、70 d后，選取距東工作井40 m處YK2+430斷面，根據(jù)圖10所示溫度測點的現(xiàn)場實測溫度，繪制溫度云圖，并將現(xiàn)場實測溫度云圖與軟件模擬溫度云圖進(jìn)行對比，如圖11所示。

由圖11中的現(xiàn)場實測溫度圖可知： 沿隧道豎向，隧道上部土體溫度在-5 ℃左右，下部土體溫度基本在-8 ℃，靠近凍結(jié)管處土體溫度可達(dá)到-28 ℃。開啟限位管后，土體溫度在鄰近限位管處出現(xiàn)上升現(xiàn)象，且限位管附近等溫線較為密集，這是由于限位管內(nèi)的鹽水溫度為5～10 ℃，開啟限位管后，限位管周圍的凍土溫度升高，使凍土內(nèi)出現(xiàn)溫度場不平衡狀態(tài)，降低了凍土的發(fā)展速率，控制了地層的凍脹量，減少了地表的凍脹位移。同時隧道底部凍土發(fā)展較快，凍土面積較大，這是由于隧道底部14#～21#頂管周圍土體沒有進(jìn)行注漿處理。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為吻合，總體上表現(xiàn)為： 土體溫度在靠近凍結(jié)管處最低為-28 ℃，遠(yuǎn)離凍結(jié)管處接近地表溫度為21 ℃，同時在靠近限位管處出現(xiàn)升溫現(xiàn)象。沿隧道豎向，上層凍土發(fā)展速率比底部慢，凍結(jié)壁厚度小。

(a) 30 d

(b) 50 d

(c) 70 d

Fig. 11 Comparison of soil temperatures between field measured results and simulated results (unit： ℃)

4.2.2 地表位移實測與模擬值對比

在雙管凍結(jié)模式下凍結(jié)30、50、70 d后，現(xiàn)場實測地表位移和軟件模擬結(jié)果對比情況如圖12所示。

圖12 地表位移實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

Fig. 12 Comparison of ground surface displacements between field measured results and simulated results

由圖12可知: 凍結(jié)30、50、70 d后，現(xiàn)場實測地表位移在鄰近隧道中軸線處出現(xiàn)最大值，分別為6.7、7.3、7.7 cm。軟件模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相近，凍結(jié)30、50、70 d后地表最大位移分別為7.0、7.5、7.8 cm。此外，隨著凍結(jié)時間的延伸，地表最大位移的增長量基本趨近于0，表明凍結(jié)后期，地層凍脹控制效果較好，這是由于管幕周圍土體預(yù)注漿降低了地層的滲透性，提高了地層的力學(xué)性能，降低了地層凍脹率，減少了土中因水分遷移引起的分凝凍脹量，開啟限位管模式降低了凍土發(fā)展速率，兩者聯(lián)合作用綜合控制了地表位移。

通過擬合分析可知，實測地表位移曲線表現(xiàn)為偏離隧道中軸線的不對稱曲線，且地表最大位移稍小于軟件模擬結(jié)果，這是由于在實際工程中，地層為不均勻性分布，并且在凍結(jié)施工過程中存在機械施工熱及環(huán)境溫度變化等一系列對凍結(jié)施工的干擾因素。

5 結(jié)論與討論

本文以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道為工程實例，基于熱力耦合原理，采用有限元預(yù)測了人工冷凍過程中土體溫度變化及地表凍脹位移，比較和分析了管幕周圍土體預(yù)注漿、采用限位管模式及限位管+預(yù)注漿聯(lián)合作用3種凍脹控制方案對地層的凍脹控制效果。通過對現(xiàn)場地表凍脹實測數(shù)據(jù)與軟件模擬結(jié)果的比較分析，從地層溫度和地表位移分布規(guī)律說明了凍脹控制技術(shù)的工作原理。研究得到如下結(jié)論：

1)基于熱力耦合有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的吻合較好，表明人工冷凍產(chǎn)生的地層凍脹主要由地層內(nèi)的水分遷移結(jié)冰產(chǎn)生的分凝凍脹組成，土體中原有水分結(jié)成冰產(chǎn)生的原位相變凍脹在凍脹總量中所占比例較小?？刂仆馏w凍脹量的方法主要為抑制土中的水分遷移量，降低地層凍脹率，同時控制凍結(jié)壁厚度。

2)3種凍脹方案的地表位移結(jié)果表明： 凍結(jié)70 d后，采用限位管、預(yù)注漿及限位管+預(yù)注漿的凍脹控制方案后的地表凍脹位移較不采用凍脹控制分別降低了9%、33%和43%。限位管+預(yù)注漿方案對地層凍脹的控制效果最好。管幕周圍土體預(yù)注漿降低了土體的滲透系數(shù)和凍脹率，抑制了土中水分遷移作用，是凍脹控制技術(shù)的主體；限位管降低了凍土的發(fā)展速率，限制凍結(jié)壁厚度是凍脹控制技術(shù)的有效補充。限位管+預(yù)注漿方案可為類似人工冷凍工程的地表凍脹控制提供借鑒。

拱北隧道管幕冷凍法施工中采用開啟限位管+管幕周圍土體預(yù)注漿聯(lián)合作用的凍脹控制技術(shù)在國內(nèi)尚屬首次。在本工程的凍脹控制技術(shù)中限位管內(nèi)鹽水溫度設(shè)定為8 ℃、注漿圈厚度設(shè)定為4.6 m，達(dá)到了較好的凍脹控制效果，但土層性質(zhì)、管幕形態(tài)和凍結(jié)壁厚度等因素都有可能影響凍脹控制的效果，因此，在不同的工程中，對開啟限位管+管幕周圍土體預(yù)注漿聯(lián)合作用的凍脹控制技術(shù)中限位管內(nèi)鹽水溫度及注漿圈厚度的取值有待進(jìn)一步研究。

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