孫欽帥

（北京北咨工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司 北京 100025）

凍結(jié)法通過(guò)人工制冷技術(shù)將地層中的自由水結(jié)冰，從而形成抵抗地壓并隔絕地下水的封閉式凍土體［1-2］。我國(guó)首次成功應(yīng)用凍結(jié)法鑿井技術(shù)在1955年［3］，此后凍結(jié)法在礦井建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著我國(guó)城市軌道交通和地下工程的蓬勃發(fā)展，凍結(jié)法被逐步引入市政工程領(lǐng)域。最初凍結(jié)法主要應(yīng)用于聯(lián)絡(luò)通道和端頭井的小型凍結(jié)工程中，用于封水和承載［4-7］。但隨著凍結(jié)法被業(yè)界的廣泛接受，越來(lái)越多的大型工程逐步開(kāi)始使用凍結(jié)法進(jìn)行加固［8-11］。但由于市政工程中的凍結(jié)法往往具有埋深淺、管線多、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，因此如何有效開(kāi)展大體量?jī)鼋Y(jié)工程一直是困擾施工者的重要問(wèn)題。有鑒于此，本文以廣州某大型地鐵隧道為工程背景，對(duì)其局部垂直凍結(jié)加固方案進(jìn)行介紹，探討了對(duì)大體量、長(zhǎng)距離、高風(fēng)險(xiǎn)地下工程進(jìn)行凍結(jié)施工的可行性。相關(guān)結(jié)論和數(shù)據(jù)對(duì)類似工程具有一定的參考意義。

1 工程概況

廣州地鐵3 號(hào)線北延伸段某施工隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)59.26 m，為單洞雙線曲線隧道。本段隧道拱頂覆土厚度約7.63～8.08 m，為超淺埋隧道。該段隧道為曲線段，曲率為R=400 m。由于隧道一側(cè)為運(yùn)行車站，不具備大型施工條件，且地面為機(jī)場(chǎng)空管中心，地面有通行需求，同時(shí)加固區(qū)上方有數(shù)根軍用通訊光纜等限制，因此不具備明挖條件。綜合考慮隧道斷面形式、埋深及所處地質(zhì)條件，最終決定采用地面垂直凍結(jié)法加固+礦山法暗挖施工的方法進(jìn)行施工，從而減少對(duì)地面交通的影響。

本項(xiàng)目暗挖隧道所處地層主要為〈4-1〉含砂粉質(zhì)粘土、〈3-3〉細(xì)砂礫砂、〈9C-2〉含砂粉質(zhì)粘土地層。暗挖隧道寬為12.6 m，高為8.82 m，底板埋深約為16 m。根據(jù)地勘資料顯示地下水水位平均埋深為2.59 m。隧道所處〈3-3〉細(xì)砂礫砂層滲透系數(shù)為5～15 m/d，為高滲透性地層，施工中需嚴(yán)格注意防水。

2 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

參照以往淺埋凍結(jié)工程施工經(jīng)驗(yàn)，初步選定兩側(cè)及頂部?jī)鼋Y(jié)壁厚度為3.0 m，其中底部?jī)鼋Y(jié)壁厚度為4.0 m，凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃。通過(guò)有限差分法對(duì)埋深最深截面的凍土帷幕受力與變形進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型及相關(guān)結(jié)果如圖1和表1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用許用應(yīng)力法對(duì)凍結(jié)壁應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，其中安全系數(shù)采用凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程規(guī)定的Ⅲ類凍結(jié)壁相關(guān)數(shù)據(jù)選?。?2］。

表1 凍結(jié)壁結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Frozen Wall Results Statistics

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，凍結(jié)壁平均溫度-10 ℃、厚度3.0 m（底部4.0 m）時(shí)，凍土帷幕的總體承載能力足夠，凍土帷幕兩側(cè)及底部有應(yīng)力集中，但應(yīng)力值小于強(qiáng)度值，且各項(xiàng)安全系數(shù)滿足要求，因此認(rèn)為該設(shè)計(jì)參數(shù)合格。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)隧道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的形式和特點(diǎn)，決定采用局部垂直凍結(jié)方案。其中非凍結(jié)段的凍結(jié)器采用雙套管填充保溫材料的處理方案，從而減少該區(qū)域的冷量傳遞。為保證凍結(jié)壁的形成，將凍結(jié)孔的布置軸線與開(kāi)挖隧道中心線平行，并布置9 排凍結(jié)孔：A 排～I(xiàn) 排。排間距：外側(cè)兩排（A-B 排，H-I 排）排間距1 800 mm；其他排間距為2 150～2 225 mm。凍結(jié)孔布置形式如圖1?所示，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

3 施工效果分析

3.1 制冷方案確定

由于本工程凍結(jié)體量較大，凍結(jié)管數(shù)目眾多，為了減少運(yùn)轉(zhuǎn)體量，將凍結(jié)加固區(qū)域劃分為兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域Ⅰ和Ⅱ。凍結(jié)施工中，首先將Ⅰ區(qū)接入鹽水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行積極凍結(jié)，同時(shí)對(duì)Ⅱ區(qū)倒排工期，待Ⅰ區(qū)開(kāi)挖至距離Ⅱ區(qū)工作面50 d（積極凍結(jié)45 d，冗余考慮5 d），將Ⅱ納入凍結(jié)系統(tǒng)，進(jìn)行正常凍結(jié)。

3.2 鹽水溫度情況

本工程于2017 年1 月24 日開(kāi)始積極凍結(jié)，至2017 年4 月12 日，鹽水溫度降至-27.25 ℃（去路）、-25.43 ℃（回路），干管溫差為1.81 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)過(guò)程中鹽水溫度變化如圖2 所示。由圖2 可知，積極凍結(jié)初期鹽水溫度迅速下降，后期在-20 ℃出現(xiàn)了一定的穩(wěn)定，隨后積極凍結(jié)30 d 左右進(jìn)一步下降至-28 ℃左右，其中第50～58 d左右出現(xiàn)的溫度上升是由于Ⅱ區(qū)凍結(jié)管開(kāi)機(jī)所造成，后續(xù)溫度迅速回降至-28 ℃左右。整個(gè)凍結(jié)過(guò)程基本滿足要求。

圖2 鹽水干管去回路溫度變化曲線Fig.2 The Temperature Variation Curve of the Salt Water Dry Pipe Return Loop

3.3 測(cè)溫孔的布置

凍結(jié)段共設(shè)計(jì)5個(gè)測(cè)溫孔其中，2個(gè)位于A、Ⅰ排孔的外側(cè)界面，2個(gè)位于開(kāi)挖斷面內(nèi)，1個(gè)位于凍結(jié)段端頭，深度與相鄰凍結(jié)孔相同。溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測(cè)溫孔布置示意圖Fig.3 Diagram Showing the Layout of Temperature Sensing Holes

3.4 測(cè)溫孔溫度變化

部分典型測(cè)溫孔溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。各測(cè)溫孔溫度隨時(shí)間逐漸降低，設(shè)計(jì)積極凍結(jié)末期凍結(jié)壁范圍內(nèi)的測(cè)溫孔溫度均已降為負(fù)溫。通過(guò)T3測(cè)溫曲線可以看出，在頂板段凍土內(nèi)發(fā)展速度慢于底板段凍土發(fā)展速度，中間保溫段凍土發(fā)展最慢，截止數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間仍處于正溫，說(shuō)明通過(guò)凍結(jié)器的局部保溫布置在一定程度上節(jié)約了冷量，并有利于隧道的開(kāi)挖施工。

圖4 T3縱向溫度分布曲線（C11和D13之間）Fig.4 T3 Vertical Temperature Distribution Curve （between C11 and D13）

3.5 凍結(jié)壁分析

3.5.1 凍結(jié)壁發(fā)展分析

⑴隧道頂板：-8 m 處位于隧道頂板設(shè)計(jì)凍結(jié)壁內(nèi)，A、I 排在此深度設(shè)有保溫層，無(wú)凍土；C～G 排群孔凍土發(fā)展速度以26 mm/d 計(jì)。測(cè)溫孔分布位置、孔間距和凍土發(fā)展速度如表3所示。

表3 凍土發(fā)展情況匯總Tab.3 Summary of Soil Development

⑵隧道側(cè)幫：-12 m 處位于隧道中部，A、B、H、I 排凍結(jié)管形成凍結(jié)壁側(cè)幫，C～G 排凍結(jié)管開(kāi)挖斷面保溫，理想狀況下無(wú)凍土。B、H 排孔凍土發(fā)展速度以32 mm/d 計(jì)，測(cè)溫孔分布位置、孔間距和凍土發(fā)展速度如表3所示。

⑶隧道底板：-18 m 處位于隧道底板設(shè)計(jì)凍結(jié)壁內(nèi)，A、I排凍結(jié)管深度＜17 m，無(wú)凍土；B～H 排其余孔凍土發(fā)展速度以42 mm/d 計(jì)，測(cè)溫孔分布位置、孔間距和凍土發(fā)展速度如表3所示。

從表3綜合來(lái)看，可以初步判定計(jì)算時(shí)刻隧道頂板、底板和側(cè)幫已交圈，封尾孔也已經(jīng)交圈達(dá)到封水效果。隧道頂板正常段凍土平均發(fā)展速度為26 mm/d，底板凍土正常段發(fā)展速度為42 mm/d，是頂板發(fā)展速度的1.6 倍，側(cè)墻正常段發(fā)展速度為32 mm/d，速度居中。

3.5.2 平均溫度計(jì)算

根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)頂板、側(cè)幫凍結(jié)壁厚度為3 m，底板厚度為4 m。根據(jù)測(cè)溫情況，頂板、底板的凍結(jié)壁厚度均大于設(shè)計(jì)要求，采用面域作圖法計(jì)算得凍結(jié)壁平均溫度均低于設(shè)計(jì)的-10 ℃要求；側(cè)幫凍結(jié)壁平均溫度采用雙圈孔成冰公式進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)參數(shù)及結(jié)果如表4所示，按照B、H 排孔間距和A、I排孔間距計(jì)算，平均溫度均低于設(shè)計(jì)溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 凍結(jié)壁厚度和平均溫度計(jì)算Tab.4 Calculated Frozen Wall Thickness and Average Temperatures

由表4 可知側(cè)墻和拱頂凍結(jié)壁厚度大于3 m，底板凍結(jié)壁厚度大于4 m；凍結(jié)壁的平均溫度低于-10 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。且環(huán)形凍結(jié)壁底板平均溫度比頂板平均溫度低4.78 ℃左右。底板凍結(jié)效果明顯優(yōu)于頂板凍結(jié)效果。側(cè)墻凍結(jié)壁平均溫度為-11.17 ℃，明顯高于頂板和側(cè)墻計(jì)算結(jié)果，從實(shí)測(cè)角度分析，側(cè)墻凍結(jié)器的流量和溫度和其他凍結(jié)器并無(wú)明顯差別，隧道開(kāi)挖后實(shí)測(cè)側(cè)幫溫度達(dá)到-8 ℃，經(jīng)修正后，側(cè)幫凍土平均溫度為-13.05 ℃?？傮w結(jié)果及后續(xù)開(kāi)挖后測(cè)試表明成冰公式計(jì)算的平均溫度與面域作圖法比較還是偏向于保守。

4 結(jié)論

⑴在不具備明挖和水平加固條件下，垂直凍結(jié)技術(shù)在大型地鐵隧道中得以成功應(yīng)用。得益于良好的局部保溫，節(jié)約了能量，有效降低了項(xiàng)目成本。

⑵本工程中凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度-10 ℃、厚度3 m（底部平底4 m）時(shí)，凍土帷幕的總體承載能力足夠滿足項(xiàng)目需求，凍土帷幕兩側(cè)及底部有應(yīng)力集中，但應(yīng)力值小于強(qiáng)度值，且各項(xiàng)安全系數(shù)滿足要求。但在實(shí)際施工中，部分區(qū)域凍結(jié)壁侵入開(kāi)挖區(qū)域較為嚴(yán)重，因此后續(xù)施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際鉆孔偏斜對(duì)靠近開(kāi)挖面一側(cè)凍結(jié)孔進(jìn)行適當(dāng)冷量調(diào)控。

⑶富水地層中凍土頂板平均發(fā)展速度為26 mm/d，凍土底板平均發(fā)展速度為42 mm/d。側(cè)墻平均發(fā)展速度為32 mm/d。環(huán)形凍結(jié)壁底板平均溫度比頂板平均溫度低4.78 ℃左右。底板凍結(jié)效果明顯優(yōu)于頂板凍結(jié)效果，后期可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加頂板凍結(jié)厚度，減小底板凍結(jié)厚度。