聚氯乙烯鹽水凍結管在盾構進洞中的工藝性能分析

崔兵兵 李方政

（煤炭科學研究總院，100021，北京∥第一作者，碩士研究生）

為解決凍結法盾構進出洞施工免拔管的問題，更好地了解在盾構推進過程中PVC（聚氯乙烯）凍結管的可切割性，在凍土中的滲漏性和導熱性，以及在實際工況和施工工藝的凍結規律，特進行本次盾構進洞免拔管鹽水凍結加固現場試驗［7］。試驗選擇在上海市軌道交通12號線18標國際客運中心站－天潼路站區間隧道天潼站東端頭井盾構進洞施工現場進行。

1 試驗概況

1.1 工程概況

上海市軌道交通12號線18標國際客運中心站－天潼路站區間隧道上行線和下行線均從天潼站東端頭井盾構進洞。東端頭井洞門中心標高－16.954m，地面標高＋2.800m。該進洞位置隧道埋深較大，底部埋深23.104m，且地面周邊環境復雜、沒有地面施工場地。本工程采用水平凍結法進行地基加固。

1.2 工程地質

根據地質資料，本工程施工時涉及的主要土層為：①1填土、②1褐黃～灰黃色粉質黏土層、②3灰色黏質粉土、④1淤泥質黏土層、⑤1－1灰色黏土層、⑤1－2灰色粉質黏土層。

1.3 試驗設計

采用在盾構進洞口周圍土層中布置水平凍結孔的加固方法，在洞口外側形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用是抵抗土層側壓力的作用，防止泥砂和地下水進入隧道進洞口，確保盾構進洞安全順利。

下行線隧道進洞加固水平凍結孔56個，外圈凍結孔深度6.3m，內圈凍結孔深度3.7m；總長度290.4m。凍土墻的擴展速度取25mm／d。估計積極凍結時間35天后可以進行盾構進洞工作。

試驗為首次采用PVC管作為鹽水凍結管在盾構進洞中應用，為保證工程的安全性，在不改變原有凍結孔設計的基礎上，單獨設置了兩個凍結孔采用PVC管作為凍結管，并通過測溫孔收集數據，研究PVC凍結管的溫度分布規律。PVC凍結孔和測溫孔的設計見圖1。

圖1 PVC凍結管和測溫孔的位置關系

2 試驗過程

2.1 試驗材料

試驗凍結管使用U－PVC管，具有較好的抗拉、抗壓強度，流體阻力小，耐腐蝕性強，良好的水密性。試驗使用的型號是φ90×5mm的U－PVC管，供液管使用φ40×3mm無縫鋼管，PVC管連接3通作為回液管。

2.2 凍結孔施工

試驗設計PVC凍結孔凍結孔間距0.4m，孔深3.7m。試驗使用水平鉆機開凍結孔，鉆頭使用φ110 mm，開孔至設計深度后，拔除鉆頭，塞進PVC凍結管。PVC凍結管端部使用PVC悶頭和PVC專用膠密封，法蘭盤鏈接接入40低碳鋼管作為供液管。

鹽水循環前對PVC凍結管進行打壓試漏，清洗后用保溫板保溫，保溫厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。打入土體的PVC凍結管見圖2。

圖2 PVC凍結管孔

3 試驗分析

3.1 滲漏性

試驗凍結過程共50天，鹽水循環前對凍結管進行了打壓測試，檢測PVC凍結孔的水密性，鹽水凍結過程中通過鹽水水位的監測，整個試驗過程也未出現鹽水滲漏現象，滿足工程的需求。

3.2 可切割性

凍結結束后，U－PVC凍結管和形成的凍結壁一起被盾構刀盤切削進入土倉，通過螺旋機出土，隨盾構出土一起排出。由于U－PVC凍結管強度較低，經現場觀察，經過刀盤和螺旋機的雙重破壞，其破碎效果可以滿足盾構出土的要求。

3.2.1 凍結管碎片的排出

PVC凍結管被盾構刀盤切削破壞后進入土倉，經過螺旋機的攪拌作用，凍結管碎片和盾構的出土倉充分的混合，隨盾構出土一起排出［4］。

3.2.2 凍結管的破壞形式

PVC凍結管在凍結期間一直處于凍結壁中，其被盾構刀盤切削后表現為低溫破壞形式，即脆性破壞。考察凍結管破壞的斷面，一般都為楔形，故凍結管發生了剪切破壞［7］，破壞形式見圖3。

圖3 凍結管在盾構中的剪切破壞

3.2.3 凍結管的碎片尺寸

破碎后的PVC凍結管碎片要滿足螺旋機出土的要求，所以凍結管碎片的尺寸一般都比較小。從收集到的碎片統計來看，最大的凍結管碎片的尺寸為330×120mm，但凍結管碎片短邊長度一般都不大于150mm，容易被盾構機出土，不會影響盾構的推進和螺旋機的出土施工。

3.2.4 凍結管碎片尺寸的分布

將施工現場收集到的凍結管碎片進行分類統計，按碎片長邊的尺寸統計的結果見表1。尺寸結果分布圖4。

表1 PVC凍結管碎片統計

圖4 凍結管碎片尺寸結果統計圖

凍結管在盾構推進過程中的破碎效果，直接影響盾構的正常推進。PVC材料在低溫情況下易發生脆性破壞。

從破碎效果看，盾構推進可以將凍結管破碎的尺寸控制在100mm左右，容易直接被螺旋推進出土，不會影響盾構的推進和螺旋機的出土施工。

3.3 導熱性

要研究PVC管的導熱性，就需要對鹽水凍結時PVC管溫度場進行分析。研究PVC管的溫度場的意義在于：一是求解凍結壁的強度，確定作為臨時支護的凍結壁厚度；二是為了了解與檢查凍結壁形成情況及厚度；三是了解凍結壁的發展速度，確定合理的凍結時間；四是為了確定冷量的消耗，作為凍結方案比較的依據。

凍結管外壁沿長度方向布置的測溫傳感器測量了凍結過程中的凍結管壁外的溫度，反映了管壁外溫度與凍土交換情況。

從測點溫度的降溫曲線可以看出，凍結開始后的土體冷卻階段和凍結后期凍土的降溫階段，測點的降溫趨勢明顯，而在－8℃附近，由于凍土的水化潛熱的影響，降溫趨勢變緩。凍結管壁溫度分布情況如下：

（1）凍結管在不同鹽水溫度下，凍結管壁上距離凍結管200mm，350mm的測點溫度隨時間的變化曲線如圖5及圖6。

圖5 S1凍結管管壁溫度隨時間變化曲線

圖6 S2凍結管管壁溫度隨時間變化曲線

由上圖可知，由于U－PVC的導熱系數相對低碳鋼管很低，是鋼管的0.005倍。在凍結初期，PVC凍結孔管壁的溫度和鹽水溫度相差很大，最大可達11.5℃。但隨著凍結的繼續，凍結時間的延長，由于冷源溫度逐漸較低，凍土板塊區域逐漸增大，PVC凍結孔管壁的溫度有明顯的下降，和鹽水的溫度差逐漸減少，在凍結后期，鹽水溫度在－30℃穩定，PVC凍結管管壁的溫度最低達到－25℃，并穩定在－25℃，平均溫度較低，滿足工程的需求。

（2）將試驗所得S1和S2凍結孔溫度數據進行平均，對PVC凍結管壁溫度發展規律的擬合，得出試驗的無量綱PVC凍結管壁溫度與低溫鹽水溫度的關系曲線（見圖7）。

擬合曲線的方程為：

其中：an－1為實常數，取值見表2。

圖7 管壁溫度與鹽水溫度的關系曲線

表2 an－1取值

（3）凍結壁溫度分布特征。C1和C2測溫孔所測溫度隨時間變化規律如圖8所示。

圖8 C1和C2測溫孔溫度隨時間變化規律

從測點溫度的降溫曲線可以看出，凍結開始后的土體冷卻階段和凍結后期凍土的降溫階段，測點的降溫趨勢明顯，而在0℃附近，由于凍土的水化潛熱影響，降溫趨勢變緩。

從圖中曲線變化情況可以看出，凍結8天C1測溫孔降至0℃，凍結10天C2測溫孔降至0℃，發展速度可以滿足工程需要。兩測溫孔的變化趨勢基本一致，曲線成對數曲線，符合凍結的一般規律。在凍結的初期，由于C1測溫孔相對C2測溫孔距離凍結孔S2較近，所以C1測溫孔溫度相對較低些，但隨著凍結的延續，凍結時間的延長，由于C2測溫孔位于S1和S2兩個凍結孔之間的界面上，其凍結效果受S1和S2兩個孔的影響，而C1孔只受凍結孔S2的影響。在凍結初期，凍結孔尚未交圈，C1孔比C2孔發展速度更快些，但隨著凍結的發展，凍結中期兩孔交圈后，C2孔受S1和S2兩個凍結孔的影響，溫度明顯降低，發展速度加快。凍結后期，由于加固區凍土板塊完全形成，兩測溫孔溫度差異逐漸減小。

4 結語

（1）試驗過程中，在整個凍結期間，在低溫鹽水引起的溫度壓力、不同土層凍脹導致的彎曲應力、徑向壓力差、以及洞門開挖后圍巖水土的壓力的共同作用下，未出現PVC凍結管發生脆性破壞，鹽水滲漏現象，滿足鹽水凍結對凍結孔水密性的要求

（2）PVC凍結管導熱系數0.2W／（m·℃），鋼管的導熱系數40W／（m·℃），從數據上分析，PVC管的導熱系數是鋼管的0.005倍，和鋼管存在很大的差異，實際凍結效果分析，在凍結初期PVC管凍結和鋼管凍結凍土發展速度差異較為明顯，最大溫差達11.5℃。隨著凍結的延續，凍結時間的增加，凍土板塊區域逐漸增大，PVC凍結孔管壁的溫度有明顯的下降，和鹽水的溫度差逐漸減少，在凍結后期，鹽水溫度在－30℃穩定，PVC凍結管管壁的溫度最低達到－25℃，并穩定在－25℃。試驗證明，在適當延長凍結時間的情況下，PVC作為凍結管在鹽水凍結中是可以滿足工程的需求。

（3）從試驗收集到的碎片統計來看，盾構推進可以將凍結管破碎的尺寸一般控制在100mm左右，容易直接被螺旋推進機出土，因此在盾構進出洞的鹽水凍結加固施工中，由于PVC塑料管可以被盾構直接切削推進，不需要拔除凍結管，可以節省施工成本，降低施工風險。

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