隧道管片原位修復凍結溫度場實測規律研究

陳智輝 王利軍 陸 路 任 杰

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000; 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

由于地下環境的復雜性[1]，盾構機盾構拼接完成后會因地質水文壓力造成管片的二次損壞，前期雖對隧道結構影響較小但為安全起見，應對該超限部分進行再修復，施工原理為在損壞區設置擋水擋土的鋼筋混凝土連續墻，起到對變形隧道加固的目的，土體加固完成后開挖并拆除已破壞的管片，重新綁扎鋼筋并支護模板，換上現澆結構并與完好隧道交接，至此便完成原位修復的工作。此工法原理雖簡單但實際操作中有管片頂部和下部的封水無法確定的難點[2]，所以對以上兩個部分采用人工凍結方法進行冷凍加固處理，保證封水路徑的安全[3]，使原位明挖修復管片在凍結帷幕的保護下順利進行。長期以來，各國科研人員對于凍結溫度場做了大量的研究[4]，但是對于隧道管片超限原位修復的現場實測研究卻很少，因而分析研究該工程條件下溫度場的實測規律，對于今后相似工程有重要借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程概述

廣州普朝左線隧道在盾構施工中，管片拼裝到196環～225環之間時，由于此部分地質水文情況較為復雜，導致隧道內部受力不均勻而發生管片超限情況。針對此狀況，施工部門積極處理，超限情況得到進一步控制，但考慮到地鐵運行年限以及可能出現的并發問題，現對該部分隧道管片進行原位修復，明挖所需的圍護結構為管片東西兩側的鋼筋混凝土連續墻。土體加固完成后開挖并拆除已破壞的管片，重新綁扎鋼筋并支護模板，換上現澆結構并與完好隧道交接，至此便完成原位修復的工作。

為了保護周邊及修復區隧道結構的穩定性，攪拌樁、連續墻、旋噴樁等施工器械應保持在管片0.5 m范圍以外(見圖1)，由此產生的主要問題是管片頂部和下部的封水將無法保證，所以對以上兩個部分采用人工凍結方法進行冷凍加固處理，保證封水路徑的安全，使土體開挖過程中有凍結帷幕作為保障。

總體思路：為保證管片頂部封水路徑的安全需在連續墻的兩端沿水平方向布置合適數量的凍結孔；并根據工程進度在隧道底部施工放射性凍結孔，保證底部的安全。隧道內徑為5 500 mm，管片厚度為300 mm，該段隧道最底埋深約為21.5 m，隧道管片寬度為1.5 m。

1.2 工程及水文地質

經過勘探，該工程所處土層分布有承壓水，施工中必須采取可靠的加固工法，才能確保隧道的安全。土層由上到下具體分布為：①雜填土、②素填土、③淤泥質土、④淤泥質粉細砂、⑤粉細砂層、⑥中粗砂層、⑦粉質粘土、⑧硬塑性殘積巖、⑨強風化層。

1.3 凍結方案

本工程采取管片下部傾斜與垂直雙向凍結，為了能在隧道頂部與豎井圍護結構周圍形成封閉的凍結帷幕，達到封水作用，特布置水平傾斜凍結孔21個，垂直凍結孔17個，設置5個水平測溫孔，見圖2，圖3。

2 現場實測結果及分析

2.1 鹽水溫度監測分析

在凍結初期，鹽水溫度出現較大波動的主要原因是制冷系統需要不斷的化鹽和調整參數，在凍結11 d后，由于制冷機組工作穩定且不再大量化鹽，此時鹽水溫度穩定下降。初期凍結，由于土體熱交換劇烈，以及機器自身的參數調整原因，鹽水去回路溫差保持在-1.5 ℃。凍結20 d時，去回路溫度達到設計要求(<-28 ℃)，由于熱交換減弱，此時去回路溫差維持在-1 ℃。4月17日鹽水管路溫度發生了明顯的回升，主要是因為在當天對基坑進行了降水開挖，導致了位于凍結體兩側地下連續墻大面積與外界高溫空氣接觸，大量冷量被熱空氣帶走，造成溫度回升。為了確保凍結體有足夠的冷量供應和不影響工期，凍結單位將鹽水溫度降到-30 ℃以下，溫差保持在-1 ℃。5月28日隧道底板修復按照進度計劃順利完成，此時按照設計要求，對冷凍機組進行了減載，凍結進入了維護凍結階段，因而當天鹽水溫度回溫較大，見圖4。

2.2 測溫孔溫度

以C1測溫孔為例，C1孔位于基坑封水段西側，靠近將來開挖面。冷凍機組運行之前，通過C1孔測得不同深度土體溫度為27 ℃～28.5 ℃之間，至4月2日(積極凍結7 d)，C1孔內全部測點都達到0 ℃以下，凍土發展速度較快。從圖5可以看出C1-1這個測點由于受地表影響很大，其溫度比土體內的溫度偏高而且溫度波動的幅度較大。4月17日，由于降水開挖，地連墻大面積暴露在高溫空氣中，大量冷量被熱空氣帶走，導致C1各測點溫度曾一度出現回升現象，凍結施工方采取在地連墻上貼保溫板減少墻體散熱對凍結土體的影響，并加強冷凍機組的制冷降低鹽水溫度后各測點溫度基本保持平穩。

以測溫孔C2為例，C2孔為距離凍結管1 m的遠測溫孔，C2孔內的測點溫度能夠比較直觀的判斷凍結壁發展的距離。至5月1日C2-4溫度達到0 ℃以下，反算出的凍土發展速度符合以往長時凍結凍土發展速度的經驗值。由圖6可以看出，C2-1這個測點靠近地層表面，因而隨環境溫度變化較大；由于測溫孔打設在素混凝土墻體內，混凝土的各向均質性好于土體所以各測點降溫趨勢基本相同。

以測溫孔C3為例，C3孔打設在隧道西端頭底部。隧道內西側凍結管為單排布置，冷量供給少于東端頭的部分雙排凍結管，所以C3孔內多數測點溫度高于C3′內測點溫度。從圖7可以看出，C3-1溫度偏高且變化大，這主要是因為該測點位于管片交界處，受環境影響較大。

以測溫孔C3′為例，該孔位于隧道東端頭底部，靠近4個凍結管，屬于群孔凍結，因而該測溫孔溫度下降較快，且溫度較低，同時出現的隧道積水對于凍結效果影響較大，見圖8。

2.3 管片后凍結凍脹壓力監測分析

管片后凍結凍脹壓力變化如圖9所示。從凍脹壓力變化曲線可以看出，在4月13日，該壓力出現了突變，迅速增加，在18日達到了最大值。主要原因是：隨著冷量的不斷增加，熱交換的不斷進行，土體內的大量水分發生了相變，從液態變為結晶冰，造成土體體積迅速增加，由于管片的限制，因而產生了巨大的應力。在交圈完成后，凍脹壓力逐漸減小并趨于穩定。

3 結語

本文通過對隧道超限管片原位修復止水凍結實測分析，得到了該工程環境下凍結溫度場和凍脹力的發展特征，主要有以下結論：

1)根據對各方面監測數據分析，認為4月17日凍結體已經滿足設計要求，可以在控制基坑內降水深度，加快開挖土體及支撐架設的情況下進行第2層土方的開挖。4月17日下午，開始正式進行土體開挖，開挖過程中由于東西端頭地下墻體的大面積暴露，使得凍土墻靠近開挖臨空面一度出現溫度回升現象，但回溫幅度不大，采取在臨空面墻體粘貼保溫板和始終保證按照積極凍結模式控制鹽水溫度后，鹽水溫度開始穩定下降。

2)由于管片的導熱系數遠大于土層以及凍結管鉆孔偏差，因而該工程凍結的薄弱點位于隧道頂部管片與土層交界處，此處凍土容易形成駝峰狀導水通道，因而針對此處加強了保溫措施。此外，在隧道及其上部的腰線上還設置有100槽鋼和鋼板焊接的凍結板，以補充和增強隧道頂部和側面的凍結效果，最終效果表明該措施得當效果明顯。

3)凍脹壓力可以輔助判定凍結壁交圈，根據凍脹壓力監測情況來看，4月12日，管片后壓力發生突變，迅速增加，4月18日壓力達到最大值，可以判定凍結體交圈。

4)積水對凍結體影響較大，管片與土體交界處為凍結薄弱區，開挖后由于水土壓力作用等容易形成導水通道，所以該位置處應嚴格做好保溫工作，并杜絕大面積頻繁淹水情況。

[1] 武亞軍，潘 濤，唐軍武.人工凍結技術在城市地下工程中的應用[J].探礦工程，2006(6)：60-63.

[2] 李大勇，呂愛鐘.南京地鐵旁通道凍結實測研究[J].巖土工程學報，2004，23(2):334-338.

[3] 郭 鵬，鄧曉鵬.袁大灘煤礦凍結斜井受力實測與分析[J].建井技術，2015(36):6-10,205.

[4] 岳豐田，王 濤.扎賚諾爾礦區白堊系地層凍結溫度場實測與分析[J].河北理工大學學報(自然科學版)，2009，31(2)：119-122．