軌道交通人工凍結法施工凍脹量精細化控制

張 松 岳祖潤 楊忠年

(1.石家莊鐵道大學，河北石家莊 050043； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 3.青島理工大學，山東青島 266000)

1 概述

隨著城市軌道交通的發展以及地下空間的拓展，所面臨的工況越來越復雜。以地鐵施工為例，由于地下空間中既有建構筑物錯綜復雜，線路走向受限于整體規劃，規避管線與建構筑物困難。人工凍結法可有效控制復雜條件下的地基變形，如上海地鐵13號線大渡河路站3號出入口與車站換乘通道工程最近一根污水管與凍結壁距離0.445 m[1]、哈爾濱地鐵2號線哈爾濱站大里程端凍結加固工程φ2.2 m排水管距離凍結壁頂部僅2.7 m。

人工凍結法施工中變形控制主要包括凍脹、融沉控制兩個方面。融沉控制一般采用跟蹤注漿方式解決，而對于積極凍結期間的凍脹變形，則采用凍結壁內部泄壓孔泄壓方式進行控制，但其結果往往并不理想。目前，在變形要求嚴格且施工空間足夠的情況下，可通過增設凍結壁上部泄壓孔的方式進行凍脹控制，如圖1所示。但實際施工中，許多工程難以滿足布置上部泄壓孔的空間要求(地鐵聯絡通道工程空間尤為狹小)。因此，對于小空間內的凍脹控制方案仍需改進。

圖1 人工凍結法凍脹控制示意

土體的凍脹變形是由土中的水結晶成冰引起的體積膨脹造成的。凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹；孔隙水的原位凍結，可造成體積增大9%，外界水分補給并發生分凝凍脹，可造成體積增大109%[2]。根據JM Konrad提出的分凝勢模型理論，土體內的水分遷移速率與溫度梯度呈正比關系[3-4]。而在市政領域的人工凍結法施工中，工程多位于富水的軟土地區，且人工凍結工法易形成較大溫度梯度，造成其原位凍脹、分凝凍脹都較大。

針對凍脹控制問題，國內外學者進行了大量的研究，其中周國慶提出了采用間歇凍結的方式抑制人工凍土的方法[5]，并通過室內試驗方式證明了在溫度場尚未趨于穩定的情況下改變熱邊界，使凍結鋒面的擬穩定態不斷被打破，分凝凍脹難以形成，可以有效控制凍脹[6]。胡坤通過室內試驗的方式研究了采用全過程間歇凍結以及前期正常凍結、后期間隙凍結的后間歇凍結的凍脹量，得出了15 cm高凍土柱的全間歇凍結凍脹量為對比組凍脹量的14.4%；并研究了其不同變溫幅度以及時長的影響，提出了間隔時間不宜過長，否則會影響凍結壁強度的建議[7-8]。高偉論述了紅慶梁回風立井凍結工程中采用間歇凍結的方案，將間歇凍結溫度變換幅度選擇為-30～-10 ℃，可保證凍結安全及節省工程成本[9]。

在凍脹控制方面，除了采用減緩冷量輸入外，還可采用人工加熱方式。胡向東在港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道頂管間隙的凍結加固中，采用加熱管的方式控制凍結壁的形態，并在現場實測中得到了驗證[10]。韓圣銘在上海地鐵出入口凍結工程中采用了泄壓孔配合解凍孔的方式進行凍脹控制，成功控制了上部管線的變形[1]。陳紅蕾對單凍結管溫度場數值進行了計算，對凍結管的幾種隔熱狀態效果進行比較，得出了隔熱與不隔熱之間凍結管外表面熱流密度的數量關系，提出了可行性的方案規劃[11]。但是，采用人工加熱方式往往會對部分區域造成反復多次的凍融循環。王天亮通過室內試驗，研究了凍融循環對于土體沉降性質的影響，結果表明：第一次凍融循環凍脹融沉量較小，而經過多次凍融循環后的試件凍脹融沉量會變大，一般凍融循環5次后土體凍脹融沉量逐步穩定[12]。

很多工程中，頂部間歇凍結區域往往是開挖主要風險點[13]。因此，間歇凍結過程中也需確保凍結壁滿足設計要求。

為研究適用于淺埋工況下的人工凍結法凍脹控制，針對上海地鐵某換乘通道工況，采用數值計算的方法，分析不同間歇凍結方案情況下指定控制點的位移及溫度情況，最終提出一種適合于該工況的間歇凍結方案，并建立凍脹量與溫度指數、空間關系之間的函數關系。

2 工程概況

上海軌道交通某車站建筑過程中需與既有線路間設置換乘通道，受限于區域內存在的豎向排污工作井，計劃建設兩座平行換乘通道，通道寬度分別為9.4 m及5.9 m，長度均為6.8 m。該工程凍脹控制要求主要源于結構上方的22×104kV電力箱涵(混凝土結構)。根據要求，該箱涵變形不得大于2 cm。由于箱涵內部線纜預留變形較小，箱涵產權單位要求溫度不宜發生較大變化。因此，限定箱涵底部溫度變動幅度不得高于10 ℃。

原計劃對該區域采用MJS工法進行加固后再開挖，但由于電力箱涵為楊浦區主要輸電線路，搬遷成本較高，且無法采用原位懸吊保護。因此，擬采用水平凍結法對土體進行加固后，采取暗挖法進行換乘通道施工，從而避免電力箱涵的搬遷。

根據換乘通道的結構設計，計劃采用矩形凍結管布置形式，圍繞開挖構筑區域形成有效的封閉凍結壁。凍結過程中，需對箱涵下部凍結壁進行精確的凍脹控制。

3 凍脹控制方案選擇

目前可行的凍脹方案主要有三類，分別為泄壓控制、加熱控制、間歇凍結控制。其中泄壓控制以及加熱控制均需要在凍結壁上部施作一排管孔(見圖2)，如施工鉆孔則需占用已運營車站上部空間。受運營車站進站廳區域空間限制，難以布置鉆機，前兩種方案不可行。

圖2 凍結法加固換乘通道設計(單位：mm)

有研究表明，反復的凍融循環將會使土體在凍結施工結束后形成較大的沉降變形。因此，采用解凍孔方案雖然可以有效破壞凍結鋒面的穩定性，減小分凝凍脹，但是同時會造成后期融沉控制困難。

經過比較，最終選擇了間歇凍結的方法進行凍脹控制，該方法也是最適用于淺埋聯絡通道、出入口、換乘通道類型工程的解決方案。該方法無需增大鉆孔工作量，可有效減少對隧道管片、既有結構的破壞，占用空間小(無需占用結構開挖工作面)，是小空間施工的最優方案。

4 幾何模型

建立20 m×20 m二維熱-固耦合模型，設置一排凍結管，間距按常規設計布置取0.8 m，凍結管上部0.3 m位置為啟動間歇凍結標識點(當凍結壁向外擴展超過0.3 m時啟動間歇凍結)，凍結管上部1.9 m位置為溫度控制點A，要求該點溫度不低于0 ℃，且位移不大于0.1 m，如圖3所示。采用四邊形為主網格，網格類型為CPE4R。設定積極凍結時間為40 d，土體初始溫度取18 ℃，土體物理參數根據以往類似研究數據選取[14-16]，見表1。建模時本工程尚未實施，計算中鹽水溫度按市政凍結中常見溫度變化情況設置(采用邊界荷載方式設置在凍結管周圍)，模型外邊界設置為熱絕緣狀態。

圖3 計算模型簡圖(單位：m)

溫度/℃密度/(kg·m-3)彈性模量/Pa泊松比導熱系數/(W/m2·K)比熱/(J/kg·K)-1018401.9e80.252.221022-218331.05e80.282.101080-113202e70.321.5413301013643.92e60.341.441453

5 凍脹控制方案及計算結果

為了選擇合適的凍脹控制方案，本次計算中共設置四組凍結方案，并將正常降溫凍結方案作為對比組進行研究，各間歇凍結組凍結方案參數如表2所示。

表2 凍結方案參數

5.1 正常凍結方案(對比組)

參考以往類似工程降溫曲線，簡化降溫曲線為5 d降溫至-22 ℃，10 d降溫至-28 ℃，積極凍結期為40 d，進行數值計算并記錄控制點A溫度、豎向位移情況以及凍結管上部0.3 m處溫度變化情況(如圖4所示)。根據數據分析可知，積極凍結第5.45 d凍結壁向外擴展至0.3 m。因此，后期方案均采用積極凍結6 d開始進行凍脹控制。計算數據顯示，最終控制點A的溫度為0.6 ℃，溫度變化為17.4 ℃、位移為11.9 cm。可見，其變化超出了控制指標，凍結壁約厚3.3 m，其中凍結管上部厚1.5 m，下部厚1.8 m。

圖4 對比組各點溫度、位移曲線

5.2 間歇凍結方案一(Ⅰ組)

根據對比組數據，選擇正常凍結至6 d開始間歇凍結，間歇凍結溫度變化區間為-28～-5 ℃，時間間隔為3 d，積極凍結為40 d，并記錄控制點A位移、溫度相關數據(如圖5所示)。根據數據分析可知，控制點A最大位移為5.7 cm，溫度6.7 ℃，最大變化幅度為11.3 ℃。凍結壁厚2.4 m，其中凍結管上部厚1.1 m，下部厚1.3 m。

圖5 第Ⅰ組各點溫度、位移曲線

5.3 間歇凍結方案二(Ⅱ組)

根據Ⅰ組計算數據，控制指標有所改善，但尚未達到要求，修訂方案溫度變化區間為-28～-5 ℃，時間間隔為1 d，積極凍結為40 d，并記錄控制點A位移、溫度相關數據(如圖6所示)。根據數據分析可知，控制點A最大位移為5.2 cm，溫度6.7 ℃，最大變化幅度為11.3 ℃。凍結壁厚2.4 m，其中凍結管上部厚1.2 m，下部厚1.2 m。

圖6 第Ⅱ組各點溫度、位移曲線

5.4 間歇凍結方案三(Ⅲ組)

圖7 第Ⅲ組各點溫度、位移曲線

根據第Ⅰ、Ⅱ組對比可以發現，縮小間歇凍結時間間隔對于凍脹及溫度控制效果并不顯著，其原因主要是累計向土體內輸送的總冷量基本保持一致，最終在相同時間段內土體溫度場基本一致。為驗證這一觀點，控制溫度變化區間不變，將時間間隔延長至5 d，并記錄控制點A位移、溫度相關數據(如圖7所示)。根據數據分析可知，控制點A最大位移為6.38 cm，溫度6.7 ℃，最大變化幅度為11.3 ℃。凍結壁厚2.4 m，其中凍結管上部厚1.25 m，下部厚1.15 m。

根據前三組方案對比可以發現，凍脹及凍結壁的擴展與傳輸入土體的總冷量呈正相關關系。

5.5 間歇凍結方案四(Ⅳ組)

為了實現對控制點A的溫度、位移控制，調整間歇凍結方案為：溫度變化區間為-15～-5 ℃，間歇凍結時間間隔為3 d，積極凍結為40 d，并記錄控制點A位移、溫度相關數據(如圖8所示)。根據數據分析可知，控制點A最大位移為1.54 cm，溫度9.63 ℃，最大變化幅度為8.37 ℃。凍結壁厚1.4 m，其中凍結管上部厚0.67 m，下部厚0.73 m。滿足了控制目標。

圖8 第Ⅳ組各點溫度、位移曲線

為了更直觀地對比計算結果，繪制各組計算數據的溫度、位移云圖(如圖9所示)，可以看出，第四組凍脹量與凍結壁厚度控制最為有效，其凍結壁厚度也滿足設計要求。因此，第四組間歇凍結方案為最優選擇。

5.6 方案選擇及凍脹計算公式

綜上所述，方案四是最為有效的施工方案，3 d的時間間隔便于施工操作，高低溫循環幅度較小，利于施工調整。對于單排凍結孔的凍脹控制，該種設計方案的實際操作較為理想。

為使間歇凍結具有更廣泛的適用性，利用上述計算結果，并增補溫度變化區間為-18～-8 ℃、-25～-15 ℃、-28～-15 ℃的計算數據，根據土體的凍脹量與土體內輸入的總冷量呈正相關關系的性質，推導出積極凍結期間歇凍結40 d凍脹量計算公式

(1)

α=0.032×h2-0.31×h+1.41

(2)

h——計算點至凍結管軸面距離/m；

α——凍脹修訂系數；

ε——計算點豎向凍脹位移/cm。

公式適用條件如下：

參照各地區相關規范與設計圖紙，凍結管間距選擇為0.8 m。

適用于距離凍結管1.0～4.0 m范圍內的近距離凍脹預測。

適用于與本工程地層物理參數相同或相近情況下的凍脹量計算，對于參數相差過大的地層，只可用作定性分析。

分組Ⅰ組Ⅱ組Ⅲ組Ⅳ組圖例位移場/cm溫度場/℃

圖9不同凍結方案位移場及溫度場

為了驗證公式的有效性，重新選擇凍結溫度變化區間為-16～-8 ℃，時間間隔為3 d的凍結方案，進行40 d積極凍結期不同位置凍脹公式計算值與仿真計算值之間的對比，結果如表3所示。

表3 不同深度凍脹對比

6 間歇凍結的操作方案

根據方案四所規劃溫度方案，將上部間歇凍結區域凍結管單獨進行循環，在凍結工作面集配液圈引出一組分路，進入工作面小型鹽水箱，再利用管道循環泵對鹽水進行間歇凍結區域分組循環(圖10中紅色部分)，從而實現上部凍結管獨立變溫、其余區域保持正常凍結的效果。在小型鹽水箱內安裝溫度檢測裝置及自動加熱裝置，將鹽水溫差控制在±3 ℃內。如圖10所示。

圖10 間歇凍結工作面示意

7 結論

(1)采用間歇凍結方案可以有效控制淺埋凍結工程的溫度、凍脹情況，從而實現對于臨近凍結壁區域的管線凍脹控制。針對換乘通道工況制定了溫度變化區間為-5～-15 ℃，間歇凍結循環間隔為3 d的間歇凍結方案，在保證凍結施工質量的前提下，可將凍脹量控制在1.54 cm以內，為對比組結果的13%。

(2)間歇凍結的循環間隔對于凍脹變形的影響較小，可以忽略。加大或減小時間間隔，控制點A的最大凍脹量和溫度區間有微小變化，變化幅度約為7%～12%。

(3)積極凍結過程中，傳入土體的總冷量是土體發生凍脹的主要因素。選擇不同的溫度變化區間計算其溫度指數。對比計算結果發現，隨著溫度指數模的增大(傳入土體冷量的增多)，相同點的位移發生了明顯的變化。

(4)建立了淺埋人工凍結法間歇凍結凍脹量計算公式，認為在確定地層參數及凍結管間距的情況下，凍脹量與計算點與凍結管軸面的距離、溫度指數有關。該公式對于與本工程土體熱物理參數類似工程中的凍脹量預估有一定參考意義。