凍結管斷裂的施工處理技術研究★

范 雨 盛國田 周澤陵 王 俊

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330； 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

作為一種常用的地基加固處理方法，人工凍結技術在地下工程施工中應用十分廣泛，常應用于礦井井筒建設、地鐵聯絡通道、盾構進出洞端頭加固、地鐵事故修復、地下特殊工程等施工中。凍結施工過程中的冷媒介質多采用低溫CaCl2溶液，通過在凍結管內流動而將熱量從地層中帶出。凍結法施工過程中，尤其是凍結管穿越多層復合地層時，常會發生凍結管斷裂事故，凍結管的斷裂會造成其內部循環的低溫鹽水漏失，一方面會對凍結壁造成破壞，影響施工的安全，嚴重時還會造成土層中的水進入施工工作面，使凍結施工失敗。另一方面，鹽水的漏失會導致易溶鹽進入土層內部，使得土體的起始凍結溫度降低，會延長后續凍結時間，甚至造成凍土無法形成，導致凍土施工失敗，造成不可挽回的影響與損失。如何有效地預防凍結管的斷裂以及凍結管發生斷管后如何進行處理，是長期困擾凍結法施工的技術難題。

1 凍結管斷裂的原因分析

凍結管斷裂一般發生在積極凍結階段或者是施工掘砌階段，凍結管斷裂的原因可從凍結管自身與外部因素兩個角度進行分析。

1.1 凍結管自身方面

凍結管自身引起凍結管發生斷裂現象的原因主要包括自身材質與接頭兩個方面。自身材質主要是由于管材的低溫脆化，即便對于低碳鋼，根據相關試驗與實際工程應用經驗，低碳鋼隨著溫度的降低，其韌性逐漸減弱，脆性逐漸增強，當溫度低于-20 ℃，這種表現尤為明顯，所以當受到較大外力時，脆性較強的管材易造成凍結管斷裂。

施工中凍結管通常由多根短管通過不同連接方式連接起來，而接頭處就是凍結管中的薄弱部位。凍結管的接頭形式有螺紋和焊接兩種方式，螺紋連接方式受到螺紋加工的影響，減薄了凍結管的厚度，同時焊接也會降低連接處的強度，使接頭強度低于管材強度，所以在外力作用下，凍結管接頭處就易于發生斷裂現象。

1.2 外部施工因素

凍結法施工過程中，外部因素對凍結管的作用力主要體現在以下三個方面：

1)凍結管受低溫影響發生冷縮，與周圍凍土體之間產生相對位移，從而使得周圍凍土體對其外壁產生摩擦力；

2)凍結管的側向彎曲變形；

3)凍結管外部受土體的側向壓力，內壁受鹽水的內壓力。

在以上影響外部因素中，凍結管受到的摩擦力影響最大，在凍結管的斷裂中起主要作用；而彎曲變形雖然較摩擦力小，但側向變形的增加會影響到凍結管的穩定性；內、外壓力近似成均勻分布，在凍結管斷裂中的影響最小。

所以，引發凍結管斷裂主要原因，從內因上說是凍結管材質的低溫脆化與接頭連接處的強度降低，而外因是凍結管周圍土體對凍結管壁的摩擦力和側向彎曲應力作用。

2 凍結管斷裂的判斷及處理方法

凍結施工過程中，應采取防止凍結管斷裂的措施，確保凍結施工安全順利進行。如何判斷凍結管是否發生斷裂現象，進而指導凍結法的安全施工，是一項技術難題。總體來說，判斷凍結管是否發生斷裂的技術手段主要有理論應力分析、物理相似模擬試驗、數字信號監測與工程現場觀測等。

2.1 理論應力分析

經來旺等通過對凍結施工過程中凍結管的受力狀況進行分析，指出凍結管上各點的應力狀態為三向應力狀態，依據經典力學的基本理論，對凍結管進行了受力分析，獲得的結論包括：1)凍結管在低溫冷縮過程中受到土體較大的摩擦力，沿凍結管軸線，應力近似按拋物線規律變化，且存在中性層。在中性層以上部分，摩擦力方向向上，應力逐漸增大；而在中性層以下部分，摩擦力向下，應力迅速減小；在中性層面上，應力達到最大。2)對于彎曲應力，可將凍結管視作下端固定的半無限長梁，指出彎曲應力很小，一般不會使凍結管發生斷裂。3)對于內外壓力，軸對稱情況下，可近似按照長厚壁圓筒進行彈性力學計算，三向應力σr,σθ,σz沿凍結管軸線均呈線性規律變化，且數值不大，故對凍結管的斷裂影響不大。在此基礎上，建立了凍結管的強度準則，找出了凍結管斷裂可能性最大的理論位置，在施工中重點對可疑位置加強監測，通過監測數據來判斷凍結管的完整性。

2.2 相似模擬試驗

崔廣心等依據相似理論，設計進行了試驗室模擬試驗，對積極凍結階段及掘砌施工階段中凍結管的受力與各個影響因素之間的關系進行了研究，對凍結管斷裂的機理進行定量分析，指出無論在積極凍結階段還是施工掘砌階段，在砂層與粘土層的交界處，凍結管都會產生較大的應力，在實際施工中，在復合地層的交接面上，是凍結管容易斷裂的位置，應采取針對性的措施，加強地層交界面位置的凍結管強度，同時在該位置設置觀測點，測試凍結管的受力和變形，從而判斷施工過程中凍結管的完整性。

2.3 數字信號監測

張維廉等研究了凍結管斷裂信號特征及其在凍結管內傳播規律，認為凍結管斷裂一般發生在粘土層與其他地層的交接處，且多在凍結管的接頭處。凍結管斷裂時會發出強大的震動聲音，根據測震原理，即利用凍結管斷裂時發出的震動來報警，使其在斷管的瞬時發出報警，提示凍結管出現斷裂現象。在施工中可以在凍結管端部布置數字信號監測系統，及時發現凍結管出現斷裂現象，為盡快采取針對性的處理措施提供基礎。

2.4 工程現場觀測

在工程現場施工過程中，一些輔助信息也可以對凍結管是否發生斷裂進行判斷，如鹽水去回路流量差、壓力差、凍土電導率的變化、凍結管上壓力的改變、鹽水箱內鹽水的減少、施工現場工作面的觀察等。這些信息一旦發現異常，則說明凍結管可能出現斷裂現象，需要做進一步的判斷，并采取針對性的措施。然而，自凍結管開始發生斷裂至這些參數顯現變化，存在一定的時間差，并不能做到瞬時報警，這些都會對及時采取針對性的措施產生影響。

2.5 凍結管斷裂后的處理方法

凍結管斷裂指的是母體管發生裂隙，導致鹽水從裂隙中泄漏，給凍結法施工產生不利影響。當監測到凍結管發生斷裂后，處理技術應包括：

1)立即關閉鹽水干管，停止鹽水循環，減少低溫鹽水進入地層，若已開始掘砌，應立即停止施工，啟動應急預案；

2)找出斷管，關閉斷管的鹽水循壞；

3)盡快清理出已泄漏的鹽水，防止其對凍結壁的進一步破壞，削弱凍結壁的強度；

4)分析斷管原因，判斷是否有其他凍結管存在斷裂現象，并采取針對性措施；

5)對已經發生斷裂的凍結管采取下套管的措施，即在母體管下放一根封底、直徑略小的凍結管，重新構成新的凍結器；

6)處理完畢后，盡快使斷管恢復凍結，以保證凍結法施工的順利進行。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某地鐵區間聯絡通道處隧道中心間距為12.550 m，地面標高為+6.84 m，隧道中心標高上下行線分別為-10.208 m，-10.236 m。聯絡通道施工采用水平凍結加固土體、礦山暗挖法施工，穿越粘土層、淤泥質粘土層、粉質粘土層、殘積礫質粘土層等地層。

聯絡通道凍結站于2016年9月5日正式開始凍結，11月9日，現場值班人員發現D12凍結孔從凍結管與孔口管之間孔隙中向外流鹽水，判斷凍結管可能出現斷裂，即停止凍結，對全部凍結管進行打壓處理，發現D11，D12，D24三根凍結管出現斷裂滲漏鹽水。

3.2 斷管原因分析

出現凍結管斷裂現象的主要原因體現在以下幾個方面：

1)地質條件復雜。

從施工過程中發現的斷管來看，D11,D12凍結孔位于粉質粘土和殘積礫質粘土兩種地層中，D24凍結孔位于粉質粘土、殘積礫質粘土、殘積礫質粘土三種地層中。在凍結過程中，不同地層中土體凍結速度不同，凍結孔在不同地層中交圈先后、凍結帷幕形成的先后也不同，因此在凍結過程中，同一個凍結孔在不同地層中，受到的凍脹力影響的先后時間也不同，即在凍結過程中，同一個凍結孔處于不同地層中受凍結脹力的影響，將會發生一定程度的變形。

2)管材低溫脆化。

施工中鹽水的降溫速度過快，低溫使凍結管的管材出現低溫脆化現象，而降溫速度過快也限制了管材溫度應力的及時釋放，從而使凍結管的強度降低，影響了凍結管的強度。

3)殘積礫質粘土地層的影響。

殘積礫質粘土層中的凍結孔施工過程中，遇到一定數量、大小不一的礫石，導致在造孔過程中，部分凍結孔受礫石的影響，發生了一定程度的變形。當變形的凍結管在低溫下受到不均勻凍脹力影響后，應力的疊加效果使凍結管很容易斷裂。

3.3 施工處理措施

發現凍結管斷裂滲漏鹽水后，立即關閉凍結孔，并在斷裂的凍結管內下套管處理。套管的下放施工包括凍結管內套管安裝、套管打壓試漏、供液管下放等工作。

為了防止斷裂凍結管內的鹽水漏入地層，影響已形成的凍結帷幕，施工現場采用以下措施：

1)采用空壓機排出進入凍土里的鹽水；

2)為了防止凍結管與套管之間的環形空間影響熱傳導，在凍結管內安裝完套管后，在凍結管與套管之間用高壓泵注入水，增強凍結管與套管之間環形空間的導熱系數；

3)加強對管片的保溫處理，減少凍結范圍的能量損失；

4)增大鹽水流量，降低鹽水溫度，提高凍結系統的凍結效率，保證凍結效果。

3.4 效果與影響

加完套管后，凍結站于2016年11月30日正式運行，積極凍結進行45 d后，至2017年1月14日，采用測溫數據計算、有限元數值模擬與打設探孔三種分析方法，對凍結帷幕進行分析，認為凍結設計滿足設計要求，具備開挖條件，進行了后續開挖施工和結構構筑施工，至2017年2月10日完成了聯絡通道結構的全部施工。從開挖后的凍結壁封水效果和凍結壁的變形來看，形成的凍結壁質量滿足設計要求，所以說凍結管發生斷裂后，在凍結管內下套管進行處理，是一項非常有效地補救凍結管斷裂的處理方法，但會在一定程度上延長施工工期，增加施工成本。

4 結語

通過對凍結管斷裂原因及處理方法的研究，主要獲得了以下結論：

1)施工中凍結管出現斷裂現象，從內因上說是凍結管材質的低溫脆化與接頭連接處的強度降低，而外因是凍結管穿越復合地層時使凍結管承受不均勻的摩擦力和彎曲應力，所以在凍結管穿越復合地層的施工工程中，應采取措施對凍結管的連接強度予以加強。

2)施工中應對地層條件、凍結管材質等因素進行分析，確定凍結管可能斷裂的位置，并加強監測，及時發現凍結管斷裂及采取針對性的措施進行處理，減少凍結管斷裂對施工的影響和危害。

3)凍結管出現斷裂現象后，采用下套管的方法對其進行補救，在降低鹽水溫度，加大鹽水流量的處理措施下，適當延長凍結時間，可以獲得設計要求質量的凍結帷幕，滿足凍結施工的要求。