南寧地鐵東濱區間聯絡通道凍結法加固施工監測分析研究

黃磊 劉文博 吳雨薇 陳璐 胡俊

摘?要：結合南寧地鐵三號線東濱區間聯絡通道人工凍結加固工程，對鹽水去回路溫度及土體溫度場分布發展規律進行研究，分析在這一區域范圍內進行隧道開挖采用的加固方法，重點介紹采用人工地層凍結技術進行加固時土體的溫度場發展變化規律。研究表明：采用人工地層加固法對聯絡通道周圍土體進行加固時，施工現場鹽水去回路溫度可以達到設計要求。在鹽水降溫初期土體的溫度下降速度較快，由于土體潛熱的影響，0 ℃附近降溫過程會經歷一個平臺期，此后土體的降溫速率再次增大，但仍小于初期土體的降溫速率。最終計算出凍結過程的需冷量，可為今后類似工程提供重要參考依據。

關鍵詞：聯絡通道;南寧地鐵;人工凍結;加固方式;鹽水降溫

中圖分類號：U231.3文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）06-0077-09

Monitoring and Analysis of Freezing Reinforcement of Dongbin Section

Communication Channel of Nanning Metro

HUANG Lei1， LIU Wenbo2， WU Yuwei2， CHEN Lu2， HU Jun2*

（1.Yankuang Xinlu Construction and Development Co. LTD， Zoucheng 273500;

2.School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou 570228）

Abstract：Combined with the artificial freezing and reinforcement project of the Dongbin section communication channel of the Nanning Metro Line No. 3， the development law of the brine de-circulation temperature and the temperature distribution of the soil is studied， and the reinforcement method used for tunnel excavation in this area is analyzed. The development and change law of temperature field of soil during reinforcement by artificial ground freezing technology is introduced. The research shows that when the soil around the communication channel is strengthened by the artificial stratum reinforcement method， the brine de-circulation temperature at the construction site can meet the design requirements. In the initial stage of brine cooling， the temperature of the soil decreases rapidly. Due to the latent heat of the soil， the temperature reduction process near 0 °C will go through a plateau period. After that， the cooling rate of the soil increases again， but it is still smaller than the cooling rate of the initial soil. Finally， the required cooling capacity of the freezing process is calculated， which can provide an important reference for similar projects in the future.

Keywords：Communication channel; Nanning subway; artificial freezing; reinforcement method; salt water cooling

0?引言

隨著城市化規模的不斷擴大，保證都市人正常出行需求、節約城市用地及能源并有效避免對地面構筑物的干擾是城市發展過程中的必要環節[1-2]。因此，地鐵作為可以利用廣袤的地下空間進行公共交通的建設是現代城市發展的必然趨勢和重要手段。聯絡通道在修建過程中需要同時注意主隧道的穩定性及自身的結構和地面構筑物的安全，是地鐵建設的關鍵工程。我國南部由于地理環境影響，土體力學性能較差，同時由于這些區域處于富水環境，修建工程項目的難度較大[3-4]。

國內許多學者結合具體的工程實例，總結出一些有意義的經驗。岳豐田[5]等對隧道聯絡通道施工中水平人工凍結法進行系統研究，采用數值方法對溫度和應力應變進行分析，將計算結果與現場實測的數值進行比較，確定了理論模型的正確性。丁智[6]等以凍結溫度和凍融周期為控制變量，通過SEM觀察了凍融土加載前、后的微觀結構，定性描述了凍融土經歷動三軸加載后的微觀結構和孔隙結構，揭示了在循環荷載作用下，土體孔隙結構的變化趨勢以及破壞規律和特征。吳繁[7]等以軟土隧道聯絡通道凍結法工程為背景，對解凍溫度場、深層土體溫度變化規律等進行了實測，并對跟蹤注漿時機及順序、注漿工藝及材料進行了優化，最終得到使聯絡通道周邊及頂部土層受融沉影響程度降低的優化方案。張松[8]通過討論目前我國人工地層凍結法的施工現況，得到了凍結管排布形式、凍結管內鹽水流量以及凍結管之間的間距對凍結效果的影響，其結果為選擇更為合適的凍結施工方案提供了參考。吳賢國[9]等基于ANSYS模擬了武漢地鐵6號聯絡通道在地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況下，隧道受凍脹變形對圍巖的影響，考察了在這一過程中產生的應力值，同時提出為減少凍脹變形對隧道影響所需要采取的措施。胡俊[10]等對南京地鐵2號線及10號線采用人工凍結方法保證工程進度的情況進行了說明，并通過有限元軟件模擬了凍結40 d的溫度場發展情況，分析了不同土體材料下，降溫效果的區別。數值計算結果表明凍結溫度達到設計要求，從而保證了施工進度。丁航[11]等利用ANSYS有限元軟件對鄭州軌道交通1號線某區間內聯絡通道三維溫度場進行數值分析。對比數值計算結果與實測值，可以看到兩者差異性不明顯，從而驗證了三維數值計算的可行性。

由圖6可知，凍結前7 d鹽水溫度變化劇烈，降溫極快，而7 d后溫度變化較緩。凍結前20 d，鹽水去回路溫度差約為3 ℃左右，而到20 d以后，鹽水去回路溫度差逐漸減小至1 ℃左右，說明土體與凍結管之間熱負荷載降低減小，凍土帷幕形成良好。

5.2?測溫孔溫度

凍結管的布設如圖4及圖5所示，在聯絡通道的左右兩端均設置測溫管，測溫管上0.5、1.25、2 m處各設置一處測溫點，用于監測溫度發展變化情況，其中，測溫管布設特征見表3。

觀察實測得到的溫度數值如圖7所示。在C1測溫管上，凍結開始后240 h時，0.5、1.25、2 m處測溫點上的溫度變化相差較小，降溫速度較快。240～840 h持續降溫，但溫度下降逐漸減緩，840 h后溫度趨于平穩，幾乎不再變化。在3處測溫點溫度均降至0 ℃后，0.5 m處測溫點溫度恒定高于1.25 m處測溫點溫度約5 ℃，1.25 m處測溫點溫度比2 m處溫度高約1 ℃。C2測溫管上3處測溫點溫度變化規律較為一致，各測溫點處溫度相差較小。其降溫規律與C1測溫管相似，均在凍結初期降溫較快，進入維護凍結時期時，其降溫速度減慢，但仍保持降溫趨勢，在進入凍結后期時，溫度稍有回升，但基本保持不變。C3、C4、C5測溫管的溫度變化規律與C1、C2相似，但在3處測溫點溫度均降至0 ℃后，0.5 m處測溫點的溫度變化與1.25 m處的溫度變化相差較大，C3、C4 、C5測溫管的溫度相差分別維持在約10、10、20 ℃。1.25 m和2 m處的溫度差異性較小，C3、C4、C5測溫管的溫度相差分別維持在1、2、5 ℃。C6測溫管上的溫度變化規律與C1-C5比有較大的不同，這一測溫路徑上，0.5、1.25、2 m處的溫差均約穩定在5 ℃，且凍結過程中，3處測溫點的降溫速率未見明顯變化。分析這一現象產生的原因，是由于0.5 m的埋深較淺，更容易受到外邊界的影響而導致溫度發展規律與深層土層出現較大的差異性。因此，在對土體中的測溫點進行分析時，采用埋深較深的測溫點進行對比分析，有利于避免因為邊界效應產生的誤差。觀察不同路徑上2 m處的測溫點在積極凍結40 d后，土體凍結后溫度均穩定在約-25 ℃。

在凍結開始前240 h內，凍結管內凍結液的溫度快速下降，各測溫點處的土體溫度也在這一時間段內急劇下降。其中C1至C6測溫管上各點在這一事件段上的溫度變化相近，并未出現明顯的區別。240 h后，凍結管內溫度降至-30 ℃，凍結過程轉為維護凍結，此時凍結管內凍結液溫度不再下降，但各土體溫度持續下降，降幅變緩，不同測溫管凍結開始約720 h后，土體溫度趨于穩定并維持在最終凍結溫度。這一觀測結果與前人得到的觀測規律十分接近，說明了這一數據的可靠性。

6?結束語

（1）加固區域為富水區域，進行聯絡通道施工時，采用人工地層凍結技術加固周圍土體。

（2）現場實測數據表明，維護凍結期鹽水回路溫度需低于-25 ℃，鹽水去回路溫差小于3 ℃，能滿足設計要求。

（3）加固需冷量為66.94 kw/m，實際施工中聯絡通道冷凍機房均選用JYSLGF300III冷凍機機組（標況制冷量8.75×104 Kcal/h ）2臺，其中1臺備用，可以滿足施工需要。

（4）在鹽水降溫初期土體的溫度下降速度較快，降至0 ℃左右時，由于相變潛熱的影響，土體溫度發展變化呈現出一個平臺期，在維系約48 h后，土體的降溫速率再次增大，但仍小于初期土體的降溫速率。

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