超長聯絡通道凍結溫度場發展特性研究

陳軍浩，劉桐宇，張潮潮，陳冠任，蔡益平

(1.地下工程福建省高校重點實驗室，福建 福州350108；2.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州350108；3.東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌330013)

人工地層凍結法是利用人工制冷技術臨時改變巖土性質以增加土體強度及穩定性、隔絕與地下水的聯系，形成完整性好、強度高、不透水的凍結壁，以便在凍結壁保護下進行施工的特殊工法[1-5]。該工法早期主要應用于礦井建設，目前已廣泛地應用到深基坑、隧道、基坑、盾構進出洞、地鐵聯絡通道以及緊急搶險修復等市政工程中[6-10]。隨著成功經驗的積累和凍結工法、鉆孔工藝的精進，凍結施工規模不斷擴大，如港珠澳大橋珠海連接線的拱北隧道工程采用管幕技術結合凍結法進行超前預支護和止水處理，凍結長度達255 m，凍結斷面面積達413.1 m2。但國內在采用凍結法修建地鐵隧道長距離聯絡通道方面實踐相對欠缺[11-15]。福州地鐵2 號線紫陽站～五里亭站區間聯絡通道線間距長65.8 m，是全國現有最長的聯絡通道。此前，國內最長的聯絡通道為蘭州地鐵1 號線文化宮站～西關什字站區間聯絡通道，全長43.69 m，采用礦山法開挖。采用凍結法修建的長距離聯絡通道為數不多，具有代表性的有南昌地鐵1 號線艾溪湖東站～太子殿站區間聯絡通道，全長35.1 m；南寧軌道交通1 號線白蒼嶺站～火車站區間聯絡通道，長32.3 m。可見，關于長地鐵聯絡通道的建設尚缺乏實測資料和系統研究，且不同地區、不同地層工程差異性較大，特別是福州濱海地層，其土層含水率往往較髙，透水性較強，承載力較低，土質松軟等特性與其他地區有很大差異。為此以福州地鐵2 號線紫陽站～五里亭站區間聯絡通道為工程背景展開了對凍結過程的實測與分析，旨在通過實測研究得到超長聯絡通道凍結溫度場變化規律，為今后凍結法在類似工程的應用提供可靠依據。

1 工程概況

福州地鐵2 號線紫陽站～五里亭站區間聯絡通道是目前國內最長的聯絡通道，聯絡通道線間距為65.8 m，覆土層厚度約14.7 m。聯絡通道位于福州市晉安區福馬路五里亭立交西側，所處地層呈二元結構，上部以淤泥質粉細砂土層為主，下部以淤泥夾砂土層為主，存在廣泛的液化砂層和軟土層，土體穩定性差、透水性強；且隧道貫穿五里亭立交橋墩基礎，聯絡通道中心線距臨近樁基最近處僅有6.4 m。由于該區域地表交通繁忙、建筑密集、地質條件差。根據聯絡通道的水文地質條件，為保證凍結聯絡通道施工安全，決定采用“通道外圍水平凍結加固土體，內部礦山法暗挖構筑”的施工方案，通過凍結通道外圍土層中的水，形成具有一定強度和完整的凍結壁結構起到承載和封水作用，使得施工人員能在其下安全地進行通道的掘砌施工。

2 凍結加固及監測方案

2.1 凍結孔位設計

常規聯絡通道凍結設計普遍采用單側凍結模式，但該工程為超長距離聯絡通道，若仍然采用傳統的從單側隧道打凍結孔至對面隧道管片處的凍結法，將會存在諸多問題：

1)由于聯絡通道距離過長，鉆孔難度大，精度可控性差，極容易造成偏斜，難以滿足設計要求，且增大了工程所需冷量。

2)為了達到設計凍結壁的厚度，若采用單側凍結，單側開挖面需要布置密集的凍結管和安置眾多的凍結機組，而地鐵隧道空間條件有限，這將造成空間擁擠從而造成施工困難。

經方案比選決定采用雙側隧道安置凍結機組對土體進行凍結的方案。依據以往工程經驗及規范要求，為保證聯絡通道及泵房凍結壁的均勻性和完整性，凍結孔按上仰、水平、下俯3 種角度布置，拱頂及喇叭口處凍結效果較差區域采用雙排孔布置方式。從左右線隧道分別鉆設83 個和82 個凍結孔，共175 個凍結孔，單側單孔最長達34.8 m，凍結孔成孔間距1.3 m，最大允許偏差為250 mm。

考慮到工程為超長聯絡通道，為防止因凍結管偏斜造成聯絡通道中間部位凍結壁厚度不足，導致凍結柱不交圈的情況，致使發生涌水、涌砂、坍塌等安全事故，需要在在聯絡通道中部位置設置凍結管交叉區域，在無類似工程經驗的前提下綜合分析工程地質條件、凍結管偏斜等不良因素，確定長度為6 m 的凍結管交叉區域，以保證凍結壁的整體性和安全性。

2.2 測溫孔位設計

該聯絡通道主要介于2 類土層之中，上部為淤泥質粉細砂土層，含水量為47.6%，下部為淤泥夾砂土層，含水量為66.4%。為及時掌握土體溫度變化，在左右線開挖面分別布置13 個測溫孔，孔內由淺入深均勻安置若干個測溫點。以右線開挖面為例，J1～J4 和J12 測溫孔位于淤泥質粉細砂土層，其中J1 和J2 測溫孔位于拱肩凍結管外側，孔深29.7 m，布置11 個測點；J3 和J4 測溫孔位于拱肩凍結管內側，孔深2 m，布置3 個測點；J12 位于左墻凍結管內側，孔深30.4 m，布置11 個測點。J5～J11和J13 測溫孔位于淤泥夾砂土層中，其中J5 和J6測溫孔位于拱腳凍結管外側，孔深30.7 m，布置11個測點；J7 和J8 測溫孔位于拱腳測溫管內側，孔深2 m，布置3 個測點；J13 位于右墻凍結管內側，孔深30.4 m，布置11 個測點；J9，J10 和J11 為泵房凍結區測溫孔。右線聯絡通道開挖面具體的凍結孔與測溫孔孔位如圖2所示。

圖1 聯絡通道孔位布置剖面圖Fig.1 Profile of hole position of connected aisle

圖2 右線測溫孔布置圖Fig.2 Right line thermometer hole layout

2.3 其他凍結參數設計

施工主要凍結設計參數表詳見表1。

表1 聯絡通道凍結主要設計參數Table 1 Main freezing design parameters of connected aisle

凍結站需冷量經計算為39.633×104Kcal/h，故凍結機房選用JYSLGF300Ⅲ冷凍機機組8 臺，其中4 臺備用；若鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，則需延長積極凍結時間。

3 現場監測結果分析

3.1 凍結溫度場分布規律

在聯絡通道凍結過程中，為了獲得同一界面上凍結壁溫度發展及分布規律，取右線隧道測溫孔進行分析。

通過對現場溫度監測數據進行整理，從以下4個方面總結出土體溫度變化具有如下特點：

3.1.1 土體凍結溫度變化規律

監測期間，各測溫孔測點溫度變化趨勢大致相同，以拱肩位置的J3 測溫孔數據為例，如圖3所示，根據曲線變化規律將在積極凍結期間土體的溫度變化分為3 個階段：

第1 階段，由于鹽水與土層溫差大，土體溫度下降速度較快，降溫速度達到1.37 ℃/d；但隨著溫度降低，當土體溫度接近0 ℃時，由于受到相變潛熱的影響，凍結速度減慢，土體降溫速度減小為0.68 ℃/d；

第2 階段，土體溫度低于0 ℃后，土體中水結成冰潛熱釋放過程基本完成，土體溫度下降速度加快到0.90 ℃/d；

第3 階段，該階段土體與鹽水熱交換達到基本平衡，測點溫度變化趨于平緩，土體溫度日差小于0.5 ℃，這說明土體溫度逐漸穩定，凍結壁緩慢發展，現場凍結工作由積極凍結轉為維護凍結。

圖3 J3 測溫孔不同測點溫度變化曲線Fig.3 Temperature change curve of J3 temperature hole at different measuring points

3.1.2 管片處土體溫度變化規律

如圖4所示，凍結初期，靠近管片處土體先吸收鹽水冷量，溫度下降略快于深部土體；但在隨著凍結過程的繼續，靠近管片處土體溫度持續受到管片與空氣的對流換熱影響，導致靠近管片處土體降溫速度減慢，靠近管片處土體溫度漸漸高于深部土體。因此為保證靠近管片附近土體的凍結效果，建議施工時要加強靠近管片處土體的保溫隔熱措施。

圖4 不同深度土體溫度變化曲線Fig.4 Soil temperature curves at different depths

3.1.3 凍結交叉區域土體溫度變化特點

從測試結果可以發現，凍結17 d 起各測溫孔在最深處測點凍結降溫速度顯著加快，這是由于這些測點位于凍結管交叉區域，在隧道右線凍結17 d 之后隧道左線開機凍結，使得該區域土體獲得冷量增加，加快了凍結壁發展，從圖5左線隧道C5 測點溫度變化曲線可以更清晰地看出，位于凍結管交叉區域的測點在左線隧道開始凍結后深處測點溫度下降速度比其它區域的測點溫度下降速度平均快0.4 ℃/d，這是受到右線凍結管的影響，加快了該區域土體的凍結速度，說明該凍結設計方案有效加強了聯絡通道中部土體的凍結效果。

圖5 C5 測溫孔不同測點溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of C5 temperature hole at different measuring points

3.1.4 不同土層凍結性能分析

土體凍結效率與土的組成、含水率、密度等有關。該聯絡通道處于淤泥質粉細砂土層和淤泥夾砂土層中，對比淤泥質粉細砂土層中的J1 測溫孔與淤泥夾砂土層中的J5 測溫孔溫度數據如圖6所示，上部淤泥質粉細砂土層溫度降至0 ℃需要16 d，平均降溫速度達1.46 ℃/d，下部淤泥夾砂土層溫度降至0 ℃需要23 d，平均降溫速度為1.08 ℃/d，說明淤泥質粉細砂土層傳熱能力強于淤泥夾砂土層；當土體與鹽水熱交換逐漸達到基本平衡時，淤泥夾砂土層測點平均溫度為-15.05 ℃，淤泥質粉細砂土層測點平均溫度為-12.61 ℃，能夠看出淤泥夾砂土層凍結效果好于淤泥質粉細砂土層，這是因為該地區淤泥夾砂土層的含水量(66.4%)大于淤泥質粉細砂土層的含水量(47.6%)。

圖6 J1 測點與J5 測點溫度變化曲線Fig.6 Temperature change curve of J1＆J5 temperature hole

3.2 凍結壁厚度與平均溫度分析

3.2.1 凍結壁厚度

通過對現場實測數據推算凍結壁厚度，取淤泥質粉細砂土層中的J1～J4 和J12 測溫孔和淤泥夾砂土層中的J5～J11 和J13 共10 個測溫孔進行分析，獲得了各測溫孔凍結壁發展速度如表2所示。

表2 凍結壁發展速度Table 2 Freezing wall development rate

l為測溫孔與最近凍結孔的間距；T0為各測溫孔測點溫度降至0 ℃的時間，v為測溫孔周圍凍結壁發展速率。

不同土層溫度發展速度是不一樣的，根據設計積極凍結期為50 d，經計算凍結50 d 時凍結壁最薄處位于右側拱腳位置，厚度為2.15 m，滿足設計要求凍結壁厚度2 m。

3.2.2 凍結壁平均溫度

計算得出凍結50 d 時各測溫孔位置附近的凍結壁平均溫度，結果詳見表3。

其中toc為以零度邊界線計算的凍結壁平均溫度，tc為凍結壁有效厚度的平均溫度。當凍結50 d時，經計算可得凍結壁有效厚度的平均溫度達-14.18 ℃，根據標準及以往經驗凍土平均溫度在-10 ℃時達到具備開挖條件，故該凍結方案滿足凍結壁平均溫度設計要求。

表3 凍結50 d 凍結壁平均溫度Table 3 Average freezing wall temperature for 50 days

4 凍結溫度場數值模擬

聯絡通道凍結是典型的非線性瞬態問題，這類問題往往需要估算和控制巖土的溫度場，分析和計算凍土壁厚度是否滿足施工要求。下面運用ANSYS17.0 有限元軟件對福州地鐵二號線紫陽站～五里亭站區間聯絡通道進行工程熱分析。

由于中部凍結交叉區域的設置，聯絡通道中部凍結壁已不是整體的薄弱位置，關鍵位置應為位于凍結交叉區域前的單側凍結管遠端，該區域凍結管分布稀疏，獲得冷量最少，且離凍結交叉區域遠不受其影響。故選取圖1中1-1 截面進行模擬，本次模擬先建立有限元模型，進行瞬態熱分析，再對凍結溫度場的發展情況進行探究。

4.1 模型建立

土體凍結溫度場的發展規律與土體的密度、導熱系數、比熱容、焓等熱力學參數有關，也與施工單位的鹽水降溫過程有關。

4.1.1 定義單元類型及材料屬性

將凍結溫度場簡化為平面二維模型，選用Quad4 node55 單元。隧道處于淤泥質粉細砂土層與淤泥夾砂土層交界處，各土層主要熱力學參數見表4，參數取自《福州市軌道交通2 號線工程紫陽站～五里亭站區間詳細勘察階段巖土工程勘察報告》。

其中ρ為土體密度；ω為土體含水量；λu為土體未凍結時的導熱系數；λf為土體凍結后的導熱系數；Cu為土體未凍結時的比熱容；Cf為土體凍結后的比熱容。

表4 各土層主要熱力學參數Table 4 Main thermodynamic parameters of each soil layer

4.1.2 建立數值模型并劃分網格

首先，根據工程經驗結合工程實際，取研究結構凍結壁的4 倍寬度作為模型的邊界尺寸，建立一個25 m×25 m 的土體模型，并考慮凍結孔的偏斜，確定所選截面凍結孔的實際開孔位置，在土層中創建32 根Φ108×8 mm 凍結孔模型，然后運用布爾運算形成整體模型，土層自上而下分布為：淤泥質粉細砂土層12.1 m、淤泥夾砂土層12.9 m。對模型進行網格劃分，為了提高計算精度，根據凍結區域和土層交界處網格密集劃分，遠端土體疏散劃分的原則，對模型進行網格劃分。

4.1.3 施加荷載

根據當地氣象資料和地溫測試成果數據，設置土層初始溫度為24 ℃，凍結管鹽水溫度如下表5鹽水溫度所示施加在凍結管邊界區上。

表5 鹽水溫度Table 5 Temperature of salt water

4.2 計算結果及分析

運行ANSYS 瞬態熱分析計算，得到不同凍結時間溫度分布云圖，并根據凍結法專項勘察報告，該土層的起始凍結溫度為-1.8 ℃，繪制土體凍結輪廓圖如圖7所示。

圖7 不同時期聯絡通道溫度場云圖Fig.7 Temperature field sketches of contact channels in different periods

1)根據數值模擬土體凍結變化過程可知，凍結開始時靠近凍結管周圍土體最先降溫，且距離凍結管越近，土體降溫速度越快、溫度越低，逐漸形成環形凍結柱；隨后凍結柱直徑不斷擴大，形成一個完整的凍結壁，并根據數值模擬所得的溫度分布云圖，可見凍結柱在25 d 交圈，滿足凍結方案設計的交圈時間，也與實際監測溫度推算的交圈時間相符合。

2)從模型中取對應實際測溫孔位置點的溫度與現場測溫孔實測值進行對比，取J12 測點為例如圖8所示，J12 測點數值模擬的溫度變化情況與現場實測所得的溫度變化情況基本一致，二者溫差基本控制在2 ℃以下。

3)根據模擬結果，凍結60 d 時位于淤泥夾砂土層中側墻凍結壁最薄且已達1.59 m，至26.5 m 處開挖時已凍結120 d，此時凍結壁厚度最小處已達2.77 m，滿足凍結壁厚度2 m 的設計與施工要求。

4)從模型的凍結壁輪廓線圖，可以看出該淤泥質粉細砂土層的凍結壁平均厚度大于淤泥夾砂復合土層的凍結壁平均厚度，該數值模擬結果與前文“上部的淤泥質粉細砂土層凍結速度快于下部的淤泥夾砂土層”推論相符合。

圖8 J12 測點模擬溫度與實測溫度變化曲線Fig.8 Curve of simulated temperature and measured temperature at J12 measuring point

5 結論

1)根據現場溫度監測數據將凍結溫度場發展過程劃分為3 個階段：第1 階段，由于鹽水與土層溫差大，降溫速度平均為1.37 ℃/d；第2 階段，土體溫度降至0 ℃以下，降溫速度再次加快至0.90 ℃/d；第3 階段，土體與鹽水熱交換達到基本平衡，降溫速度小于0.5 ℃/d，積極凍結期結束。

2)凍結過程中，靠近隧道管片的土體與空氣存在對流換熱，會對周圍土體的凍結降溫產生不利影響，因此建議施工時應加強對土體與管片交界處的保溫隔熱。

3)淤泥質粉細砂土層與淤泥夾砂土層的凍結特性有區別，淤泥質粉細砂土層降至0 ℃的平均降溫速度為1.46 ℃/d，快于淤泥夾砂土層降至0 ℃的平均降溫速度1.08 ℃/d，但是淤泥夾砂土的凍結效果好于淤泥質粉細砂土。

4)結合工程對該聯絡通道進行ANSYS 有限元數值模擬，形成土體溫度隨時間變化的凍結過程，得出凍結交圈時間為25 d，至開挖時凍結壁最小厚度已達2.77 m，滿足設計與施工要求。

5)對于超長聯絡通道，采用常規的單側打孔會造成遠端凍結管間距太大，凍結管交圈時間推遲，凍結壁太薄等問題。通過對凍結壁厚度、凍結壁平均溫度等關鍵參量的綜合考慮，對超長聯絡通道雙側凍結溫度場發展和分布規律進行了探究，證明雙側凍結效果滿足設計要求，且中部凍結管交叉區域設計有效加強了通道中部凍結壁的凍結效果。