富水卵礫石地層聯絡通道凍結設計與試驗研究

張碧文

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

凍結法自19世紀60年代出現后，數十年間被廣泛運用在礦山建設、地下工程建設等領域。目前，凍結法在軟弱、富水地層地鐵聯絡通道應用較為廣泛，但對于卵礫石地層的凍土力學指標和熱物理指標沒有進行過相應的研究，導致目前設計中缺乏卵礫石地層的物理力學指標和熱物理指標，對于凍結設計和凍結壁的發展預測難以準確判別。為此，文章依托南寧地鐵一號線民～清區間2號聯絡通道工程，結合富水卵礫石凍結壁低溫狀態下物理力學特性試驗、聯絡通道凍結設計模型試驗研究結論，以解決富水卵礫石地層聯絡通道的凍結設計方案和施工技術問題。

1 參數試驗

1.1 物理試驗

試驗所選用的卵礫石料取自該聯絡通道的卵礫石層，分別在其4個部位取樣，每次取樣性質不相同，按規范要求測算基本物理性質指標，包括相對密度、塑限液限、級配水平、含水率?？紤]到試驗操作和適用范圍，采用等量替換法通過中型擊實試驗測出卵礫石料的最大干密度。

1.2 強度試驗

聯絡通道凍結法施工過程中，聯絡通道處凍結壁主要受水土壓力及地面荷載的影響，受力狀態以受壓為主；在聯絡通道與地鐵隧道管片相交處的凍結壁，受力狀態以受剪切為主。通過試驗探究卵礫石地層抗壓強度與凍結溫度之間的作用關系，配置不同級配試樣，探究抗壓強度與試樣級配的關系。試樣抗壓強度隨凍結溫度的降低不斷增加，承載能力不斷增強，軸應變隨凍結溫度的降低不斷減??；試樣隨著粒徑的增大三軸抗壓強度提高。

1.3 熱物理試驗

熱參數主要包括卵礫石地層的起始凍結溫度、比熱容、導熱系數。根據試驗，試樣比熱容隨著凍結溫度的降低不斷下降，從1.6J/（g·℃）下降到1.06J/（g·℃）；凍結溫度的改變導致試樣中含冰量與含水率的不同，隨著凍結溫度的降低，卵礫石試樣中含冰量增多，由于冰的導熱系數遠大于水的導熱系數，致使卵礫石試樣導熱系數不斷上升，由1.71W/（m·℃）增加到2.13W/（m·℃）。

2 模型試驗

由于現場取土困難，試驗采用了與現場材料基本物理性質相似的不同材料進行配比試驗，最終得出符合各土層的強度、干密度、熱參數等物理指標的相似材料配合比。試驗依托的2號聯絡通道長14.5m，高5.02m，寬4.5m，確定幾何相似比為1∶20，最終設計模型試驗箱的幾何尺寸為1m×1.225m×2.20m。監測點布置如圖1、圖2所示。

圖1 熱電偶和位移傳感器分布示意圖

圖2 地應力與凍脹力監測點示意圖

2.1 凍結壁溫度場監測結果與分析

此次模型試驗經過800min形成了100mm厚的凍結壁，關閉制冷開關并保持鹽水循環，確保凍結壁的溫度和厚度不變，緊接著開始聯絡通道挖掘。在模型試驗過程中，提取各溫度監測點的溫度數據，其溫度隨凍結時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，不同監測點溫度都隨時間的推移而逐漸變小，各曲線均不存在峰值。通過位于凍結壁相同一側離凍結管不同距離各監測點的溫度變化規律對比，靠近凍結管溫度下降比遠端快，更早到達積極凍結溫度（-10℃），且同一側遠端較近端對比明顯。在積極凍結前期，溫度總體變化基本呈線性下降趨勢，開始凍結時溫度極速下降，隨著溫度的繼續降低，下降速率減小，直至趨于平緩。

圖3 聯絡通道凍結壁各測點溫度隨時間變化圖

2.2 凍結壁位移場監測結果與分析

研究巖土體在凍結過程中的凍脹變形，每過5min使用位移測量系統觀測一次凍脹變形的發育情況。位移隨凍結時間變化的曲線如圖4所示。

圖4 聯絡通道凍結壁各測點位移隨時間變化圖

（1）凍脹階段分布規律。由圖4可知，凍結壁隨凍結時間的變化分為3個階段。第一階段（積極凍結前期），從凍結開始到108min。此階段凍結管周圍富水卵礫石地層溫度隨凍結時間逐漸降低，由于初始溫度較高，大部分孔隙水呈液態，之后凍結圓柱逐漸增加，并開始交圈，但凍結壁尚未形成；第二階段（積極凍結中后期），從凍結108min到180min。此階段凍結交圈形成并持續向外延伸，此時整個通道的凍結壁凍脹力只能向外釋放，所以此階段的位移量明顯增大，且增幅明顯；第三階段（到達積極凍結溫度及之后），凍結180min后。積極凍結期結束，進入開挖階段，隨著開挖進程的推進，凍脹力慢慢釋放，逐漸減小直至平穩，開挖完成。試驗過程中凍結壁位移變化最大的位置位于拱頂，達到0.767mm（實際是15.34mm），反映出土層應力對凍脹力的抑制作用，埋深越淺，凍脹量越大。

（2）開挖階段分布規律。由圖4第三階段可知，各監測點開挖引起的位移變化均表現為初始從凍脹最大位移點反向增大，前期增大幅度小，而后隨凍結時間的延長，上升幅度有所增加，當開挖到監測點的斷面時，埋設在與斷面同一鉛錘平面上的位移傳感器數值會有一個突變。分析可知，在開挖階段初期，由于開挖量小，開挖引起的地層應力釋放量小，導致前期位移增加不明顯，隨著開挖量的增大，地層應力逐漸釋放，逐步抵消了前一階段的凍脹位移，位移開始進入負值。其中，當開挖到設計斷面時，由于地層應力的突然釋放，因此開挖引起的位移產生突變。隨著通道開挖進程的繼續，總體沉降值達到峰值，開挖位移相應達到平衡。由開挖引起的地表位移和凍結壁頂部位移變化曲線如圖5所示。開挖初期，土層出現一個較大的瞬時變形，凍結壁頂部變形達到0.42mm，地表變形達到0.93mm。伴隨著聯絡通道開挖進尺的增大，變形逐漸變大。在模型試驗的開挖過程中，凍結壁的最大變形達到2.34mm，地表最大變形達到1.98mm（圖5所示變形乘以1/5）。

圖5 由開挖引起的地表位移和凍結壁頂部位移變化曲線

（3）融沉位移分布規律。當535mm聯絡通道的挖掘結束后，對通道開挖口進行密封保溫處理，關閉冷凍機組，使凍結壁自然解凍。10min后開始測量土體的融沉位移，這個過程持續3h。測量這個階段的位移時，其初始變形是開挖所導致的最終變形值。融沉位移隨時間變化如圖6所示。巖土體在各地層的融沉位移呈線性增長趨勢，在測量時間范圍內，凍結壁最大融沉位移達到1.64mm，地表最大融沉位移達到1.32mm（圖6所示變形乘以1/5）。

2.3 凍結壁應力場監測結果與分析

圖6 地表融沉位移和凍結壁處融沉位移變化曲線

模型試驗結果同時獲得了位于凍結壁內側凍結管邊緣ZY1、ZY2、ZY3、ZY4四個監測點的凍脹力隨時間的變化分布規律。凍結壁兩側和拱肩部位凍脹力監測圖如圖7所示。

圖7 聯絡通道凍結壁測點凍脹力隨時間變化圖

從監測結果可以看出，總體趨勢大體一致，凍脹力變化均經歷以下4個階段。

（1）凍脹力微增長階段。積極凍結初期，各監測點周圍土體溫度尚處于正溫，凍脹力接近為零，壓力以周圍水土壓力為主，土體在凍結初期未凍水含量居多，只有少部分水在降溫作用下變相成冰，因此凍脹力呈微增長趨勢，部分測點值上下波動。

（2）凍脹力急劇增長階段。距離凍結管最近位置土體溫度迅速降至負溫，當降到土體初始凍結溫度，凍結帷幕開始交圈，凍脹力迅速增大，主要原因是大量的未凍水由液態水迅速轉變為固態冰，故而引起土體體積的急劇膨脹；但土體的變形受到限制，從而引起凍脹力的劇增。

（3）凍脹力平緩增長階段。當溫度隨著時間不斷下降時，凍脹力增長趨勢放緩，平均溫度大約降至-8℃，凍脹力達到峰值，約為35kPa。隨后凍脹力反而有略微下降趨勢，而后趨于穩定，表明在溫度過低時，土體顆粒出現冷縮現象，土體收縮，周圍約束削弱，抑制了凍脹作用。

（4）凍脹力下降階段。積極凍結期結束，進入開挖階段，隨著開挖進程的推進，凍脹力慢慢釋放，呈逐漸減小趨勢，直至趨于平穩，開挖完成。

ZY1、ZY3監測點對應凍結壁兩側，ZY2、ZY4監測點對應凍結壁拱肩部位，由圖7可得，ZY1、ZY3監測點的凍脹力變化曲線位于ZY2、ZY4監測點的上方，但兩者相差不大，經分析認為，這種現象的出現可能是受不同埋深地壓的影響。在開挖階段，當掘進斷面到達相應監測點時，可以發現凍脹力急劇減小，這是由于開挖引起凍脹力突然釋放的緣故。

3 結論

（1）通過試驗，對現場卵礫石試樣的級配特征、強度特性、起始凍結溫度、比熱容、導熱系數充分研究，得到了富水卵礫石條件下各參數與其影響因素之間的變化規律，可供類似工程參考。

（2）依據相關準則完成模型試驗，探究卵礫石地層凍脹、融沉規律，得出凍結壁在各階段的溫度、位移、應力變化規律，可指導類似地層橫通道凍結設計與施工。