凍結(jié)法在大直徑越江盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用

吳元昊，孫旻，李忻軼

（1 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

人工地層凍結(jié)法(以下簡(jiǎn)稱為“凍結(jié)法”)，是利用人工制冷技術(shù)在一定范圍內(nèi)將地層溫度逐步降至冰點(diǎn)以下，使天然巖土體變?yōu)槿斯鐾玲∧?，從而抵抗地層壓力并且隔絕與地下水聯(lián)系的一種特殊土木工程施工技術(shù)[1-3]。目前凍結(jié)法已廣泛用于地鐵隧道[4]、聯(lián)絡(luò)通道[5]、近接穿越[6]等城市地下工程中，成為城市地下工程不可或缺的土體預(yù)加固和預(yù)支護(hù)技術(shù)。然而，凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道的施工大多是應(yīng)用于直徑在6m 左右的地鐵盾構(gòu)隧道，而對(duì)于直徑在14m 以上的大直徑盾構(gòu)隧道中采用凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的案例和經(jīng)驗(yàn)較少，尤其是對(duì)于越江隧道需要穿越江底富水軟土層，其聯(lián)絡(luò)通道的施工難度大，對(duì)凍結(jié)封水加固要求高。因此，本文開展大直徑越江盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)研究，并對(duì)凍結(jié)效果進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果可為后續(xù)類似工程提供參考。

1 工程概況

某盾構(gòu)法越江隧道長約6.5km，外徑15m，管片厚度650mm，凈直徑約14m。其中，1#聯(lián)絡(luò)通道長約15.6m，圓筒形結(jié)構(gòu)，凈直徑2740mm，喇叭口處凈直徑3340mm。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通道襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)為型鋼支架加噴射混凝土。襯砌層厚度300mm，初期支護(hù)層厚度250mm。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)凍土帷幕剖面圖

聯(lián)絡(luò)通道位于江底，所處地層主要為粉質(zhì)粘土層，水力聯(lián)系較為復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)很大。采用水平凍結(jié)法對(duì)地層進(jìn)行加固，礦山法暗挖的總體施工方案。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固和暗挖構(gòu)筑施工的工序流程參見圖2。

圖2 凍結(jié)加固和暗挖構(gòu)筑施工流程

2 地層凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

2.1 凍土加固設(shè)計(jì)參數(shù)

凍土帷幕形狀如圖1 所示，呈圓柱狀包裹聯(lián)絡(luò)通道。凍結(jié)孔一共38 個(gè)，沿與通道軸線平行方向布置，全部為近水平凍結(jié)孔(垂直傾角1.8°)，內(nèi)外雙圈對(duì)打。內(nèi)圈凍結(jié)孔布置14 個(gè)，圈徑5200m；外圈凍結(jié)孔布置24 個(gè)凍結(jié)孔，其中4 個(gè)為對(duì)穿孔，圈徑7800mm。

表1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 凍結(jié)需冷量計(jì)算

取冷量損耗系數(shù)為1.3，則凍結(jié)需冷量Q 的計(jì)算公式為[7]：

式中：H 為凍結(jié)長度，包括凍結(jié)管長度和冷排管長度；d 為管徑，對(duì)于凍結(jié)管和冷排管分別取0.108m 和0.045m；K 為管壁散熱系數(shù)，在200～310 之間，根據(jù)該工程所在地特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)取300 kcal/m2·h。

將上述參數(shù)帶入公式得凍結(jié)最大需冷量Q 為119.2kW(10.25×104kcal/h)。凍結(jié)站實(shí)際凍結(jié)需冷量計(jì)算考慮30%的損耗率。

3 凍結(jié)施工關(guān)鍵工藝

3.1 凍結(jié)孔施工

在管片上二次開孔施工工藝參見圖3，其技術(shù)要求如下：

圖3 管片開孔及凍結(jié)孔施工示意圖

1）管片上固定開孔鉆機(jī)（膨脹螺栓），確定鉆進(jìn)方位（水平尺和精密地質(zhì)羅盤）；

2）混凝土管片上第一次開孔取芯，取芯深度為250mm；

3）采用外纏麻絲的魚鱗扣安裝孔口管，孔口管插入管片深度范圍220～250mm；

4）在混凝土管片孔口管周圍安裝3 個(gè)膨脹螺栓，用Φ12mm鋼筋焊接孔口管與膨脹螺栓。鋼管片上的孔口管用12mm 厚鋼板與格倉肋板焊接；

5）在孔口管上連接控制閥門，然后另外選取較小芯取芯鉆頭，在孔口管內(nèi)鉆透隧道管片；

6）鉆進(jìn)完成后退出鉆機(jī)并將控制閥門關(guān)閉。

開管片時(shí)如果遇到孔口管與管片混凝土之間滲水，可注聚氨脂封堵（針眼法）。

3.2 積極凍結(jié)與開挖判定

1）積極凍結(jié)

根據(jù)實(shí)際情況在聯(lián)絡(luò)通道的一側(cè)隧道內(nèi)安裝凍結(jié)站，安裝冷凍機(jī)組、鹽水箱（帶鹽水泵）、清水箱（帶清水泵）、配套冷卻塔及相關(guān)控制柜等。然后連接各管路并在打壓實(shí)驗(yàn)合格后進(jìn)行保溫，對(duì)整個(gè)凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

調(diào)試完成后，開始凍結(jié)。要點(diǎn)如下：

（1）首先檢查并確認(rèn)電路系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)是否正常，確認(rèn)無誤后開冷凍機(jī)。應(yīng)先讓冷凍機(jī)空轉(zhuǎn)1～3h并仔細(xì)觀察，空轉(zhuǎn)正常則再向冷凍機(jī)注入制冷劑，開機(jī)制冷；

（2）系統(tǒng)機(jī)組試運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)運(yùn)行要求逐步調(diào)節(jié)電機(jī)負(fù)載、運(yùn)行壓力、蒸發(fā)溫度等各控制參數(shù)，保證機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)滿足有關(guān)設(shè)備規(guī)程和要求；

（3）試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后可開啟積極凍結(jié)。運(yùn)行期間需要調(diào)節(jié)冷凍機(jī)參數(shù)，調(diào)整主要依據(jù)為冷卻水溫差和鹽水溫度，以使冷凍機(jī)保持在較高的制冷效率下工作；

（4）凍結(jié)正式開啟后應(yīng)定期檢查凍結(jié)器連接管路接頭部位的結(jié)霜情況，同時(shí)監(jiān)測(cè)各支管鹽水去回路溫差；

（5）積極凍結(jié)期間應(yīng)每日監(jiān)測(cè)測(cè)溫孔溫度和泄壓孔壓力，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析凍結(jié)壁的形成和發(fā)展情況，觀察分析凍結(jié)壁是否交圈、計(jì)算凍結(jié)壁平均溫度和凍結(jié)壁厚度等；

（6）每天檢測(cè)凍脹變形（隧道管片收斂）情況，必要時(shí)采取應(yīng)控制取措施；

（7）凍結(jié)期間系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)應(yīng)每隔2h 檢查紀(jì)錄一次，相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)異常立即上報(bào)。

2）開挖判定

積極凍結(jié)結(jié)束標(biāo)志凍結(jié)加固完成，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。在暗挖施工前應(yīng)進(jìn)行開挖條件判定，開挖判定關(guān)系整個(gè)工程安全性，判定時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

（1）積極凍結(jié)時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求，鹽水溫度滿足設(shè)計(jì)給出的最低溫度；

（2）凍結(jié)壁厚度和平均溫度（根據(jù)測(cè)溫孔實(shí)際測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算）滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)檢測(cè)確認(rèn)凍土與管片交界面處的凍結(jié)溫度和厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

（3）開挖時(shí)泄壓孔監(jiān)測(cè)壓力上漲天數(shù)應(yīng)超過7 天，且上漲后的壓力應(yīng)比初始測(cè)量的孔隙水壓高出0.15MPa 以上。滿足要求后打開泄壓孔，無連續(xù)泥、水流出則符合要求；

（4）在開挖側(cè)隧道凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)布置探孔，探孔孔徑約100mm。探孔位置選在孔間距較大處或凍結(jié)有異常處。探孔檢查應(yīng)為地層穩(wěn)定，無連續(xù)泥、水流出。如果發(fā)現(xiàn)有凍結(jié)異常部位，應(yīng)補(bǔ)打探孔檢查；

（5）確認(rèn)備用凍結(jié)機(jī)組狀況良好，能夠隨時(shí)投入使用。檢查應(yīng)急物資是否準(zhǔn)備齊全：水泥、水玻璃、聚氨酯、沙袋、注漿泵；

（6）相關(guān)專項(xiàng)施工方案及開挖報(bào)告已經(jīng)過專家審核并履行審批手續(xù)。

4 凍結(jié)效果模擬分析

本節(jié)應(yīng)用大型通用有限元軟件建立起聯(lián)絡(luò)通道二維有限元熱分析模型，考慮相變、地溫等因素，模擬積極凍結(jié)期間聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕溫度場(chǎng)的變化特征，對(duì)凍結(jié)實(shí)際效果進(jìn)行分析。

4.1 模型建立

采用ANSYS 熱分析模塊該問題進(jìn)行模擬，選取聯(lián)絡(luò)通道有代表性的中間位置和喇叭口位置截面，建立模型。以中間截面為例，模型具體尺寸見圖4，橫截面方向取1 倍凍結(jié)區(qū)域?yàn)槟Ｐ屯膺吔鏪9]。

圖4 有限元模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)該工程勘察資料，給出數(shù)值模擬中所用參數(shù)如表2 所示。土體開始凍結(jié)溫度TL ＝0℃，土體完全凍結(jié)溫度為TS＝-2.1℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度，初始低溫取20℃。

表2 土體熱物性參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果

圖5 是中間截面積極凍結(jié)5 天、15 天、35 天和43 天的凍土帷幕溫度場(chǎng)分布云圖?？梢钥闯觯S著積極凍結(jié)的開展，首先在各凍結(jié)管周圍形成凍土柱，而后凍土柱半徑慢慢擴(kuò)大，相鄰凍凍土柱發(fā)生交圈，逐漸形成封閉的凍土帷幕。凍土厚度不斷在增加，凍結(jié)區(qū)域的平均溫度逐漸降低。喇叭口截面溫度規(guī)律與中間截面相同。

圖5 中間截面積極凍結(jié)期溫度云圖

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果整理出最小凍土厚度和凍土帷幕平均溫度隨時(shí)間變化情況（表3），由表3 可知：中間截面凍土發(fā)展更快，但平均溫度相對(duì)高一些；而喇叭口處的凍土由于收到主隧道熱擾動(dòng)影響，凍土發(fā)展稍慢?？傮w來說，積極凍結(jié)43 天后，凍土帷幕凍的厚度在3.2m 以上，平均溫度在-15℃以下，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 凍土厚度和平均溫度隨時(shí)間變化表

5 小結(jié)

本文對(duì)經(jīng)驗(yàn)較少的大直徑盾構(gòu)隧道中采用凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的問題進(jìn)行了研究，指出凍結(jié)施工的關(guān)鍵在于凍結(jié)孔的施工以及開挖條件的判定。數(shù)值模擬表明：對(duì)于江底富水軟土層進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固，喇叭口與中間截面處凍土發(fā)展規(guī)律大致相同，隨凍結(jié)過程的進(jìn)行，凍土厚度不斷增加，平均溫度逐漸降低，中間截面凍土發(fā)展稍快于喇叭口處；積極凍結(jié)43 天后，凍土帷幕總厚度達(dá)3.2m 以上，平均溫度降至-15℃以下，取得了良好凍結(jié)效果，說明凍結(jié)工法對(duì)于大直徑越江盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道同樣具有良好的適應(yīng)性。隨著國內(nèi)軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，凍結(jié)法施工將有著廣泛的應(yīng)用前景，如何在保證凍結(jié)效果的前提下縮短積極凍結(jié)周期是今后研究的方向。