行业要闻

 

摘 要 依托于苏州地铁二号线火车站东风井 2﹟洞门盾构始发水平冻结加固工程，通过实时监测杯型冻土壁温度场，分析了不同阶段的盐水温度规律，以及在不同深度、不同土质和不同冻结区域的土体温度发展特征；并计算了不同土质冻土壁厚度、交圈时间和发展速度。 监测结果分析表明，在整个冻结期间，任意时间都是板块体加固区测温孔温度低于圆柱体加固区测温孔温度；同一测温孔中，冻结前期水平入土越深温度越高，冻结后期水平入土越深温度越低；在相同冻结能量和冻结时间内，水泥土加固粉砂土比粉质粘土温度要低；水泥土加固粉质粘土释放潜热的天数是水泥土加固粉砂土的 2 倍；在冻结效果方面，包括冻土壁交圈时间、冻结壁厚度、冻结壁平均发展速度、冻结壁平均温度，水泥土加固粉砂土比水泥土加固粉质粘土更好。

关键词 水平冻结 水泥土加固 盾构始发 温度

 

      盾构进出洞在地铁隧道的建造过程中是风险较大的环节之一， 其风险主要来源于破除洞门临时维护结构后， 一旦土体的自立性较差就可能引起洞门土体坍塌， 特别是在含水量丰富的砂层中更会引起洞门向盾构井内涌水和涌砂， 危及地面周围建筑物安全。 冻结法作为一种形式灵活、适应性强、施工无污染、对环境影响小的土体加固方法，在盾构进出洞施工中具有广阔的发展前景^[1~6]。 水平冻结法其冻结孔沿水平方向环形布置，形成杯型冻土壁。杯型冻土壁温度场的形成非常复杂， 而杯型冻土壁的平均温度、有效厚度是盾构进出洞的关键参数^[7]。 因此，研究其温度场的发展规律和特征具有重要现实意义。冻结法施工带来的主要问题是土体的冻胀融沉。 关于如何控制人工冻土的冻胀和融沉量, 国内学者对其展开了一系列的研究^[8~9],其中用水泥土进行预加固后再冻结， 可大大降低冻结法引起的冻胀和融沉量，其温度场发展也有所不同。

      本文依托苏州地铁二号线火车站东风井盾构进出洞 2^﹟洞门水平冻结加固工程, 对其预先水泥土加固的端头土体水平冻结冻土壁温度场发展规律进行全过程实测。 根据实测数据,分析了不同深度、不同土质和不同冻结区域土体温度的发展规律, 以及不同土质冻结壁厚度、 冻土壁交圈时间和发展速度的特征，为类似工程提供借鉴。

 

      苏州地铁二号线火车站东风井盾构进出洞 2^﹟洞门盾构进洞范围内主要分布土层:

      上部为粉砂层 （④-3）。 粉砂层为微承压含水层， 透水性及赋水性为中等—较好， 渗透系数 K=1.75E-3 cm/s，影响半径约 40 m，为透水土层。 该含水层的补给来源主要为潜水和地表水。

      下部为粉质粘土层 （④-5）。 粉质粘土层呈灰色，软塑，局部为流塑状。 冻结加固区的土体预先采用单排 Ф800@600 双管旋喷桩和三轴Ф850@600 搅拌桩进行了水泥土加固。

      本工程的加固施工区地面上为已建成国铁设备用房，不具备施工降水井条件；同时，隧道结构外边线距沪宁高铁轨道约 17 m，距雨棚承台柱边线约为1.5 m，若采用地面降水辅助盾构进出洞 ，隧道中线两侧各 20 m 范围内的沉降约为 20~30 mm，无法满足高铁运营的安全。 为了确保盾构进出洞安全，选定洞内水平冻结法进行加固。

      针对本工程特点,计划冻结时间为 40 d，积极冻结期间盐水温度为-28℃～-30℃。洞门槽壁破除前应满足以下要求：

      （1） 盐水去回路温差≤1.5℃。

      （2） 外圈冻土帷幕平均厚度≥1.2 m，内圈板块厚度≥2.0 m。

      （3） 槽壁与冻土结合面处通过探孔显示温度≤0℃。

      （4） 外圈冻土帷幕平均温度≤-10℃。

      根据冻结帷幕设计， 冻结孔按水平角度布置，冻结孔数 53 个。 圆柱体冻结孔沿开洞口Ф7.5 m 圆形布置； 外圈孔开孔间距为 0.758 m (弧长)， 冻结孔数 31个，长度为 10.0 m；板块冻结孔沿开洞口 Ф5.1 m、Ф2.7m 圆形布置。 其中，中圈孔开孔间距为 1.135 m(弧长)，冻结孔数为 14 个；内圈孔开孔间距为 1.172 m (弧长)，冻结孔数为 7 个；开洞口中心布设 1 个冻结孔，冻结孔长度均为 2.8 m。 冻结孔布置如图 1、图 2 所示。

      冻土温度场是一个随冻结时间变化的含有相变的非线性过程。 为了保证冻土帷幕的安全和有效,必须实时掌握相关的各种参数。 实时监控包括冻结加固范围内温度场、冻结孔去回路温度、槽壁与冻土壁接合面温度的变化,及时反馈施工信息，保证施工安全。 冻结过程中温度监测不仅可以掌握冻土的扩展速度、冻土墙厚度、冻土平均温度、冻土开挖面温度,且为确定盾构进出洞提供重要依据^[10]。

      在盐水管路和冷却水循环管路上设置阀门和温度测点,每 3~5 个冻结管串联为一组,每组串联回路设一个测温点。

      在水平冻结加固区共布置 12 个测温孔。 其中中圈与内圈设 8 个测温孔（C5～C12），深度为 2.5 m(每孔设 4 个测温点)，用于冻土墙杯底的温度监测；外圈上部 2 个测温孔（C1、C4）孔深为 3.5 m(设 5 个测温点)，下部 2 个测温孔（C2、C3）孔深为 6.3 m(设 7 个测温点),用于冻土墙杯体的温度监测。 测温孔的具体布置情况如图 2 所示,水平测温点沿测温孔分布如图 3 所示。

      本端头冻结加固工程自 2010 年 10 月 26 日开始开机冻结，至 12 月 27 日冻结停止，整个冻结加固工程历时 63 d。 其中，破除槽壁 6 d，拔管 1 d，拔管时冻结管内循环热盐水为 65℃～75℃。 12 月 21 日正式始发，盾构刀盘全部驶出冻结板块厚度，并顺利完成始发，共用时 5 d。

      干管盐水温度及盐水温差是综合反映冷媒吸热量及冻结效果的重要指标。 图 4 是开机冻结直至拔除内圈冻结管共 63 d 以来的干管去路和回路的盐水温度随冻结时间变化曲线。

      开机冻结 8 d 后干管的盐水去路温度为-24.3℃，回路温度为-22.0℃，去回路温差为 2.3℃。 此时因为地温仍然较高，冷盐水吸热量较大，导致了在这几天内回路盐水温差较高并略有回升； 此后随着冻结时间的延长，盐水温差持续减小；到冻结第 12 d 时，盐水去路温度下降到-28.3℃，达到设计温度。 从冻结14 d 开始, 干管去路温度平均维持在-30℃左右，积极冻结期（48 d）盐水去回路平均温差为 1.23℃,维护冻结期（15 d）盐水去回路平均温差为 0.53℃。 由此说明，冻结开始时热交换量大,以后逐渐减少,进入维护冻结后,热交换达到稳定。

      根据测温孔测温数据对处于不同深度、 不同冻结区域和不同土质土体的冻结效果进行评价, 本次实测研究从大量的监测数据中, 抽取了部分有代表性的测点降温过程进行了分析。

      （1） 不同深度土体温度变化分析

      选取板块内测温孔 C11 的降温情况进行分析，获得了不同深度土体温度随时间的变化规律， 如图5 所示。

      由图 5 可知，整个冻结过程可以分为四个阶段。

      第一阶段（7 d）：土体温度由 16.5℃～2.0℃，平均每天下降 1.3℃～1.7℃。 由于地热，水平入土越深温度越高，但各个测点的最高温差仅有 1.5℃。

      第二阶段（10 d）：土体温度由 2.0℃～-2.0℃，这一阶段是土体释放潜热的过程，温度下降较缓慢，平均每天下降 0.1℃～0.3℃（不同土质，潜热释放时间不同）。 不同深度的测点温度基本一致。

      第三阶段（16 d）：潜热释放完毕，冻结管周围土体与冻结管进行剧烈的热量交换， 冻结圆柱半径迅速发展， 冻结壁厚度及温度接近设计值。 土体温度从-2.0℃开始迅速下降，平均一天下降 1.2℃～1.5℃。不同深度的温度逐渐出现差别（最大温差为 8.5℃），水平入土越深温度越低。 出现这一现象的原因是较浅的土体与槽壁进行热量交换， 使得较浅土体温度损失。

      第四阶段：随着冻结壁厚度的增大，未冻土体与冻结管之间的热量交换路径增大， 冻结孔内温度下降速度变缓，各测点土体温度下降速度明显减慢，平均每天下降 0.1℃～0.2℃。 再往后冻结壁厚度已经远超过测温孔所在位置， 各个测点的温度变化线会趋向平缓，最终温度呈现距槽壁越远温度越低。

      （2） 不同冻结加固区温度变化分析

      选取布置于相同土质、 不同冻结加固区中的测温孔，对相同深度的降温情况进行分析,获得了不同冻结加固区温度变化规律。 其中：C1，C11 两者都离冻结管 50 cm， 都在相同的粉砂层中， C1 处于圆柱体加固区且在外圈冻结管外测，C11 处于板块体加固区。 图 6、图 7 为 C1、C11 测温孔中槽壁与土体接合面处、 距离槽壁 1.6 m 处测点温度随时间变化曲线。

      由图 6、图 7 可知，在整个积极冻结期,任意时刻板块体加固区测温孔温度均低于圆柱体加固区测温孔温度。 造成这一现象的主要原因是冻结开始后,圆柱体区外圈冻结孔由于与加固区外围土体相接触,二者之间温差较大, 外圈冻结孔冻结能量不断向外侧土体和内侧土体流失, 能量损失较板块区要多得多， 故板块体加固区测温孔温度低于圆柱体加固区测温孔温度。 槽壁与土体接合面处温度冻结前期比距离槽壁 1.6 m 处温度低，冻结后期较高。 造成这一现象的原因是冻结前期地热使得距槽壁距离越深温度越高。 冻结后期槽壁与土体接合面处与空气热量交换，而水平入土越深，温度损失越少，表现出后期温度越低。 因此，建议洞门处应布设保温层，以减少槽壁与土体接合面处热量损失， 确保界面处温度满足要求。

      选取布置于相同冻结加固区、 不同土质中测温孔在相同深度的降温情况进行分析, 获得了不同土质温度的变化规律。 C1、C2 两者都离冻结管 50 cm，都处于圆柱体加固区， 其中 C1 处于④-3 粉砂层为微承压含水层，渗透系数 K=1.75E-3 cm/s，影响半径约 40 m；C2 处于④-5 粉质粘土层，软塑，局部为流塑。图 8、图 9 为 C1、C2 测温孔中槽壁与土体接合面处、距槽壁 3.0 m 处测点温度随时间变化曲线。

      由图 8、图 9 可知，虽然土质不同,但是降温过程仍然具有一定的相似性。初始测得相同深度、不同土层的原始地温比较接近， 但是当降温曲线趋于稳定后，结果均为冻结粉砂水泥土层土体温度较低、冻结粉质粘土水泥土中温度较高。 造成这一现象的原因是粉砂的含水率比粉质粘土的含水率低， 相比粉砂而言，粉质粘土中的结合水较多，所以粉质粘土较难冻结；再者粘土比砂土的比热高，继而粉质粘土冻结到最后温度比粉砂高。 所以在相同的冻结能量和冻结时间内， 水泥土加固后的粉砂比粉质粘土温度要低。 温度从 2℃～-2℃这段时间为释放潜热的过程，由于粉砂土的潜热比粉质粘土的潜热小， 所以潜热释放过程水泥土加固后比粉砂土层需要天数较短（只有 7 d），而粉质粘土层需要 14 d。 体现在降温曲线上为纵轴 2℃～-2℃这段曲线，C2 是 C1 的 2 倍长。

      冻土壁的温度发展分圈内和圈外两种情况。 圈内测孔内测点温度降低至结冰温度, 即可判定此区域内冻土壁交圈。 由于外圈的测温孔离冻结管的距离为 0.5 m，大于 0.379 m（外圈孔开孔间距为 0.758m），所以圈外测孔内测点温度降低至结冰温度,也可保守判定此区域内冻土壁交圈。根据测温孔的温度，计算得板块加固区交圈时间为 11 d，其发展速度为45.45 mm/d； 在洞门上部粉砂层中圆柱体加固区交圈时间为 18 d，其发展速度为 27.78 mm/d；在洞门下部粉质粘土层中圆柱体加固区交圈时间为 22 d，其发展速度为 22.73 mm/d。

      冻结 40 d 后, 杯底板块平均厚度为 2.8 m（中圈、内圈冻结管长度为 2.8 m）。 通过测温孔附近的冻结管，按照最不利原则计算冻土圆柱半径，绘制部分冻土圆柱的交圈示意图， 得出冻土壁杯体的平均厚度为 2.13 m， 其中在洞门上部粉砂水泥土层中冻土壁杯体厚度为 2.76 m； 在洞门下部粉质粘土水泥土层中冻土壁杯体厚度达到了 1.86 m。 根据成冰公式计算，冻结壁杯体的平均温度为-12.2℃，其中在洞门上部粉砂层中冻土壁杯体的平均温度为-13.9℃， 在下部粉质粘土层中冻土壁杯体的平均温度为-10.9℃。

      综上数据可以得出: 板块加固区的交圈时间和发展速度都优于圆柱体加固区; 在冻结效果方面，包括冻土壁交圈时间、冻结壁杯体厚度、冻结壁平均发展速度、冻结壁杯体平均温度，均为水泥土加固粉砂土都比水泥土加固粉质粘土更好。 冻结壁杯体的平均温度为-12.2℃，能够确保在盾构机开挖过程中不出现化冻，建议要切实采取防冻措施,防止盾构机刀盘和盾壳被抱住。

      冻结 40 d 后，冻结壁杯底厚度、冻结壁杯体厚度、 冻结壁杯体平均温度均满足盾构进出洞设计要求， 并且在盾构进出洞的过程中没有出现任何异常情况，水平冻结法取得了成功。