微凍結法盾構隧道襯砌管片凍結性能參數試驗研究

丁 飛，張魯魯，曹新剛，李遠榮，汪亦顯

(1.中煤第三建設(集團)有限責任公司，安徽 合肥 230071；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前我國的城市地鐵線路隧道施工主要以明挖回填、盾構法為主。地鐵工程通過富水弱膠結地層或高壓富水斷層時，可采用超前降水及旋噴樁、帷幕注漿加固等輔助措施。但由于施工空間受限、地層巖性差異大、質量難以控制等，不能完全避免突泥涌砂、結構變形等問題，甚至出現反復加固，長期無進尺或負進尺，最終引起了工期延長、風險加大、費用大幅度增加等不利后果。而人工地層凍結法可以彌補以上常規輔助措施的不足，降低在此類地層中進行隧道施工的風險。尤其在地下土壤含水率較大的盾構隧道中破洞時，可能會帶來隧道漏水甚至淹沒以及圍護結構坍塌等危害，而人工地層凍結法是一種規避該類工程風險的有效方法。

1997年煤炭科學研究總院建井的近水平凍結施工技術攻關課題為我國地鐵、隧道和其他市政工程地下開挖提供全新的技術[1]。1998年北京地鐵“復―八”線“大北窯―熱電廠”區間大北窯車站南隧道基于技術與經濟比較，完成了我國首例水平法凍結施工，沿隧道拱頂周圍進行水平鉆孔，水平距離為45 m，拱頂水平凍結壁有效地提高了隧道頂部土體穩定性，證明了水平凍結法是暗挖隧道軟弱含水地層中封水和加固土體的有效方法[2]。上海地鐵2號線建設中有4個聯絡通道采用水平凍結法施工，其中河南路—浦東陸家嘴段處于黃浦江下，拱頂距江底僅7～8 m，是我國第一個河下凍結工程[3]。2003年，潤揚長江大橋錨碇基礎施工采用封水效果好，施工可操作性強的“排樁凍結法”。即利用AGF法技術，把零下28 ℃的鹽水，注入地下，使含水地層凍結，在基坑四周形成厚1.3 m、深40 m的凍結帷幕墻體，很好地解決了地下水滲流問題；同時在凍土內側排列140根嵌入基巖的鉆孔灌注樁作為擋土受力結構，從而在基坑四周形成一個既擋水抗滲又能抵抗水土壓力的堅固圍護屏障。這是國際上將排樁和凍結相結合的施工方法在橋梁工程施工中的首次運用，取得了很好的經濟效果，工程的可靠度也得到了滿足。

2003年，楊平等[4]以南京地鐵一期工程張府園車站南隧道盾構出洞為背景，分析了凍結法在該工程中的凍結設計、施工工藝及對周圍環境影響等問題。2005年，楊太華等[5]以上海市復興東路越江隧道工程盾構的進出洞工程為對象，認為凍結加固可成功解決盾構進出洞段覆土淺、兩條隧道相距近及周圍管線的保護問題。2006年，李為強[6]結合上海地鐵9號線七寶站～外環路站區間隧道工程實踐，分析了液氮垂直凍結在盾構出洞端頭加固中的應用。2006年，英旭等分析了上海地鐵2號線西延伸工程中山公園站盾構進洞施工中水平杯形凍結壁的應用效果，對隧道上方的大型污水箱涵起到較好的保護作用[7]。2007年，韋良文對泥水盾構施工中存在的開挖面穩定性、盾尾拖出管片的土體坍塌及隧道上浮現象以及出洞段土體穩定性進行研究，提出進出洞土體加固方法應視地層條件、工程水文地質條件確定，優先選擇深層攪拌加固，若進出洞段地下水豐富且土性為滲透系數大的砂質地層時應考慮用凍結法加固[8]。2010年，張朝彪等對各種地質條件下盾構進出洞施工技術進行了研究，認為軟土地區的盾構隧道端頭可采用水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁或注漿加固，當受地面環境限制時可采用人工凍結法，而砂層宜采用地層加固+降水的加固方式，全斷面巖石地層則無須加固，特殊地層需采取較為特殊的加固方式[9]。

盾構接收工程中，水平凍結法與垂直凍結法因安全性高、止水加固效果好且對環境友好，得到了廣泛的應用。作為一種改進后的凍結方法，微凍結方法在“杯狀”凍結帷幕“杯口”處形成止水環箍，擁有良好的阻水性能。其但也存在一定的工程風險，如供冷不足或外部熱源可導致凍土帷幕性能退化、地下水含鹽量過大影響凍結效果、地層水流速過快導致凍結效果無法形成且致凍土快速消融等。在微凍結方法中，凍結管片的凍結性能決定了凍結止水箍的止水效果，凍結管片的凍結參數是進行微凍結施工設計的前提，所以有必要進行凍結管片的凍結性能試驗以獲取凍結管片的凍結參數。

1 試驗設備

本試驗在天津地鐵10號線一期工程沙柳南路站盾構接收端施工現場開展，試驗設備包括微凍結冷凍站、冷凍液輸送管、微凍結管片和測溫管。凍結設備包括冷凍站和凍結管片，測量設備為測溫孔與測溫計。冷凍站負責提供源源不斷的冷媒劑，冷媒劑與凍結管連通，凍結管埋入土層鉆孔中通過熱傳導帶走土層中的熱量實現土體的凍結。測溫孔能進行實時的溫度監測，獲得監測點溫度變化情況。

微凍結管片各構件的設計如圖1所示。凍結管片由混凝土管片本體與凍結管道微凍結管片構成，微凍結管片內預埋凍結管道，凍結管道采用低碳無縫鋼管，凍結管尺寸為40 mm×60 mm，厚度為5 mm。每塊管片埋設5道之字形管路，在管片上預埋鹽水進、出口，如圖2所示。凍結管道嵌入管片，管路外側與管片外側齊平，如圖3所示。管片外側保護層厚度為70 mm(外側與主筋)，嵌入凍結管路，以避免后期產生管片腐蝕；凍結管路預埋道管片外側保護層內，外側與管片外弧面齊平，管片塊與塊之間采用50 mm的軟管進行連接管片，如圖4所示。外環面的凍結管與土層的管土接觸面積百分率約為20%，冷凍液可由凍結管入口進入凍結管道，經由凍結管出口流出。

圖1 微凍結混凝土管片的整體結構1-微凍結管片本體；2-環向螺孔；3-環向手孔；4-縱向手孔；5-縱向螺孔；6-注漿孔；7-凍結管路；8-止水橡膠條；9-凍結軟管；10-凍結管入口；11-凍結管出口；17-凍結設備

圖2 凍結管路截面圖

圖3 凍結管路平面圖

圖4 凍結管路布置側面圖

凍結站(圖5)采用氨(氟利昂)-鹽水(氯化鈣溶液)凍結系統，它采用氨循環系統相變循環實現制冷，再以鹽水作為冷媒劑將地層中的熱量帶出至冷卻水循環系統，冷卻水系統再將熱量釋放到大氣中。制冷循環一般包括四個過程：壓縮-冷凝-降壓-蒸發。微凍結冷凍站型號選用TSLC-015.1TJ，其功率為21 kW，制冷量為1.8×104kTal/h。測溫管中在不同的深度有2個測溫計。

圖5 TSLC-015.1TJ凍結站

2 試驗原理

微凍結管片通過在管環中形成凍結回路，凍結液在凍結回路中循環對管片進行制冷。凍結回路包括凍結管路、凍結軟管、凍結管入口和凍結管出口。凍結軟管連通環向的微凍結管片本體中的凍結管路，形成沿硐周的完整圓周凍結回路。凍結管路起點與內環面凍結管入口相連通，凍結管路終點與內環面凍結管出口相連通，凍結液可以從凍結管入口進入凍結管路對管片制冷，經由凍結管路從凍結管出口流出，再進入下一管片。

具體過程如下：凍結管出口與凍結軟管的一端連接，凍結軟管的另一端與環向相鄰下一微凍結管片的凍結管入口相連，這樣就實現了環向相鄰兩管片的凍結管路的聯通。凍結設備提供的凍結液從第一塊微凍結管片的凍結管入口進入凍結管路，經由第一塊微凍結管片的凍結管路，從第一塊微凍結管片的凍結管出口進入凍結軟管，通過凍結軟管再進入下一微凍結管片的凍結管入口10和凍結管路，如此循環一周后，凍結液從最末的微凍結管片的凍結管出口流回凍結設備。

凍結管路的凍結管為無縫鋼管，截面尺寸為40 mm×60 mm，厚度為5 mm，管片外環面的凍結管與土層的管土接觸面積百分率約為20%，能實現高效的熱傳遞。

3 試驗過程

在微凍結方法中，微凍結管片能否形成可靠有效的止水帷幕，即凍結“止水環箍”，是微凍結止水方法的關鍵，而這依賴于微凍結管片的凍結性能。為驗證在本次工程中微凍結管片能否及時地形成可靠有效的微凍結帷幕以保障微凍結方法的有效性，需要進行微凍結管片的凍結性能試驗。

圖6 凍結管片現場試驗圖

圖7 測溫孔布置圖

本試驗選取一塊標準塊管片進行微凍結試驗(圖6)。試驗步驟如下：

(1) 埋置單個標準管片，并在溫度監測點處埋設好溫度監測器。首先，在試驗地點開挖試驗坑，并在試驗坑的一側開挖出管片外環面的形狀；然后，將標準試驗管片放置在試驗坑壁，用土袋固定好；最后將溫度監測器埋置在設計位置，在每個監測點的上1/3和下1/3深度位置埋置了2個監測器。溫度監測點位置如圖7所示，L為單個標準管片的弧長，溫度監測點到管片外環面的設計距離不一，H1、H2、H3、H4和H5分別為25 mm、80 mm、150 mm、30 mm和200 mm。

(2) 進行打壓測試，確保管道不會發生泄漏。在用凍結管道連接冷凍設備和微凍結管片之前，進行打壓測試，要求試驗壓力不小于0.8 MPa，試壓30 min后壓力下降不超過0.05 MPa，再延續15 min壓力不變則為合格。

(3) 冷凍設備開機運行，微凍結管片開始工作。本次選擇的凍結設備功率為21 kW，制冷量為1.8×104kTal/h，通過對管路的需冷量及凍結各項參數的計算，最低鹽水(冷凍液)溫度可為-28～-30 ℃。

(4) 記錄溫度監測數據，每隔6 h記錄溫度測量數據。

測量方法：每隔一段時間采集每個測溫點的實時溫度，24 h和48 h測溫數據見表1，各測溫孔溫度-時間曲線圖如圖8所示，在凍結前期溫度下降速率約為1 ℃/h，后期溫度趨于穩定，溫定溫度場的溫度梯度約為6.5 ℃/dm。之后進行了凍結效果探查，經過現場測量凍結帷幕壁單側厚度約為160 mm，凍結速率為80 mm/d。

表1 測溫孔溫度記錄表

圖8 測溫孔溫度-時間曲線

根據監測點溫度隨時間發展曲線如圖8所示，在凍結48 h后，凍結帷幕最低溫度可達-13℃。各溫度監測孔的溫度在24 h內下降較快，隨后降溫速率趨于平緩。在各個點位的溫度變化速率不一，其中K2的溫度下降得最快，溫度監測點H2在24 h后溫度下降到了-10℃以下。這是由于K2處于管片中央且離管片外環面較近。溫度監測點K5離管片外環面最遠，為200 mm，因此它的溫度下降得最慢。雖然溫度監測點K1離外環面最近，但它的位置處于管片較為邊緣的位置，冷量的流失可能導致K1處的制冷效率較低。

經過積極凍結48 h后，對管片后方土體進行開挖，進行凍結膠圈進行效果檢查，經過現場測量凍結壁單側厚度約為160 mm，單側凍結速率為80 mm/d，因此微凍結+水平凍結雙側發展，需要30 h凍結膠圈即可以填充凍土與管片之間的空隙。試驗結果表明，微凍結管片能夠形成完整可靠的微凍結止水帷幕。

4 結 論

通過微凍結管片凍結性能試驗，微凍結管片的凍結性能得到了驗證，并獲得了關鍵的凍結性能參數：

(1)凍結管片的凍結管與土層的管土接觸面積百分率為20%，當采用TSLC-015.1TJ冷凍站時(功率為21 kW，制冷量為1.8×104kTal/h，在凍結前期溫度下降速率約為1 ℃/h，后期溫度趨于穩定，溫定溫度場的溫度梯度約為6.5 ℃/dm。

(2)凍結效果探查結果表明，凍結帷幕壁單側厚度約為160 mm，凍結速率為80 mm/d，對于一般的盾尾孔隙為100～200 mm的工程情況，微凍結止水箍能在48 h內完全成型，以滿足施工堵水要求。