拱北隧道管幕冻结施工中限位管的冻结效果控制研究

张 军，胡向东，任 辉

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3.港珠澳大桥珠海连接线管理中心，广东珠海 519030）

拱北隧道管幕冻结施工中限位管的冻结效果控制研究

张 军1，胡向东2，任 辉3

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3.港珠澳大桥珠海连接线管理中心，广东珠海 519030）

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道采用管幕冻结法施工。为了获取合适的冻结施工参数，采用原型试验研究限位管的冻结效果控制作用。试验结果表明：当管幕冻结施工过程中实顶管正上方冻土发展较快时，可通过在限位管循环热盐水来控制冻土发展，其中，限位管温度为8℃比2℃时能更好地控制冻土厚度；但是，若实顶管与空顶管之间的冻土及空顶管上方的冻土仍需要发展时，可采用2℃盐水，此时，冻土帷幕厚度继续增加，但幅度减小。因此，采用限位管控制冻土帷幕发展是可行的。

管幕冻结施工；拱北隧道；温度场；原型试验；冻结效果控制

0 引言

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道口岸暗挖段结合了管幕法和冻结法的优点，首次提出采用“管幕法+人工地层冻结法”相结合的浅埋暗挖隧道超前预支护体系［1-2］，即“管幕冻结法”。

人工地层冻结法是利用人工制冷技术改变岩土性质，以增加土体强度及稳定性、隔绝地下水联系，以便在冻土帷幕的保护下进行施工的特殊工法。该工法已越来越多地应用到矿井、隧道、基坑、盾构进出洞、地铁联络通道以及紧急抢险修复工程中［3-6］。管幕工法一般将钢管植入土体中形成超前支护，然后再开挖、施作主体结构，该工法多次成功应于特殊条件下的穿越工程［7-8］。目前，已实施的管幕工程多为直线管幕，一般受地下水影响较小，其直线线形为管间锁口注浆止水提供了条件。冻结法可以有效地进行管幕间封水施工，且不受直线线型的制约。在此之前，国内尚无案例，国外也仅有日本的株式会社精研有过“钢管+冻结”工法的设想与研究［9-11］，目前，仅在德国柏林地铁勃兰登堡门站（Brandenburger Tor，U55，Berlin）暗挖施工中有应用实例。但是，“钢管+冻结”工法与管幕冻结工法还是有区别的，在“钢管+冻结”工法中，将冻土作为承载结构体考虑，钢管只是为了提高冻土结构的整体承载性能；而在管幕冻结工法中，主要是由顶管形成的管幕作为承载结构体，冻结形成的冻土帷幕只是替代顶管间锁口起到封水作用。国内同济大学团队结合珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程，通过数值模拟［12-14］、室内试验、大型物理模型试验［15］等方法，对管幕冻结法的设计理念及其封水的可靠性进行了大量研究［16］。

管幕间采用冻结施工进行封水，周边土体因为冻胀作用会造成地表发生隆起。为减少冻胀效应对地表的影响，笔者在设计过程中首次提出采用通过在特定管路——限位管中，循环常温盐水带走多余冷量的方式来控制冻土体积的发展。本文为验证限位管的效果和获取合适的运行参数，以现场原位试验为基础，对管幕冻结法中的限位管进行详细地试验研究，得出针对不同工况，限位管盐水宜采用的合适温度。

1 工程概况

拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线关键性控制工程，隧址所在地隶属于珠海市香洲区，毗邻澳门。起点位于拱北湾海域，接珠澳人工岛之后的拱北湾大桥，终点位于广东省公安边防第五支队茂盛围管理区，左线长度2 741.063 m，右线长度2 375.000 m。其中，口岸暗挖段下穿拱北口岸，上方地面存在出入境风雨廊、澳门关闸联检大楼和免税商场等建筑物，如图1所示。

根据方案比选，暗挖工程采用255 m曲线顶管+水平冻结方案。由36根φ1 620 mm管幕形成整体闭合超前支护帷幕，管幕间采用动态控制性冻结进行止水，为暗挖施工提供条件。

图1 拱北隧道平面示意图Fig.1 Plane sketch of Gongbei Tunnel

2 工程地质及水文地质概况

根据地勘报告，拱北隧道穿越区域自上至下依次分布有填土、淤泥、淤泥质土、砂（含淤泥质）、粉质黏土、粉细砂、中砂、粗砾砂、卵砾石、全-强风化黑云母斑状花岗岩等地层。其中，地质勘察揭露表层海相、海陆交互沉积层厚度为28～35 m，中层砂（砾）质黏土层0.5～8.2 m，下伏全-强风化黑云母斑状花岗岩，层厚超过20 m。

隧区内地表水主要是海水，地下水主要赋存于③1软土层、③3砂层，其次为④1粗砾砂地层，再次为③2、④3黏性土或黏性土夹砂及更新统残积层等土层和基岩裂隙中。其中，砂类土特别是相对松散的粗粒类砂土为强透水层，其次为淤泥或淤泥质土、一般性黏性土、残积土为相对弱透水层。根据区内水文专题研究的成果，以砾砂平均渗透系数值测算，地下水流速为3.12×10-4cm/s，即0.27 m/d，初步判断流速对冻结无影响。

3 暗挖段设计方案

3.1 管幕设计方案

管幕由36根φ1 620 mm的钢管组成，管节长度为4 m，管幕之间的净距离为35.7 cm，其中，奇数编号管幕沿径向向隧道中心偏移30 cm，如图2所示。在冻结施工前，奇数顶管内填充混凝土，偶数顶管为空管幕。空管幕在冻结施工过程中可作为检修通道，方便冻土监测，在冻结施工完成后为融沉注浆提供施工平台，空顶管待隧道施工完成后及时填充混凝土。

图2 管幕设计示意图（单位：cm）Fig.2 Design of pipe roof（cm）

3.2 冻结设计方案

本工程冻结的主要作用是管幕间止水，因此，冻土帷幕的厚度必须满足以下2个要求：

1）冻土帷幕的最小厚度必须满足顶管间封水的要求；

2）冻土帷幕的最大厚度必须满足地表变形对土体冻胀的要求。

由于本工程对地表变形控制严格，冻土壁越厚，冻土体积越大，冻土对地面建筑的冻胀影响越大。为防止冻土帷幕的体积发展过大，同时，满足管幕间的封水要求，采用圆形冻结管+异形冻结管+限位管的组合布管方式，如图3所示。在奇数顶管内两腰位置布置2根DN125冻结管作为未开挖时的主要冷源，在靠近顶管外边缘的位置布设限位管控制冻土帷幕的范围；在偶数顶管内布设异形冻结管（125×125 mm角钢焊接在管壁上），在土体开挖后，进行加强冻结，以抑制开挖过程中的空气对流对冻土的削弱作用。

图3 管幕及其内部冻结管横断面布置图Fig.3 Layout of the freezing pipes in the pipe-roofing system

4 限位管作用的现场试验

4.1 管幕冻结现场试验

为验证拱北隧道管幕冻结法的可靠性，并获取相关管路运行参数，选取现场的2根顶管，5＃原位工程管、0＃试验管。5＃原位工程管为填充混凝土的实管，0＃试验管为空管，具体布置如图4所示。管幕冻结试验共选取了15个监测断面，各监测断面的测温点布置如图5所示。

图4 试验管幕冻结管布置Fig.4 Layout of the freezing pipes in the pipe-roofing freezing test

图5 测点断面布置示意图Fig.5 Layout of monitoring points

4.2 限位管控制效果试验方案

限位管通过提供热源带走管幕冻土帷幕中多余冷量，限制冻土发展。在冻结方案设计时，考虑到实顶管冻结效果较好，其外侧冻土发展较快，在实顶管内部靠近外侧部位设置了限位管，作为管幕冻土中的热源，如图3和图4所示，主要起到限制隧道外侧冻土发展的作用，尤其是实顶管外侧的冻土。

限位管控制效果的现场试验过程为：先在试验初期通入2℃限位盐水，待管幕及周围冻土温度场趋于稳定后，再次上调限位盐水温度至8℃，待管幕及周围冻土温度场趋于稳定后，再关闭高温盐水限位管，观察分析管幕及周围冻土温度场的恢复情况。

根据实际试验过程，从高温限位盐水管开启前5.7 d开始，依次经历限位盐水温度为2℃时5 d、限位盐水温度为8℃时10 d、关闭限位盐水管后7 d，共计约27.7 d，如表1所示。

表1 限位管试验各时间段的状态Table 1 State of limiting tube in field test

5 限位管的控制效果分析

限位管控制效果试验将从测点温度-时间曲线、管幕及周围土体温度云图2个方面分析限位管的控制作用，如图6—10所示。

5.1 温度时间曲线分析

图6中X轴处于冻土冰点位置，从图中可以看出，当5＃实顶管上方冻土离限位管越近，限位管作用越明显，升温幅度越大。实顶管正上方冻土在限位管盐水为2℃作用下，冻土温度升高，但是仍然在冰点以下；在限位管盐水为8℃作用下，冻土温度迅速升至冰点以上，实顶管正上方冻土融化。实顶管上方靠近两管间区域冻土温度基本没有升高。限位管盐水为2℃运行5 d和限位管盐水为8℃运行10 d，共15 d后，冻土温度升高不明显，约0.5℃。而当限位管关闭后，实顶管上方靠近两管间区域冻土温度迅速恢复，在7 d后比限位管开启前降低了约1℃。由此可见，限位管明显抑制了实顶管上方靠近两管间区域冻土温度升高。

图6 5＃实顶管上部土体测点温度-时间曲线Fig.6 Temperature-time curves of the monitoring point above No.5 pipe

图7中X轴处于冻土冰点位置，从图中可以看出，0＃空顶管上部土体温度基本没有变化，也没有较大的波动起伏，实顶管内限位管的开启与关闭、限位盐水温度的升高等均没有对此产生影响。因此，可以判断，实顶管内部限位管对空顶管上部土体温度基本没有影响。

图7 0＃空顶管上部土体测点温度-时间曲线Fig.7 Temperature-time curves of the monitoring point above No.0 pipe

从图8可以看出，两管间冻土温度虽有波动起伏，但是，整体上仍然处于下降趋势。在第5.7～20.7 d限位管开启期间，两管间冻土温度下降速率较慢，而在第20.7～27.7 d限位管关闭阶段，两管间冻土温度下降速率明显加快。由此可知，限位管不会导致管间冻土温度迅速回升，仅降低了管间冻土降温速率，抑制冻土温度降低。

图8 2管之间土体测点温度-时间曲线Fig.8 Temperature-time curve of the monitoring point between No.5 pipe and No.0 pipe

5.2 温度云图分析

根据监测数据可绘制出管幕及周边土体的温度云图。当限位管盐水温度为2℃时，管幕及周围土体温度场变化云图如图9所示。从（a）～（d）依次描述的是限位开启前（第5.7 d）、限位管开启后第1 d（第6.7 d）、限位管开启后第2 d（第7.7 d）、限位管开启后第5 d（第10.7 d）的温度场云图。从图9（a）看出，在限位管开启前，实顶管正上方、实顶管上方靠近两管间区域、空顶管上方靠近两管间区域的冻土均较厚。在限位管开启后，实顶管正上方靠近限位管区域的冻土温度迅速升高并融化，随着限位的进行，实顶管正上方冻土融化面积逐渐增大，冻土边界向两管间靠拢，导致实顶管上方靠近冻结管区域的冻土有明显降温。两管间冻土帷幕厚度并没有因为限位管的开启而产生明显变化，但是，两管间上部靠近实顶管区域的冻土温度，由于离限位管较近，有一定的升高。两管间中心部位冻土，即圆形主力冻结管与异形加强冻结管之间的冻土，比较图9（a）与图9（b）可以发现，在限位管刚开启第1 d，两管间冻土温度最低处，即-18～-16℃区域，如温度云图显示仍然在增大，但在后续限位过程中，基本没有变化。比较图9可以发现，实顶管内部靠近限位管区域温度也迅速升高，限位管附近区域温度发展至冰点以上，并且实顶管中心在限位前为-14～-12℃，当限位开启后第1 d即升至-12～-10℃，在之后的限位阶段变化不大。由此可以看出，其降温主要还是发生在限位第1 d。空顶管内部及上部土体并没有因为限位的开启而产生规律性的变化。由此可见，当限位管开启后，影响最大的是实顶管内部与实顶管正上方冻土，实顶管内部温度明显升高，而且限位管附近区域温度发展至冰点以上。两管间冻土帷幕厚度和温度随限位的进行基本稳定，没有明显变化，限位管的开启在一定程度上抑制了冻土帷幕的继续发展，起到了控制效果。

图9 管幕及周围土体温度随时间变化云图（2℃）Fig.9 Temperature contour of the freeze-sealing pipe roof（2℃）

从图10可以看出，在限位盐水温度由2℃调整为8℃后，实顶管正上方冻土融化面积明显增大，冻土边界继续向两管间靠拢；但是，两管间中心部位的冻土，即圆形主力冻结管与异形加强冻结管之间的冻土，温度基本没有什么变化，导致5＃实顶管右上方冻土温度梯度明显增大。同时，实顶管内部靠近限位管区域温度继续升高，限位管附近冰点以上区域随限位温度升高明显增大。在实顶管中心区域，温度为-12～-10℃的区域明显缩小，而空顶管内部及上部土体并没有因为限位的开启而产生规律性变化。由此可见，当限位盐水温度为8℃时，管幕及周围土体温度场变化规律与限位盐水温度为2℃时相同，随着限位盐水温度的升高，实顶管内部及实顶管上方冻土温度明显升高，冻土融化范围也增大；但是，对两管间冻土温度影响较小，实顶管右上方冻土温度梯度明显增大。

6 结论与建议

本文结合港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段提出的“管幕法+人工地层冻结法”相结合的浅埋暗挖隧道超前预支护体系，根据现场试验，对限位管的控制效果进行分析，得出结论如下：

1）采用限位管控制管幕间冻土的发展是可行的。

2）当采用限位管对管幕及周围土体进行控制时，可以认定为局部限位控制，其影响范围主要为实顶管周围冻土，尤其是离限位管较近的区域。

图10 管幕及周围土体温度随时间变化云图（限位盐水温度8℃）Fig.10 Temperature contour of the freeze-sealing pipe roof（8℃）

3）限位管对实顶管上方靠近两管间区域的冻土影响较小，可以抑制两管间冻土温度的上升和冻土帷幕厚度的发展；但是，对空顶管内部及空顶管上方冻土基本没有影响。

4）限位管盐水温度8℃的作用比2℃更明显，实顶管正上方融化冻土体积更大，但同时对实顶管内部温度场影响也增大。这2种限位盐水温度对两管间冻土都没有产生不利影响。

5）建议在实际施工过程中，当实顶管外侧冻土发展较快时，限位管盐水温度取2℃，以减缓冻土边界发展速率；当实顶管外侧冻土厚度超过设计值时，限位管盐水温度取8℃，使冻土边界缓慢退缩。

（References）：

［1］ 程勇，刘继国.拱北隧道设计方案［J］.公路隧道，2012（3）：34-38.（CHENG Yong，LIU Jiguo.Design scheme of Gongbei tunnel［J］.Highway Tunnel，2012（3）：34-38.（in Chinese））

［2］ 余晶，程勇，贾瑞华.港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道方案论证［J］.现代隧道技术，2012，49（1）：119-125，131.（YU Jing，CHENG Yong，JIA Ruihua.Option demonstration for the Gongbei tunnel at the Zhuhai link of theHongKong-Zhuhai-MacauBridge［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49（1）：119-125，131.（in Chinese））

［3］ 陈湘生.地层冻结法［M］.北京：人民交通出版社，2013.（CHEN Xiangsheng.Ground freezing method［M］.Beijing：China Communications Press，2013.（in Chinese））

［4］ 程国栋.冻土力学与工程的国际研究新进展：2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述［J］.地球科学进展，2001，16（3）：293-299.（CHENG Guodong.International achievementsofstudyonfrozensoilmechanicsand engineering：Summary of the international symposium onground freezing and frost action in soils［J］.Advance in Earth Sciences，2001，16（3）：293-299.（in Chinese））

［5］ MA Wei.Review and prospect of the studies of ground freezing technologyinChina［J］.JournalofGlaciologyand Geocryology，2001，23（3）：218-224.

［6］ 肖朝昀，胡向东，张庆贺.四排局部冻结法在上海地铁修复工程中的应用［J］.岩土力学，2006，27（增刊）：300-304.（XIAO Zhaoyun，HU Xiangdong，ZHANG Qinghe.Application of limited depth freezing method with four-rowfreeze-tubestorecoveringcollapsetunnelin Shanghai Metro［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27 （S）：300-304.（in Chinese））

［7］ 孙钧，虞兴福，孙旻，等.超大型“管幕-箱涵”顶进施工土体变形的分析与预测［J］.岩土力学，2006，27（7）：1021-1027.（SUN Jun，YU Xingfu，SUN Min，et al.Analysis and prediction on soft ground deformation of a super-large shallow burried“pipe-roofing and box-culvert”jacking project under construction［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（7）：1021-1027.（in Chinese））

［8］ 熊谷镒.台北市复兴北路穿越松山机场地下道之规划与设计［J］.福州大学学报：自然科学版，1997，25（增刊1）：56-60.（XIONG Guyi.The programme and design of the subway acrossing the Songshan airport in the North of Fuxins Road in Taipei［J］.Journal of Fuzhou University：Natural Science Edition，1997，25（S1）：56-60.（in Chinese））

［9］ 上田保司，生賴孝博，稔山木，等.鋼管補強による凍土梁の曲げ強度特性の改良［C］//土木学会論文報告集.日本：土木学会，2001：81-90.（Moriuchi K，Ueda Y，Ohrai T.Influence of contact area between steel pipe and frozen soil on adfreeze strength［C］//The 2004 Conference Japanese Society of Snow and Ice.Japan：Japanese Society of Civil Engineers，2001：81-90.（in Japanese））

［10］ 森内浩史，上田保司，生賴孝博.鋼管変形に対する凍土の追随性把握実験［C］//土木学会第58回年次学術講演会.日本：土木学会，2003：753-754.（Moriuchi K，Ueda Y，Ohrai T.Influence of bending strain rate on response characteristics of frozen soil surrounding steel pipe ［C］//The 58th Academic Conference of Japanese Society of Civil Engineers.Japan：Japanese Society of Civil Engineers，2003：753-754.（in Japanese））

［11］ 森内浩史，上田保司，生賴孝博.鋼管間止水凍土の内部応力および凍着応力の安全性評価［C］//土木学会第59回年次学術講演会.日本：土木学会，2004：15-16.（Moriuchi K，Ueda Y，Ohrai T.Study on the ad freeze between frozen soil and steel pipes for cutoff of water ［C］//The 59th Academic Conference of Japanese Society of Civil Engineers.Japan：Japanese Society of Civil Engineers，2004：15-16.（in Japanese））

［12］ HU Xiangdong，SHE Siyuan.Study of freezing scheme in freeze-sealingpiperoofmethodbasedonnumerical simulation of temperature field［C］//Proceedings of the InternationalConferenceonPipelinesandTrenchless Technology.US：American Society of Civil Engineers，2012：1798-1805.

［13］ 胡向东，方涛.管幕冻结法在隧道开挖及初期支护过程中温度场数值模拟分析［C］//水下隧道建设与管理技术交流会论文集.南京：中国公路学会，2013.（HU Xiangdong，FANGTao.Numericalsimulationof temperature field at the excavation and primary support period in tunnel construction using freeze-sealing pipe roof method［C］//Proceedings of Symposium on Construction and Management of Underwater Tunnels.Nanjing：China Highway＆Transportation Society，2013.（in Chinese））

［14］ HU Xiangdong，FANG Tao.Numerical simulation of temperature fieldattheactivefreezeperiodintunnel construction using freeze-sealing pipe roof method［C］//TunnelingandUndergroundConstruction.Shanghai：Geoshanghai，2014：731-741.

［15］ 胡向东，任辉，陈锦，等.管幕冻结法积极冻结方案模型试验研究［J］.现代隧道技术，2014，51（5）：92-98.（HU Xiangdong，REN Hui，CHEN Jin，et al.Model test study of the active freezing scheme for the combined piperoofandfreezingmethod［J］.ModernTunneling Technology，2014，51（5）：92-98.（in Chinese））

［16］ HU Xiangdong，FANG Tao.Freeze-sealing pipe roof：Viable tunneling technique in soft ground［C］//ITA WTC 2015 Congress and 41st General Assembly.Dubrovnik：Lacroma Valamar Congress Center，2015.

Case Study on Control of Freezing Effect by Installing Limiting Tubes in Freezing-sealing Pipe Roof in Gongbei Tunnel

ZHANG Jun1，HU Xiangdong2，REN Hui3

（1.CCCC Second Highway Consultant Co.，Ltd.，Wuhan 430056，Hubei，China；2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.The Management Center of Zhuhai Link Road of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge，Zhuhai 519030，Guangdong，China）

Gongbei tunnel of Zhuhai Link Road of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge is proposed to be constructed by freezing-sealing pipe roof method.In the paper，the effect of limiting tubes is studied by means of prototype experiment so as to obtain the rational parameters for the freezing-sealing pipe roof scheme.Conclusions drawn are as follows：1）When the frozen soil wall above the pipe filled with concrete is growing at a relatively high rate，the method of circulating warm brine in the limiting tubes can be used to control the over-growth of the frozen body.Considering the brine temperature in the brine-tube for limiting the over-growth of the frozen body，the temperature of 8℃is more effective than the temperature of 2℃.2）When the frozen soil between the pipe filled with concrete and that without concrete filled and the frozen soil above the pipe filled with concrete need further freezing，the brine temperature of 2℃can be adopted，the frozen soil wall is still growing，however at a lower speed.The result of the prototype experiment proves the effect of the limiting tubes.

Gongbei tunnel；freezing-sealing pipe roof；temperature field；prototype experiment；freezing effect control

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.007

U 455.46

A

1672-741X（2015）11-1157-07

2015-08-13；

2015-11-06

交通运输部建设科技项目（2013318J11300）；国家自然科学基金项目（51478340）

张军（1984—），男，湖北武汉人，2011年毕业于同济大学，地下建筑与工程专业，硕士，工程师，主要从事隧道及地下工程相关设计工作。