异形加强冻结管在管幕冻结法中的冻结效果及使用方法研究

任 辉，胡向东，陈 锦，张 军

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

异形加强冻结管在管幕冻结法中的冻结效果及使用方法研究

任 辉1，胡向东2，陈 锦2，张 军3

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

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段的超前预支护体系采用管幕冻结法，该工法将3种功能不同的特殊冻结管内置在顶管内进行冻结封水。其中异形加强冻结管主要起到减少或是抵消由于开挖和施作衬砌引起的热扰动以抵御冻土弱化的作用。结合管幕冻结法大型物理模型试验，重点分析异形加强冻结管的冻结效果及其使用方法。结果表明：1）异形加强冻结管降温效果明显，能抵御开挖和施作衬砌带来的热扰动；2）提前开启异形加强冻结管，形成良好的冻土帷幕后开挖更安全。

港珠澳大桥；拱北隧道；管幕冻结法；异形加强冻结管；模型试验

0 引言

针对日趋复杂的城市隧道及地下工程建设环境，浅埋暗挖工法在1987年被提出［1］，经过20多年的发展，形成了一套完整的配套技术，被广泛地应用于隧道及地下工程建设［2］。随着浅埋暗挖法的广泛应用，城市隧道及地下工程建设环境越来越复杂，施工技术难度越来越大，其发展趋势主要表现为强化辅助工法和简化主要工法［3］。对于富含水地层的超大断面浅埋暗挖隧道，其辅助工法的选择尤为重要，当单纯采用水平旋喷、管幕［4］、冻结［5］或降水等辅助工法无法满足要求时，多种辅助工法相结合进而实现优势互补的组合工法被提出。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段，首次采用“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，即“管幕冻结法”［6］。在此之前国内尚无案例，国际上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［7-9］，目前仅见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：“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存在；而管幕冻结工法中，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港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程，通过数值模拟［10-13］、室内试验［14］、大型物理模型试验［15-16］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［17］。本文以管幕冻结法冻结方案物理模型试验为基础［16］，对管幕冻结法的特殊管路——异形加强冻结管进行试验研究，验证异形加强冻结管的冻结效果，并探讨其使用方法。

1 管幕冻结法

1.1 工法提出

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程，其口岸暗挖段，共255 m，如图1所示，采用管幕法施工［18］。因隧道纵向轴线有较大曲率，曲线顶管难以保证两顶管间的止水锁扣成功连接，进而难以保证管幕的封水效果，故采用控制冻结对管幕之间土体进行冻结，从而达到止水效果。冻结施工的主要目的是使用冷冻加固的方法将顶管间的土体变为冻土和顶管一起形成密闭的帷幕，为隧道暗挖施工提供条件。由此而提出管幕法与人工地层冻结法相结合的工法，即“管幕冻结法”，将管幕法与人工地层冻结法2种辅助工法的优点充分结合起来。

图1 拱北隧道平面示意图Fig.1 Schematic diagram of Gongbei tunnel

“管幕冻结法”是利用顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的管子，运用内置在顶管里面的冻结管，将顶管之间的土体冻结起来，形成水密性的地下空间，即用冻土帷幕来代替原来管幕间止水锁口的作用。

1.2 管幕设计

当所有顶管完成后，顶管间隔一根浇筑混凝土填充形成实顶管，没有浇筑混凝土的顶管成为空顶管，填充混凝土的实顶管与不填充混凝土的空顶管交错排列，整体形成如图2所示的管幕结构。

图2 管幕设计示意图Fig.2 Design drawing of pipe roof

混凝土比空气更有利于冷量的传递，因此，从冷量传递的角度来说，最佳冻结方案是整个管幕皆由实顶管组成。设置空顶管主要作用：首先，空顶管可作为检修通道，若顶管内部出现冻结管破裂等问题，施工人员可以进入空顶管内进行紧急处理；其次，空顶管内布置注浆管，方便冻结施工完成后的融沉注浆；最后，空顶管内布置有深入土体内的监测孔，有利于冻土监测。所以，最终方案定为实顶管空顶管交错排列，空顶管待隧道施工完成后及时填充混凝土。

1.3 冻结设计

考虑管幕为“实顶管”和“空顶管”交替布置状态，首先，需要验证能否形成冻土帷幕的问题；其次，需要考虑隧道开挖引起的热扰动作用下冻土帷幕是否能够保持良好的止水状态；另外，因环境保护要求，必须严格控制冻土体积以限定冻胀融沉量。为此，确立了“冻起来、抗弱化、控冻胀”的理念，提出在管幕钢管内部布置“圆形主力冻结管”、“异形加强冻结管”和“升温盐水限位管”3种特殊管路构成的国内外前所未有的冻结方案。管幕内各类冻结管布置如图3所示。

图3 管幕及其内部冻结管横断面布置图Fig.3 Layout of pipe roof and freezing-tubes

2 各类特殊冻结管介绍

2.1 圆形主力冻结管

圆形主力冻结管布置在实顶管内靠近管间冻土中心部位（如图3所示），是管幕冻结工法的主力冻结管，两侧各1根，通长设置，旨在将相邻顶管间的土体冻结起来，封上管间的透水通道。管幕中每根顶管的管节间通过法兰连接，使得圆形主力冻结管与钢管壁间存在12 cm空隙，填充混凝土。

2.2 升温盐水限位管

升温盐水限位管布置在实顶管内靠近隧道外侧区域（如图3所示），通长设置，主要起到限制实顶管外侧冻土发展的作用。升温盐水限位管内循环的限位盐水温度，比冻土温度较高，以控制冻土厚度的增加。

2.3 异形加强冻结管

异形加强冻结管布置在空顶管内（如图3所示），两侧各1根，其断面形状为直角扇形。异形加强冻结管在空顶管内贴壁布置，配合圆形主力冻结管加强管间冻结效果，减少或是抵消由于开挖和施作衬砌引起的热扰动，以抵御冻土弱化。

由于空气流动对冷量消耗较大，同时空气导热效果较差，故异形加强冻结管越贴近顶管管壁越好。异形加强冻结管采用角钢并直接焊接在顶管管壁，以利于与土体进行热交换，如图4所示。

图4 异形加强冻结管分段布置Fig.4 Layout of profiled enhancing freezing-tubes

根据异形加强冻结管的作用，将其分段设置，单独形成小型去回路，在不同的施工工况，根据实际情况决定是否开启异形加强管。为此，在空顶管内设置盐水干管，通过电控球阀控制各段异形加强冻结管是否通入冻结盐水实施冻结，如图4所示。

在顶管管节接头处受法兰影响，异形加强冻结管在管节间采用橡胶软管连接，同时在靠近法兰位置将异形加强冻结管布置为平面内“L”型，弥补管节接头处无法布置异形加强冻结管的情况，如图5所示。

图5 异形加强冻结管在管节处连接Fig.5 Link of profiled enhancing freezing-tubes

3 关于异形加强冻结管的模型试验

根据初步设计，管幕由40根顶管组成，其中30根顶管直径为1.44 m，10根顶管直径为1.8 m，相邻顶管间距为24 cm，冻结管直径为108 mm［6］。施工图设计如图2所示，管幕由36根直径为1.62 m的顶管组成，相邻顶管间距为35.7 cm，冻结管直径为133 mm。

异形加强冻结管的模型试验包含于管幕冻结法大型物理模型试验之中［16］，本次模型试验在初步设计的基础上进行设计与实施，采用2根钢管进行局部试验。模型试验相似准则如下：

1）模型试验选定了直径为530 mm的无缝钢管，几何相似比Cl＝1 440/530＝2.72。据此，管间距为88.32 mm（试验中实际取90 mm），冻结管直径应为39.75 mm（根据市售型号微调至42 mm），异形管选用30 mm×30 mm的角钢。

2）根据柯索维奇准则，故CQ/CTCC＝1，其中CQ为岩土释放潜热相似比，CT为温度相似比，CC为比热相似比。模型试验采用与拱北隧道所处地层热物理性质相近的土体，可近似认为CT＝CQ＝CC＝1。

3）根据傅里叶准则，故Cλ·Ct/C2l＝1，其中Cλ为导热系数相似比，Ct为时间相似比，Cl为几何相似比。土体相近，Cλ＝1，故Ct＝C2l＝7.40，即时间相似比为Ct＝7.40。

模型试验实施时与设计情况尽可能相同，异形加强冻结管焊接在空顶管内壁，采用30 mm×30 mm角钢，其断面形状为直角扇形，异形加强冻结管到两管圆心连线的这段圆弧对应圆心角为45°，如图6所示。异形加强冻结管内盐水温度与圆形主力冻结管相同，为-26～-30℃。具体模型试验的设计与实施详见文献［16］所述，其测温点布置如图6所示。

图6 测点断面布置示意图（单位：mm）Fig.6 Layout of monitoring points（mm）

4 异形加强冻结管的冻结效果分析

在异形加强冻结管试验中，前期仅开启圆形主力冻结管和限位管，待冻土帷幕已有较大体积且体积增长和温度场变化非常缓慢（接近稳态）时，开启空管内的异形加强冻结管。其目的在于突出异形加强冻结管的效果，若在冻结前期开启加强冻结管，就难以说明温度的下降是由异形加强冻结管带来。

为更全面地探究加强冻结管的效果，主要从以下3个方面进行分析。

4.1 温度时间曲线分析

测点温度-时间曲线的横坐标轴为时间，单位为h，从开启异形加强冻结管前4 h计时为第0 h，纵坐标为测点温度，单位为℃，冻土冰点为-1.6℃。测点温度时间曲线如图7所示。

1）实顶管外侧区域。在异形加强冻结管开启前后，测点1-1、1-2和1-3的温度没有明显变化，其波动范围控制在0.1℃以内，表明异形加强冻结管对实管底部的土体难以起到加强冻结的作用，从而不会加大实管底部冻土的冻胀作用。

2）实顶管与空顶管之间。异形加强冻结管开启后，测点2-1—2-6的温度有不同程度的下降。第4～10 h，即异形加强冻结管开启6 h内，温度下降最为明显，尤其测点2-1—2-3下降4.7～6.4℃，而测点2-6温度下降速度最慢，约0.5℃。第10～24 h，各测点温度下降速度明显放缓，其中测点2-1—2-6的温度下降1.1～1.6℃。

3）实顶管与冻土交界面。第4～10 h，即异形加强冻结管开启6 h内，测点4-2—4-5温度有明显下降，为1.4～3.3℃，其余测点基本没有变化。第10～24 h，各测点温度下降速率明显减缓，测点4-2—4-5温度下降0.9～1.3℃。

4）空顶管与冻土交界面。异形加强冻结管开启后，测点5-1—5-7的温度都有明显的下降。第4～10 h，即异形加强冻结管开启6 h内，测点5-2与5-3的温度下降14.3～16.0℃，测点5-1与5-4的温度下降约6℃；第10～24 h，测点5-1—5-4的温度下降1～3℃。测点5-5—5-7的降温速度变化相对较小，第4～24 h，保持相近的降温速度，20 h内下降2～3.7℃。

通过以上分析可知：异形加强冻结管开启后降温主要集中在前6 h，距异形加强冻结管越近区域，前期降温速度越快，最终降温幅度也越大；异形加强冻结管主要作用于空顶管周围及两管之间距异形加强冻结管较近的区域，而对实顶管周围影响较小，实顶管外侧冻土基本不受影响。

图7 测点温度时间曲线Fig.7 Curves of time-dependent temperatures at different monitoring points

4.2 冻土与顶管搭接长度分析

冻土与顶管搭接长度，即指冻土与顶管管周的包裹范围，也指冻土与顶管交界面在横截面上的长度。搭接长度又分为冻土与实顶管的搭接长度、冻土与空顶管的搭接长度。考虑模型试验采用2根钢管进行局部试验，为保证数据的准确性，仅分析实顶管与空顶管的半周（靠近管间的2个半周），半周长度为832.5 mm。

冻土与顶管搭接长度曲线的横坐标轴为时间，单位为h，从开启异形加强冻结管前4 h计时为第0 h，纵坐标为冻土与顶管搭接长度，单位为mm。在靠近管间的半周范围内，异形加强冻结管开启前，冻土分别与实顶管和空顶管的搭接长度基本相当，为600～620 mm，如图8所示。实顶管主要受其内部限位管开启影响，导致实顶管外侧冻土没有与顶管完全搭接，而空顶管是因为开挖侧无法形成冻土。

图8 冻土与顶管搭接长度曲线Fig.8 Overlap length between frozen soil and pipe roof

由图8可知，当异形加强冻结管开启后，冻土与空顶管的搭接长度迅速增加，在0.5 h内由600 mm上升至805 mm，3 h内冻土完全覆盖空顶管表面，这主要是异形加强冻结管布置在空顶管内部，且距离冻结薄弱处较近；而冻土与实顶管的搭接长度虽然也有所增加，但非常缓慢，经过20 h，才增加约50 mm，这主要是实顶管外侧除底部外，早已被冻土覆盖，而异形加强冻结管对实顶管外侧的影响又有限，故冻土与实顶管搭接长度的增长潜力有限。

4.3 温度云图分析

开启异形加强冻结管20 h后，冻土帷幕在开挖面一侧的体积明显增大，管间冻土温度明显下降；同时，在冻土帷幕非开挖一侧，冻土体积并没有大幅增加。可得出结论：开启加强冻结管20 h后，管间冻土强度显著提高，封水路径明显增加，封水可靠性增加；同时，并未显著地加重冻胀效应。管幕冻结效果温度云图见图9。

图9 管幕冻结效果温度云图Fig.9 Temperature contour of freeze-sealing pipe roof

5 异形加强冻结管的使用方法分析

管幕冻结模型试验分4组进行，第1组模拟隧道开挖前积极冻结阶段，单纯采用圆形主力冻结管，完全可以形成有效的止水冻土帷幕［14］。第2—4组模拟隧道开挖及衬砌施作阶段，其中第2组为开挖前4 d开启异形加强冻结管、第3组为开挖的同时开启异形加强冻结管。下面通过对比第2组和第3组试验结果（如表1所示），分析异形加强冻结管是否能抵御开挖和施作衬砌带来的热扰动，并讨论异形加强冻结管的开启时间问题。

第2组试验，在开挖前异形加强冻结管已开启并形成良好冻土帷幕。随着施工开挖及衬砌施工，整体冻土帷幕受热扰动影响各测点温度在不同程度回升，离开挖面越近的区域受热扰动越严重，温度上升速度越快，如表1所示。但是，测点（2-2—2-6、4-3—4-5、5-3—5-7）均在冰点以下，且离圆形主力冻结管和异形加强冻结管较近的测点（2-3—2-4、4-4、5-3—5-4）温度均低于-5℃，从而保证了冻土帷幕的良好封水性。

表1 第2组和第3组试验各阶段温度情况Table 1 Temperature of every stage for the second and third group tests℃

第3组试验，在开挖的同时开启异形加强冻结管，开启时间较第2组试验晚。整体冻土帷幕温度开挖前偏高，仅圆形主力冻结管附近测点温度低于-5℃，管幕中空顶管温度最低-3.2℃，如表1所示。随着开挖的进行和异形加强冻结管的开启，除裸露在外的或离开挖面较近的测点受热扰动影响温度上升之外，其余测点受异形加强冻结管影响均有不同程度的降温，离异形加强冻结管越近，温度降低幅度越大。然而随着开挖面裸露在外以及后续施作衬砌的影响，各测点温度均在回升，在最不利的时候，大部分测点（2-3—2-5、4-4—4-5、5-3—5-7）均在冰点以下，保证了管幕间冻土的封水性。但是仅离圆形主力冻结管最近的测点4-4、离异形加强冻结管最近的测点5-3低于-5℃，其余测点温度均靠近冰点，在安全边缘徘徊。

综上分析，比较2组试验结果，异形加强冻结管开挖前提前开启或者开挖时开启，均能抵御开挖和施作衬砌带来的热扰动。而当异形加强冻结管提前开启，形成良好的冻土帷幕后则开挖更安全。因此，开挖前应开启异形加强冻结管，对冻土帷幕进行强化。

6 结论与讨论

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，对管幕冻结法及其各类特殊冻结管进行了介绍，并结合管幕冻结大型物理模型试验，对异形加强冻结管的冻结效果及使用方法进行了分析，得出结论如下。

1）异形加强冻结管降温效果明显。离异形加强冻结管越近的区域受影响越大，主要集中在空顶管周围及两管之间距异形加强冻结管较近的区域。其影响表现在前期降温速度越快，最终降温幅度也越大。

2）异形加强冻结管能抵御开挖和施作衬砌带来的热扰动。但是，异形加强冻结管提前开启，形成良好的冻土帷幕后开挖更安全。

通过模型试验对异形加强冻结管进行研究，验证了异形加强冻结管在管幕冻结法中的重要作用，为其在拱北隧道中的成功运用提供了有力的技术支撑。

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Study on Freezing Effect and Operation of Profiled Enhancing Freezing-tube in Freeze-sealing Pipe Roof

REN Hui1，HU Xiangdong2，CHEN Jin2，ZHANG Jun3

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

Gongbei tunnel on Zhuhai Link of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge is to be constructed by“Freeze-sealing Pipe Roof”（FSPR）method.FSPR，serving as a forepoling system，consists of three types of freezing pipes with special functions.Profiled enhancing freezing-tube is aimed at minimizing the influence of the excavation disturbance and lining placement on the frozen soil.Based on the model experiment of FSPR，the effect of profiled enhancing freezing-tube is presented.Conclusions drawn are as follows：1）Using profiled enhancing freezing-tube can weaken the thermal disturbance arising from the excavation and lining placement；2）The safety of the excavation is improved because of the better frozen soil achieved by opening the profiled enhancing freezing-tube in advance.

Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge；Gongbei tunnel；freeze-sealing pipe roof；profiled enhancing freezingtube；model test

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.009

U 45

A

1672-741X（2015）11-1169-07

2015-05-20；

2015-10-20

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

任辉（1986—），男，湖南常德人，2015年毕业于同济大学，隧道及地下建筑工程专业，硕士，工程师，主要从事隧道及人工地层冻结的施工与管理工作。