基于土体冻结理论在地铁施工中的应用

2018-03-20王晨星刘远才刘德稳

森林工程 2018年2期

王晨星，刘远才，刘德稳

0 引言

冻结法是地下工程施工中经常会使用到的施工方法。是一种利用人工制冷技术使待开挖土体形成一个封闭的整体并使其符合人工开挖强度，最后进行隧道施工的一种特殊的施工方法。

我国在冻结法施工上进行了许多相关的研究［1-4］：南京林业大学的张婷博士和杨平教授介绍了人工冻结法在隧道施工中的应用及相关技术参数［5］；海南大学的胡俊博士运用有限元分析法探究了冻结法在不同管幕填充形式下的温度场发展规律［6］；朱云云、胡俊以苏州地铁某区间联络通道冻结施工为背景，建立了该工程的三维数值模型来分析冻结帷幕温度场的规律，同时提出优化对比方案［7］。

近年来，为了缓解交通压力，我国政府大力支持和发展城市基础设施建设，地下铁道的建造已成为无法阻挡的趋势。而冻结法作为一种安全、可靠、绿色的施工方法，在江苏、浙江、上海等地区的地铁建设中得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。

1 土体冻胀的基本理论

1.1 冻胀现象的本质

土体冻胀现象的机理十分复杂，是一个多种物理化学指标综合作用的耦合问题。它是一个复杂的相变、热传递、力和水分运动以及土体在荷载、温度、脱（浸）水作用下的各种过程［8-9］。在20世纪20年代，Casa.Grand在美国的New Hampshire开展了一系列的公路实地勘测。据当时的勘测资料显示，该地区地下水位大约2 m左右，在冻结土体的深度达到45 cm时，地表的冻胀总量为13 cm。在发生冻结前土体含水量为8%～12%，冻结后含水量达60%～110%。经过后续的人工开挖发现：土体中包含了大量的冰晶体和冻结夹层。由此可以得出初步结论：土体冻胀现象是由水分子的迁移运动引起的。具体过程如图1所示。

图1 液态水变为固态冰的分子运动图Fig.1 Molecular motion of liquid water into solid ice

目前，有关冻胀理论业界普遍接受的是Martin在20世纪60年代所得出的土体冻胀的物理模型。该模型的主要内容是［5］：在-0.5～-30℃的温度条件下，土体表面存在的结合水会结成冰晶体，但是表面总会存在一层未冻水膜。伴随着温度的逐渐降低，未冻水膜会由外而内逐渐渗透。假设地基土中的水是一个开放的系统，温度的降低就会使得冰透镜体的面积不断扩大，从而最终导致了冻胀现象的产生与发展。

1.2 冻胀现象相关力学指标

冻土是一种特殊的非弹性土体。一般情况下，将其失稳时的临界应力作为冻土的强度指标。而冻土的强度指标又有两个，分别是瞬时强度和持久强度。

冻土具有高强度特点的主要原因是：低温作用使得原先较为松散的土体形成了一个坚实而又封闭的整体。接下来，对冻土的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度三大强度指标进行阐述说明。

1.2.1 冻土的抗压强度

冻土的抗压强度是指冻土所能承受的最大压应力。它的大小主要取决于温度、含水量以及土体类型的影响。该项指标对于评价冻土在短时荷载作用下的强度有着重要意义。

（1）温度的影响

冻土的抗压强度与温度成反比。计算公式如下：

式中：a、b、n为冻胀土的相关参数；θ为负温绝对值，℃。

对于公式（1）中冻土的相关参数a和b可以在表1中进行取值。

表1 a、b 取值表 MPaTab.1 The chart of the a, b values

（2）含水量的影响

含水量对抗压强度的影响十分巨大。在含水量未达饱和状态时，抗压强度与含水量成正比；但达到饱和状态后，二者成反比关系。

（3）土体类型的影响

在冻结温度相同的条件下，抗压强度与土体颗粒的粒径成正比。例如最常见的黏土、砂土和砾石3种岩石，在受到冻结影响后，其抗压强度依次增大，分别是冻黏土、冻砂土和冻砾石。由此可见，土体类型对冻土的抗压强度影响很大。

1.2.2 冻土的抗拉强度

冻土的抗拉强度一般由最大拉应力指标来表示。影响因素主要有外界冻结温度、土体含水量以及土体颗粒等。这其中，抗拉伸蠕变也是十分重要的特点之一。首先是破坏性质，冻土的抗拉伸试验与其它一般土体的压缩试验不同。冻土的抗拉伸试验无论是不同温度条件下还是在不同的加载速度下均发生脆性破坏。但脆性破坏的时间却十分短暂，以至于采用人工方法无法提前预防。面对这种情况，在对承载力进行设计时往往采用提高可靠度指标的方法来预防脆性破坏。

1.2.3 冻土的抗剪强度

描述冻土的抗剪强度一般采用在正应力条件下冻土所能承受的最大剪应力来表示。在冻土荷载作用时间延长的情况下，冻土中的冰会逐渐融化使之产生一定的流动性，在这种情况下，荷载的作用时间与冻土的强度会成反比关系。1776年法国科学家C.A.Coulomb经过长期的岩土试验得出了无粘性土和粘性土的抗剪切表达式［8］：

式中：c为土的粘聚力；σ为剪切面上的法向力；为土的内摩擦角。

2 冻结法施工的原理以及要点

2.1 岩土冻结方法的分类

2.1.1 低温盐水法

低温盐水法是一种间接冻结岩土的施工方法。其施工原理是：将氨、氟利昂等其它制冷物质注入制冷压缩机中进行循环做功，使盐水降至0℃以下，从而变成制冷媒介，最后通过冻结管将低温盐水运送到岩层之中从而达到冻结土体的目的。低温盐水法由以下三个循环工作系统组成。

（1）氨循环系统：如图2所示，采用氨来吸收盐水中的热量，通过氨物质的液—气状态转换在蒸发皿中形成一个氨循环系统；

图2 氨循环系统Fig.2 Ammonia circulation system

（2）盐水循环系统：如图3所示，首先将（1）中得到的低温盐水送进入冻结管内，吸收岩体中的热得到高温盐水，然后进入盐水箱内进行处理使之再重新变为低温盐水，接下来让低温盐水再次进入冻结管，经过多次循环使岩层的温度降低，最后形成人工冻结壁。

图3 氨循环系统Fig.3 Brine circulation system

（3）冷却水循环系统：如图4所示，低温水通过水泵压送进入冷凝器，水吸收气氨热量，并把热分子传递到大气层之中，从而完成了冷却水循环。

图4 氨循环系统Fig.4 Cooling water circulation system

这种冻结系统可以达到的效果是：人工获取-20～-35℃温度范围内的低分盐水，在两到三个月的时间里冻结岩土。

2.1.2 液氮冻结法

如图5所示，只需要通过压强的作用把液氮（即人工冷媒）抽入地层之中并做好热尾气处理即可达到人工冻结土体的目的。液氮可以达到-190℃的低温，使管内温度极低，短则几个小时多则几十个小时即可形成冻结壁。故而液氮冷冻法有冻结速度快、冻结强度高，在抢险堵水的紧急情况下快速便利的优点，长期以来也受到了施工单位的青睐。但是液氮提取较为复杂，成本相对也较高。相对于盐水法其应用比例不高，目前多用于工期特别紧张的工程中。

图5 氮循环系统Fig.5 Schematic diagram of liquid nitrogen freezing method

2.2 施工原理以及施工工艺

2.2.1 冻结法施工原理

如图6、图7所示，首先需要在地层中进行管道铺设工作，安装冻结机械和相应的循环系统；然后利用制冷媒介吸收土体的热量，使岩土中的水结冰，最终形成了人工开挖所需要的临时固结体，达到加固地层、创造无水施工环境的目的。在冻结工作完成后即可进行隧道的开挖工作，直到刚性支护工作完成后，方可停止制冷。最终随着时间的增加，人工冻层会逐步解冻，恢复岩土的初始状态。

图6 冻结系统示意图Fig.6 Schematic diagram of freezing system

图7 冻结示意图Fig.7 The diagram of Freezing

冻土的形成并不是一成不变的，随着时间的推移也会伴随着土体内部的变化而变化。首先是土体中的自由水由液态变为固态,其次是松散的固体颗粒胶结成人工冻结体。但是在冻结的不同时间段，土体中的自由水变化也不一样，该过程按照时间来划共有5个阶段的变化。具体变化如图8所示。

图8 冻土中自由水冻结曲线Fig.8 Free water freezing curve in frozen soil

土体冻结是随时间推移而变化的复杂渐变的热力学过程。实际上在任何负温条件下的冻土内部总会存在薄膜水使未冻状态下的水分子与冰共存。在一定的温度区间内，土壤颗粒大多都处于由松散到固结的过渡状态，而不同土壤类型的过渡温度也都不尽相同。常见土体的过渡温度见表2。

表2 典型土壤冻结过渡状态的平均温度 ℃Tab.2 Average temperature of transition state of soil freezing

2.2.2 冻结法施工工艺

冻结法施工的施工工艺分为三大阶段、四大工序。

（1）三大阶段包括：

①扩展冻结阶段：在前期准备工作完成后开始冻结作业，并将人工冻结壁扩大到设计所需厚度的工作阶段。

②冻结保护阶段：在保证冻结壁强度和厚度的前提下，进行正常施工作业的阶段。

③解除冻结阶段：在施工完成即可停止制冷，并逐渐恢复初始土温的阶段。

（2）四大工序包括：

①施工准备：制冷站的建立、水电系统供应、冻结钻孔的量测工作、制冷机械的运输与安装、冻结管线的铺设。

②进行冻结管试漏以及集配液圈安装。

③积极冻结期的温控监测以及维护冻结期的地下工程开挖以及衬砌施工。

④在工程完结之后的设备拆除工作。

3 工程实例

地铁的联络通道有着连接隧道、排水和防火的重要作用，其施工过程中不仅要考虑隧道结构的安全，更要兼顾盾构机械作业的安全与稳定。但是当遇到地层复杂，地下水含量丰富的地段时，常见的土体加固方法很难达到预期的效果，并且由于结构稳定性等多方面的原因，不得不采用冻结法施工来达到加固土体、提高结构稳定性的目的。该方法在我国多个城市的隧道施工中得到成功应用［10-12］。

3.1 工程概况

广州地铁某区间隧道联络通道地处透水地层，该联络道结构参数如图9所示。上方岩土分布为粉细砂层、淤泥及杂填土等，下方岩土分布为：淤泥质土、硬塑粘土和全风化红岩等。盾构隧道洞身上方地层岩性为粉细砂层，下方地层为淤泥质土和粉细砂层［13］。地质条件较为复杂。

图9 联络通道结构图Fig.9 Structure of cross passage

考虑到本地区地质条件的复杂性，该工程的初始施工方案是采用地面双管旋喷桩加固的办法，但在实际实施过程中先后三次出现涌沙险情，无法继续开挖。原因是该地区地下水流动性大，若发生漏水沙涌现象的话，隧道会被淹没，所以，采用传统的注浆加固无法形成封水系统。既要兼顾施工期限也要保证施工安全，决定先采用冻结法加固富水地层，然后采用矿山法完成施工开挖的方案。

3.2 冻结法施工及信息化监测

3.2.1 冻结孔洞布置及冻结技术指标

（1）冻结过程中的孔洞布置设计

本工程的冻结孔洞按照上、中、下3种角度在隧道两侧进行布置。除了传统的冻结孔设置以外，为了减小冻结法施工对隧道周围结构的影响，还要在上下行线上布置卸压孔。而测温孔和测压孔均是为了后续施工中的冻结信息化监测布置的。如图10、图11所示，其中，冻结孔64个，测压孔2个，卸压孔4个，测温孔1个。在进行冻结法施工之前，需要对孔洞布置进行设计，设计原则是避开管片接缝、螺栓和主筋。

图10 上行线各孔洞布置Fig.10 The arrangement of holes of the up line

图11 下行线各孔洞布置Fig.11 The arrangement of holes of the down line

（2）冻结施工中的设备以及相关技术指标

本工程采用的冻结设备有：通道盐水循环泵、通道冷却水循环系统、两台KST-80型号的冷却塔，供液管采用焊接方式连接，盐水干管和集配液圈采用无缝钢管。技术指标包括：盐水的积极冻结温度（-28～-30℃）、盐水的维护冻结温度（-25～-28℃）、积极冻结时间为40 d左右、冻结孔单位流量大于5 m3/h、联络道冻结壁有效厚度为1.8 m、冻结平均温度小于-10℃。

3.2.2 冻结施工工况及信息化监测

（1）具体施工情况

该联络道工程于2009年9月21日开始施工，其中冻结施工历时50 d。最后根据其50 d后的监测数据进行分析得到：冻结壁厚度＞1.8 m，土体平均温度＜-10℃，该指标均满足所规定的冻结指标。具体开挖工况见表3。

（2）冻结施工的信息化监测

冻结法施工在地下水含量丰富的复杂地质条件中有着非常优越的表现，它成功地解决了在富水地层条件下盾构施工无法顺利进行的问题。并且与其他施工方法相比，冻结法施工具有快捷方便、安全环保等优点。但是土体冻结机理十分复杂，在整个冻结法施工的过程中，冻结加固涂层的物理性质也会发生巨大改变，比如过度冷冻所带来的冻胀融沉现象。

表3 施工进度表Tab.3 Construction schedule

鉴于上述所提到的冻害问题，需要在整个施工过程中对温度力场以及位移场进行全面信息化检测，以便适时掌握和控制相关施工参数，保证施工过程安全有序地进行。在本次工程中，对广州地铁某联络道冻结施工中的冻结帷幕温度场、钢护筒内壁温度场、与盾构管片接触的土体冻胀压力以及隧道盾构变形4大指标进行监测。结果如下：

①对于冻胀帷幕的温度监测是采用数字传感器对测温孔内的温度进行监测，并把监测数据输入到计算机上来实时反映冻结施工中的帷幕温度变化。

②安装钢护筒并进行温度监测是考虑到广州地区的温度较高，由于气体对流效应的存在会导致冻结土体的融化，影响冻结强度。故而在钢护筒内壁安装冷冻盘管，监测数据表明该措施可以很好地保证冻土的强度，有利于后期的隧道开挖。

③由于隧道管片与周围土体的紧密连接，冻结后土体的压力以及上部结构所传导的荷载对管片有直接影响，所以在施工中对于管片—土体两者的监测是非常必要的。监测结果表明：冻结40 d前后冻结土体开始交圈，交圈完成后冻胀压力开始降低。

④土体冻结之后体积会增加，其产生的张力对隧道结构会有一定影响，所以要对隧道变形进行监测。监测结果表明：隧道变形在冻结初期发展较为缓慢，交圈之后发展速度开始加快，达到一定数值后又开始回落。总体来说监测情况基本与压力变化情况相对应。

4 结论

本文主要对冻结法施工的物理学指标和力学指标阐述，以广州地铁某联络道冻结法施工的工程为例对冻结法在地铁施工中的应用进行了论证。对地下水复杂的地区采用冻结法施工并及时进行信息化监测，从而减少了由于工法变更所引起的不必要损失，具有一定的借鉴价值。虽然冻结法有许多其他施工方法无法比拟的优点，但这种方法会产生冻融等不良影响，土体的加固属于临时固结性质，长期效果不好。所以，对于冻结所引起的土体融沉现象仍是今后研究的重点。

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