水下联络通道积极冻结参数现场实测变化规律

杨振兴， 周建军， 郭 瑞， 陆岸典， 彭正勇， 张红研

（1.中国中铁隧道局集团有限公司，广州 511458； 2.盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001；3.广东粤海珠三角供水有限公司，广州 511458； 4.厦门轨道交通集团有限公司，福建厦门 361001）

近年来，为缓解城市地面交通压力，地下轨道交通建设如火如荼. 联络通道作为地下轨道交通的重要结构，起到集排水和疏散乘客的作用［1-2］. 联络通道施工是隧道施工过程中的最后一道程序，不仅要考虑自身结构和地面建筑物的安全，而且要确保隧道主体稳定，尤其是在软弱富水地层中施工［3］. 水平积极冻结加固土体与开挖施工是一种行之有效的联络通道施工方法，自1997年被首次运用在北京地铁隧道施工中，近年来已在地铁隧道、水下隧道中得到广泛应用［4-6］.

针对地铁联络通道积极冻结加固，众多学者开展了一系列研究，取得了部分研究成果. 数值模拟是常用的方法，饶志强、黄哲峰［7-8］依托南昌地铁1号线某站间联络通道的工程背景，运用ABAQUS有限元软件建立了数值模型，研究了不同季节采用冻结法施工时温度场、位移场及管片应力变化规律；黄浩斌［9］依托武汉市轨道交通7号线某站区间的异形联络通道工程，采用数值模拟方法研究了隧道、联络通道以及冻结壁随联络通道开挖步序的位移场和应力场变化规律；肖飞知和高柏松［10］采用三维有限元分析方法，对运用冻结法修筑某越江隧道联络通道的全过程进行了模拟，得到了冻胀力影响及冻胀量控制点. 除数值模拟方法外，工程现场实测也是研究地铁联络通道冻结加固施工的有效手段. 覃伟等［11］通过研究南京地铁二号线某超长联络通道（通道净长13.8 m）冻结施工全过程的现场实测数据，提出两侧隧道内分别打冻结孔，设置两个冻结站同时冻结的可行性，准确推算出不同土层中冻结壁发展情况和判断开挖时机；杨超和岳丰田［12］通过研究上海长江隧道联络通道冻结过程的现场实测数据，分析了冻土帷幕厚度、冻土平均温度、开挖面温度等参数的演化规律；陈雪莹等［13］通过对加固后的地层沉降变形、地下水位和联络通道净空收敛等实测数据的分析，验证了地下连续墙加膏浆注浆对圆砾地层注浆加固的可靠性；杨平等［14］以软土隧道联络通道冻结法工程为背景，对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测，分析了冻结壁的形成及解冻全过程.

总结来看，以上研究成果均是针对软弱地层中陆域地铁隧道工程，很少涉及水下隧道工程. 近年来，水下隧道在国内外发展迅速［15］. 相比于普通陆域隧道工程，水下隧道处于高水压、高透水及水力联系强的地质环境下，冻结加固施工难度大、风险高［16］. 截至目前，国内外部分学者对水下隧道主体冻结施工进行了部分研究，岳丰田等［17］研究了我国首个江底隧道联络通道冻结加固工程的设计、施工监测等，通过对冻结系统盐水温度、冻结帷幕土体等方面的监测结果分析，获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻胀压力、隧道变形的变化规律；蔚立元等［18］以青岛胶州湾海底隧道为工程背景，开展了流固耦合模型试验，记录了渗流量和关键点的位移、应力及渗透压力等多元信息；郑立夫等［19-20］基于流固耦合分析理论，利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟，研究了水下隧道冻结壁稳定性，通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律，实现了对冻结壁厚度的优化设计.

目前，水下隧道积极冻结施工的研究成果主要针对水下隧道主体施工，对于水下隧道联络通道积极冻结施工的研究成果很少. 由于隧道主体与联络通道在积极冻结施工技术、监测及施工风险防控等方面有较大差别. 因此，本文以上海某水下联络通道工程为背景，通过现场实测积极冻结施工中各项冻结参数，研究了整个冻结过程中冻结温度及卸压孔内压力等参数变化情况，并分析了冻土帷幕状况，获得结论可供类似工程设计和施工中参考.

1 工程背景

1.1 工程概况

上海某地铁盾构隧道左线里程为LK5+352.140、右线里程为RK5+340.000，左线隧道中心标高为-33.720 m，右线隧道中心标高为-33.213 m，盾构隧道中心距30.626 m. 两条隧道之间设有联络通道，埋深约13.04 m，位于水平面以下18.7 m，长15.642 m（隧道腰线处管片外侧间距），为圆筒形结构，通道净直径为2740 mm，喇叭口处净直径为3340 mm. 联络通道所处地层主要为⑤3-1粉质黏土层，通道顶部冻结壁少量处于⑤3t黏质粉土地层中，其结构横剖面见图1.

图1 联络通道结构剖面图（单位：m）Fig.1 Contact channel structure cross-section

1.2 测点布置

联络通道共布置7 个测温孔（2 个底部测温孔C6、C7布置在右线隧道，5个腰部测温孔和顶部测温孔布置在左线隧道）. 其中，C1和C2为近水平孔，C1孔布置在设计冻结壁的外边缘，C2孔布置于设计冻结壁的内边缘，C3～C7为斜孔. 另外，联络通道共布置有4 个卸压孔，右线隧道为X1、X2，左线隧道为X3、X4，测温孔及卸压孔的布置见图2.

图2 联络通道设计冻结孔、测温孔、卸压孔布置图Fig.2 layouts of freezing hole，temperature measurement hole and pressure relief hole of connecting channel design

另外，为了监测积极冻结过程中隧道变形情况，在隧道内布置了相应的位移监测点，见图3.

图3 隧道沉降及收敛监测点布置图Fig.3 Tunnel settlement and convergence monitoring point layout

1.3 积极冻结过程

联络通道设计有两圈冻结孔共38个，两圈冻结孔对打布置. 其中，外圈24个冻结孔从右线隧道开孔施工；内圈14个冻结孔从左线隧道开孔施工. 工程于2020年9月8日开始冻结，至10月23日结束，积极冻结共计45 d.

2 监测数据分析

2.1 冻结温度监测数据

积极冻结期间，提取前40 d内冻结温度，绘制低温盐水温度随冻结时间的变化曲线. 从图4 可以看出，当积极冻结5 d 左右时，盐水温度已降至-20 ℃以下；当积极冻结30 d左右时，盐水温度降至-30 ℃以下，之后基本稳定在-28 ℃左右，符合设计要求. 观察盐水去回路温差随冻结时间的变化曲线，近似为一条直线，且稳定在2 ℃左右，说明在积极冻结期间制冷系统运行良好.

图4 盐水温度随冻结时间的变化曲线图Fig.4 Graph of the variations of brine temperatures with freezing times

选取三个代表性测温孔的监测数据，分别为左线隧道位于腰线附近外边缘的测温孔C1以及位于顶部外边缘的测温孔C4，右线隧道底部的测温孔C7. 三个测温孔的温度随冻结时间的变化曲线分别如图5～7所示.

图5 C1测温孔内温度随冻结时间的变化曲线图Fig.5 Variation curves of temperatures in temperature measurement hole C1 with freezing times

整体来看，三个测温孔内温度随冻结时间的变化趋势相近. 在积极冻结前10 d内，冻结温度下降速率较大，之后孔内冻结温度的下降速率较缓，最终孔内最低温度基本都稳定在-15 ℃，说明积极冻结期间冻结效果良好.

当冻结时间相同时，观察同一测温孔内不同距离测点处的温度随冻结时间的变化趋势. 从图5可以看出，C1测温孔内不同距离处的温度非常相近，说明C1测温孔处冻结壁发展比较均匀. 相比之下，C4和C7测温内冻结温度随距离的变化较大，距离越远，冻结温度越高，这是由于这些测点距冻结管的距离较远. 总的来说，靠近联络通道内部的温度较低，冻结效果较好.

2.2 卸压孔压力的监测

提取左线隧道及右线隧道中的四个泄压孔内压力监测数据，绘制卸压孔内压力随冻结时间的变化趋势曲线. 从图8 可以看出，在积极冻结38 d 期间内，X1卸压孔内压力一直稳定在0.1 MPa左右. 分析原因，由于该泄压孔发生了堵塞，导致压力几乎没有上涨. 其他3 个卸压孔内压力变化趋势相似，在冻结初始阶段，孔内压力上涨速率较慢. 在积极冻结20 d 左右时，开始对左线的卸压孔进行泄压，使得左线卸压孔内压力有一个小幅度的快速上升. 在积极冻结30 d 左右时，卸压孔内压力均有一个快速上涨趋势，尤其是左线X3及X4卸压孔，孔内压力上涨明显，最大压力达到了0.65 MPa左右. 分析原因，在冻结了30 d 左右时再一次对卸压孔进行了泄压，之后每天都进行泄压，以保障施工安全.

图6 C4测温孔内温度随冻结时间的变化曲线图Fig.6 Variation curves of temperatures in temperature measurement hole C4 with freezing times

图7 C7测温孔内温度随冻结时间的变化曲线图Fig.7 Variation curves of temperatures variations with freezing times in temperature measurement hole C7

图8 泄压孔内压力随冻结时间的变化曲线图Fig.8 Variations of pressures in pressure relief holes with freezing times

2.3 冻土帷幕状况分析

为了进一步分析管片与冻土界面温度的发展情况，进而判断冻土帷幕的形成状况，在积极冻结40 d后，在C1、C2、C5、C6及C7五个测温孔1.1 m长度范围内布置了5 个测点监测温度变化情况. 标记管片与土体界面处为0 m，管片一侧测点距离为正值，反方向土体内测点距离为负值. 测点温度随测点距离的变化曲线如图9所示.

从图9可以看出，除C6测温孔以外，其余测温孔在1.1 m的测量范围内温度都比较平稳，且均处于-12 ℃以下，说明管片与土体界面处的冻土帷幕发展仍较好，并未受到界面散热及管片后注浆层的影响. 对于C6测温孔，在测温孔布置图中可看出，C6测温孔下方即为C7测温孔，此孔界面温度均保持在-16 ℃以下，且C6在界面附近外侧有外圈孔. 因此，虽然C6测温孔附近冻结温度受到影响，但界面平均温度仍在-8 ℃左右，满足设计要求.

图9 管片与土体界面处温度随距离的变化曲线图Fig.9 Variation curves of temperatures with distances at the interface between the pipe sheet and the soil

2.4 隧道变形监测

由于冻结及解冻过程中冻土冻胀融沉会使隧道发生变形. 因此，为保障施工安全，对左右隧道在积极冻结期间的变形情况进行了监测，如图10所示.

图10 隧道变形量随冻结时间的变化曲线图Fig.10 Variation curves of tunnel deformations with freezing times

从图10（a）可以看出，在积极冻结期间，由于受冻胀影响，右线隧道的变形量为正值. 四个测点处的变化趋势基本相近，冻结初期地表隆起速率较快，中间出现略微下沉趋势，之后又以较快速度隆起，变形最大值为4.45 mm. 相比以下，左线隧道则发生了一定程度的下沉，四个监测点的位移变化趋势相近，在冻结初期隧道下沉速率较快，达到一定峰值后又缓慢隆起，最大下沉变形量为-5.39 mm. 总体来看，右线及左线在积极冻结期间的变形量相近，且最大变形值均在设计允许范围内，说明积极冻结期间对隧道的影响不大，联络通道处于较稳定状态.

3 结论和建议

本文以上海某水下地铁隧道联络通道冻结加固施工工程为依托，根据现场实测数据，研究了积极冻结期间的冻结温度、卸压孔内压力、冻结帷幕形成及隧道变形随冻结时间的变化规律，主要结论如下：

1）积极冻结期间，盐水温度稳定在-28 ℃左右，且去路及回路温差基本保持在2 ℃，测温孔内温度随着冻结时间持续下降，最终基本保持在-15 ℃.

2）积极冻结期间，除X1卸压孔内压力因堵塞基本保持不变外，其余卸压孔内压力均在泄压时出现快速上涨现象，孔内最高压力为0.65 MPa左右.

3）积极冻结40 d时，管片及土体界面处1.1 m范围内测温孔内温度均处于-12 ℃以下，说明管片与土体界面处的冻土帷幕未受到界面散热及管片后注浆层的影响.

4）积极冻结期间，右线隧道有轻微隆起变形，最大变形量为4.45 mm，左线隧道出现下沉现象，最大下沉量为-5.39 mm，联络通道处于较稳定状态.

本文中针对水下联络通道进行实测获得的变化规律，可以用于指导水下联络通道或类似工程的施工.