联络通道冻结法设计关键要点及数值模拟

郭森华，董 涛

（广东华隧建设集团股份有限公司 广州 511442）

0 前言

联络通道是设置在隧道之间的横向通道，它是隧道工程的重要组成部分，具有紧急疏散和汇集、排放积水的双重功能。冻结法用于联络通道施工主要解决的是岩土体的封水加固问题，联络通道施工一般采用盐水循环的冻结方式加固地层达到安全开挖的要求。近些年，联络通道的冻结法施工日渐增多［1-6］，冻结法技术的关键是冻结壁厚度和平均温度的确定，诸多工程采用了数值模拟的方法对其进行研究［7-15］。本文以某新建铁路区间联络通道工程为背景，基于联络通道冻结法设计关键要点，通过数值模拟对联络通道冻结壁应力、位移进行了计算和分析。

1 工程概况

某新建铁路两站区间线路全长6.36 km，隧道（含U型槽）总长5 345 m，盾构段长4 650 m。本工点共设置联络通道10处，其中9号联络通道采用水平冻结法加固地层，矿山暗挖法施工，隧洞中心距为18.69 m，联络通道处隧道顶覆土厚度约26.273 m，自上而下土层为圆砾、含砾粉质黏土，地下水水位较浅，埋深1～2 m，联络通道结构示意图如图1所示。

图1 联络通道结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Connected Passage Structure （mm）

联络通道位于规划道路下，附近无地下管线，南侧为某高架桥，高架桥距联络通道约250 m，北侧为某小区，该小区距联络通道约80 m，东侧和西侧为空地。

2 设计关键要点

2.1 设计思路

隧道工程的联络通道利用冻结法加固地层，其设计思路如下：

⑴分析联络通道所处的工程地质条件，查明联络通道正上方20 m范围内地面建筑物及地下管线等。

⑵依据联络通道处上、下行隧道的中心埋深，确定联络通道冻结壁的厚度。

⑶验算该厚度的冻结壁强度（一般取-10 ℃，管片与冻土交界面-5 ℃），采用数值模拟法及结构力学法验算，强度指标取相应地层试验数据或参考类似工程数据。

⑷在冻结壁强度满足要求的前提下，合理布置冻结孔，使得冻土发展最终能够达到设计有效厚度。

⑸通过设置测温孔及泄压孔监测冻结壁的发展速度和判定冻结壁是否交圈，并给冻结壁平均温度的计算及冻结壁厚度的确定提供数据支持。

⑹上、下行隧道的联络通道洞口两侧各设两榀预应力支撑，并计算其强度及变形。

⑺合理布置联络通道内初期型钢支撑，并计算其强度（含木背板强度计算）。

⑻在开挖侧设置防护门，并计算防护门强度和验算门框强度。

⑼其它常规设计（包括冷冻排管、注浆孔等）。

2.2 周边环境及工程地质条件

应重点关注联络通道的周边环境，查明地面影响范围内（周边20 m）建筑物情况，在布置平面图上标注其位置，并列表地下管线的种类、管材、管径、埋深。设计需重点关注的是周边正在施工的基坑和已有的大直径中（高）压管路。

应分析是否存在承压水的影响，地下水流速对富水复合地层中冻结效果的影响，重点关注地下水与地表水的水力联系和地层是否存在有毒有害气体，对处于砂层中的施工风险提出相应的预防措施，包括：孔口管的固定，利用压紧防喷装置防止其脱落；钻孔过程中的水土流失，利用地层补偿注浆技术防止其沉降；管片与冻土交界面的加强，利用增加冻结孔进行处理。

2.3 冻结壁厚度

冻结壁厚度设计应遵循既满足承载力及封水需要，又经济合理，常规联络通道冻结壁厚度设计表如表1所示。隧道中心埋深接近表1 所列的分界值时，冻结壁厚度可依据周边环境及工程地质条件按表列值提高（或降低）一档取值。联络通道处于江底或承压水地层中应优先考虑侧墙双排孔冻结，地下水流速大于2 m/d时应优先考虑侧墙双排冻结孔梅花状布置。

表1 常规联络通道冻结壁厚度设计Tab.1 Design for Frozen Wall Thickness of Conventional Connected Passage

2.4 冻结壁平均温度及交界面温度

冻结壁平均温度取值与覆土厚度有关，覆土厚度不大于25 m，冻结壁平均温度可按-8 ℃控制，覆土厚度大于25 m，可按-10 ℃控制。一般地，出于安全考虑可取-10 ℃，冻土强度与冻结壁的平均温度成正相关，在进行强度验算时要满足安全系数要求，抗压安全系数可按2.0，抗拉安全系数可按3.0，抗剪安全系数可按2.0。冻结孔周围冻土由内向外发展，温度由低到高分布，呈连续但非稳态状态，一般通过成冰公式计算，如下式所示：

式中：t为冻结壁平均温度（℃）；tb为盐水温度（℃），以测温总去路温度为准；L为孔间距（m），取实际最大孔间距；E为冻土厚度（m），取冻结壁最小有效厚度；tB为井帮温度（℃），取冻土与管片交界面温度，即探孔温度采用双排或群孔冻结时冻土平均温度应适当降低，一般取-12 ～（-13）℃。含盐（氯离子）地层中，水的冰点会降低，-10 ℃下的强度指标不一定能满足承载力要求，冻结壁平均温度也应适当降低。交界面温度一般是指冻土与管片交界面温度及冻土有效厚度内、外侧边界温度，控制指标为不大于-5 ℃。对于冻土与管片交界面温度，因隧道内空气流通、管片散热等原因，在隧道管片上冻土范围边界外1 m 要敷设保温板，考虑冷量损失还应布设冷冻排管密贴管片加强冻结。对于冻土有效厚度内、外侧边界温度，可通过测温孔判定，辅以探孔校核。-5 ℃的交界面温度与-10 ℃冻土平均温度相比，其强度指标要小，考虑冻土与管片间的粘结力，交界面会因粘结力不够造成整体失稳而导致险情，因此，控制交界面的温度就显得尤为重要，需要重点关注管片保温、冷冻排管、探孔等。

2.5 单孔盐水流量

冻结孔的单孔盐水流量与冻结管的直径、冻结管的串联长度有关，以φ89×8的冻结管为例，串联长度不大于40 m，单孔盐水流量可取3.0～5.0 m3/h，串联长度为40～80 m，单孔盐水流量可取5.0～8.0 m3/h。需要关注串孔长度（冻结管串联成组的长度一般不超过50 m）、冻结孔并联组数，其中盐水泵功率要满足长距离输送所要求的最小扬程，盐水主干管总流量必须大于并联组数流量的总和。

2.6 盐水温度控制

盐水温度控制主要包括盐水降温梯度、最低盐水温度和温差等方面。

积极冻结7 d后盐水温度宜降至-18 ℃以下，积极冻结15 d 后盐水温度应降至-24 ℃以下，开始开挖构筑时盐水温度应降至设计最低盐水温度以下。施工初期支护后可转入维护冻结，但维护冻结盐水温度不宜高于-25 ℃，并确保冻结壁与隧道管片的交界面不化冻。需要关注：①假如冻结7 d 盐水温度未降至-18 ℃以下，或者15 d 未降至-24 ℃以下，应延长冻结时间，具体以降至-18 ℃（-24 ℃）以下天数往前推7 d（15 d）作为积极冻结的起始日，多出来的天数可进行冻结系统的调试，同时当作冻结壁的安全储备；②假如开挖时，盐水温度始终未降至设计最低盐水温度，也应延长冻结时间予以弥补，延长的天数可结合测温数据、探孔、去回路温差等综合判定。

最低盐水温度可根据设计冻结壁厚度、平均温度、地层环境及气候条件确定，设计冻结壁平均温度低且地温高时宜取较低的盐水温度，如冻结壁平均温度为-8～（-10）℃，最低盐水温度可取-28～（-30）℃；冻结壁平均温度小于-10 ℃，最低盐水温度可取-30 ～（-33）℃。开挖时，去、回路盐水温差不宜高于2 ℃。需要关注：①积极冻结期间，盐水去路在-28 ℃以下循环的天数（一般22 d以上）；②水泥系搅拌桩加固的地层，因水化热影响，地层原始温度会升高，再用冻结法加固时的最低盐水设计温度一般取-30 ℃以下；③盐水去、回路温度应以干管上分组前端实测数据最为准确；④2 ℃以内的去、回路温差是表明地层中的热交换已趋于稳定（冻土发展速度明显减小且稳定）。

2.7 积极冻结时间

积极冻结时间与冻结壁有效厚度、冻结壁交圈时间、冻土扩展速度有关，冻结壁交圈时间等于冻结孔成孔控制最大间距与两倍单排孔冻结壁单侧平均扩展速度的商，单排孔冻结壁单侧平均扩展速度设计参考值如表2所示，积极冻结时间设计参考值如表3所示。

表2 单排孔冻结壁单侧平均扩展速度设计参考值Tab.2 Design Reference Value for Average Expansion Speed of Frozen Wall on One Side of a Single Row of Holes

表3 积极冻结时间设计参考值Tab.3 Design Reference Value for Active Freezing Time

在满足单孔流量、降温梯度及最低盐水温度循环天数等条件下，参考单排孔冻结壁单侧平均扩展速度达到有效冻结壁厚度所需要的天数，即为积极冻结时间，实际工程的积极冻结时间应依据冻结效果综合判断。

3 数值模拟

该工程联络通道冻结壁有效厚度为2.5 m，冻结壁平均温度为-10 ℃，冻土的弹性模量和泊松比分别为120 MPa 和0.25，冻土强度指标为抗压3.6 MPa，抗拉2.0 MPa，抗剪1.5 MPa。用数值模拟法进行冻结壁的受力分析与变形计算，冻结壁力学分析采用均质线弹性三维模型，计算所得变形为弹性变形，冻结壁的有限元模型如图2所示，限于篇幅，选取典型的应力云图如图3、图4所示，变形云图如5所示。

图2 冻结壁有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Frozen Wall

图3 冻结壁SXX应力云图Fig.3 SXX Stress Cloud Map of Frozen Wall

图4 冻结壁SXY应力云图Fig.4 SXY Stress Cloud Map of Frozen Wall

图5 冻结壁变形云图Fig.5 Frozen Wall Deformation Cloud Map

数值模拟计算结果如表4所示，由计算结果可知，冻结壁的抗压、抗拉和抗剪强度安全系数满足要求，均具备一定安全储备，且计算没考虑随挖随支的有利影响，安全性较高。最大位移为15.9 mm，满足最大限值的要求，所以冻结壁能够满足强度和变形要求。

表4 联络通道冻结壁应力、位移计算值及验算Tab.4 Calculated Value and Verification of Stress and Displacement on the Frozen Wall of the Connecting Passage

4 结语

本文基于联络通道冻结法设计关键要点，确定该联络通道冻结壁厚度为2.5 m，平均温度为-10 ℃，通过数值模拟计算分析可知，冻结壁最大压应力为1.5 MPa，最大拉应力0.3 MPa，最大剪应力0.6 MPa，由此可得抗压、抗拉和抗剪的安全系数分别为2.4、6.7 和2.5，满足冻结壁强度安全系数的要求。冻结壁最大移位15.9 mm，变形指标按30 mm 控制，满足冻结壁变形的要求。对于联络通道冻结法设计，首先明确设计思路，用以指导整个设计过程，任何环节都非常重要；其次根据工程概况，结合周边环境及工程地质条件进行针对性地设计分析；再次确定冻结壁厚度和温度，它是整个冻结法设计中最核心的部分；然后确定盐水流量、温度和积极冻结时间，以确保冻结壁厚度和温度达到设计要求；最后通过数值模拟对冻结壁的强度和变形进行计算和分析，该工程的顺利实施也表明了数值模拟结果的合理性。