崔兵兵 李方政

（煤炭科學(xué)研究總院，100021，北京∥第一作者，碩士研究生）

為解決凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞施工免拔管的問(wèn)題，更好地了解在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中PVC（聚氯乙烯）凍結(jié)管的可切割性，在凍土中的滲漏性和導(dǎo)熱性，以及在實(shí)際工況和施工工藝的凍結(jié)規(guī)律，特進(jìn)行本次盾構(gòu)進(jìn)洞免拔管鹽水凍結(jié)加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［7］。試驗(yàn)選擇在上海市軌道交通12號(hào)線18標(biāo)國(guó)際客運(yùn)中心站－天潼路站區(qū)間隧道天潼站東端頭井盾構(gòu)進(jìn)洞施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

上海市軌道交通12號(hào)線18標(biāo)國(guó)際客運(yùn)中心站－天潼路站區(qū)間隧道上行線和下行線均從天潼站東端頭井盾構(gòu)進(jìn)洞。東端頭井洞門中心標(biāo)高－16.954m，地面標(biāo)高＋2.800m。該進(jìn)洞位置隧道埋深較大，底部埋深23.104m，且地面周邊環(huán)境復(fù)雜、沒(méi)有地面施工場(chǎng)地。本工程采用水平凍結(jié)法進(jìn)行地基加固。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)資料，本工程施工時(shí)涉及的主要土層為：①1填土、②1褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土層、②3灰色黏質(zhì)粉土、④1淤泥質(zhì)黏土層、⑤1－1灰色黏土層、⑤1－2灰色粉質(zhì)黏土層。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用在盾構(gòu)進(jìn)洞口周圍土層中布置水平凍結(jié)孔的加固方法，在洞口外側(cè)形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用是抵抗土層側(cè)壓力的作用，防止泥砂和地下水進(jìn)入隧道進(jìn)洞口，確保盾構(gòu)進(jìn)洞安全順利。

下行線隧道進(jìn)洞加固水平凍結(jié)孔56個(gè)，外圈凍結(jié)孔深度6.3m，內(nèi)圈凍結(jié)孔深度3.7m；總長(zhǎng)度290.4m。凍土墻的擴(kuò)展速度取25mm／d。估計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間35天后可以進(jìn)行盾構(gòu)進(jìn)洞工作。

試驗(yàn)為首次采用PVC管作為鹽水凍結(jié)管在盾構(gòu)進(jìn)洞中應(yīng)用，為保證工程的安全性，在不改變?cè)袃鼋Y(jié)孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，單獨(dú)設(shè)置了兩個(gè)凍結(jié)孔采用PVC管作為凍結(jié)管，并通過(guò)測(cè)溫孔收集數(shù)據(jù)，研究PVC凍結(jié)管的溫度分布規(guī)律。PVC凍結(jié)孔和測(cè)溫孔的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 PVC凍結(jié)管和測(cè)溫孔的位置關(guān)系

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)凍結(jié)管使用U－PVC管，具有較好的抗拉、抗壓強(qiáng)度，流體阻力小，耐腐蝕性強(qiáng)，良好的水密性。試驗(yàn)使用的型號(hào)是φ90×5mm的U－PVC管，供液管使用φ40×3mm無(wú)縫鋼管，PVC管連接3通作為回液管。

2.2 凍結(jié)孔施工

試驗(yàn)設(shè)計(jì)PVC凍結(jié)孔凍結(jié)孔間距0.4m，孔深3.7m。試驗(yàn)使用水平鉆機(jī)開(kāi)凍結(jié)孔，鉆頭使用φ110 mm，開(kāi)孔至設(shè)計(jì)深度后，拔除鉆頭，塞進(jìn)PVC凍結(jié)管。PVC凍結(jié)管端部使用PVC悶頭和PVC專用膠密封，法蘭盤鏈接接入40低碳鋼管作為供液管。

鹽水循環(huán)前對(duì)PVC凍結(jié)管進(jìn)行打壓試漏，清洗后用保溫板保溫，保溫厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。打入土體的PVC凍結(jié)管見(jiàn)圖2。

圖2 PVC凍結(jié)管孔

3 試驗(yàn)分析

3.1 滲漏性

試驗(yàn)凍結(jié)過(guò)程共50天，鹽水循環(huán)前對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行了打壓測(cè)試，檢測(cè)PVC凍結(jié)孔的水密性，鹽水凍結(jié)過(guò)程中通過(guò)鹽水水位的監(jiān)測(cè)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程也未出現(xiàn)鹽水滲漏現(xiàn)象，滿足工程的需求。

3.2 可切割性

凍結(jié)結(jié)束后，U－PVC凍結(jié)管和形成的凍結(jié)壁一起被盾構(gòu)刀盤切削進(jìn)入土倉(cāng)，通過(guò)螺旋機(jī)出土，隨盾構(gòu)出土一起排出。由于U－PVC凍結(jié)管強(qiáng)度較低，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，經(jīng)過(guò)刀盤和螺旋機(jī)的雙重破壞，其破碎效果可以滿足盾構(gòu)出土的要求。

3.2.1 凍結(jié)管碎片的排出

PVC凍結(jié)管被盾構(gòu)刀盤切削破壞后進(jìn)入土倉(cāng)，經(jīng)過(guò)螺旋機(jī)的攪拌作用，凍結(jié)管碎片和盾構(gòu)的出土倉(cāng)充分的混合，隨盾構(gòu)出土一起排出［4］。

3.2.2 凍結(jié)管的破壞形式

PVC凍結(jié)管在凍結(jié)期間一直處于凍結(jié)壁中，其被盾構(gòu)刀盤切削后表現(xiàn)為低溫破壞形式，即脆性破壞。考察凍結(jié)管破壞的斷面，一般都為楔形，故凍結(jié)管發(fā)生了剪切破壞［7］，破壞形式見(jiàn)圖3。

圖3 凍結(jié)管在盾構(gòu)中的剪切破壞

3.2.3 凍結(jié)管的碎片尺寸

破碎后的PVC凍結(jié)管碎片要滿足螺旋機(jī)出土的要求，所以凍結(jié)管碎片的尺寸一般都比較小。從收集到的碎片統(tǒng)計(jì)來(lái)看，最大的凍結(jié)管碎片的尺寸為330×120mm，但凍結(jié)管碎片短邊長(zhǎng)度一般都不大于150mm，容易被盾構(gòu)機(jī)出土，不會(huì)影響盾構(gòu)的推進(jìn)和螺旋機(jī)的出土施工。

3.2.4 凍結(jié)管碎片尺寸的分布

將施工現(xiàn)場(chǎng)收集到的凍結(jié)管碎片進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，按碎片長(zhǎng)邊的尺寸統(tǒng)計(jì)的結(jié)果見(jiàn)表1。尺寸結(jié)果分布圖4。

表1 PVC凍結(jié)管碎片統(tǒng)計(jì)

圖4 凍結(jié)管碎片尺寸結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

凍結(jié)管在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的破碎效果，直接影響盾構(gòu)的正常推進(jìn)。PVC材料在低溫情況下易發(fā)生脆性破壞。

從破碎效果看，盾構(gòu)推進(jìn)可以將凍結(jié)管破碎的尺寸控制在100mm左右，容易直接被螺旋推進(jìn)出土，不會(huì)影響盾構(gòu)的推進(jìn)和螺旋機(jī)的出土施工。

3.3 導(dǎo)熱性

要研究PVC管的導(dǎo)熱性，就需要對(duì)鹽水凍結(jié)時(shí)PVC管溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。研究PVC管的溫度場(chǎng)的意義在于：一是求解凍結(jié)壁的強(qiáng)度，確定作為臨時(shí)支護(hù)的凍結(jié)壁厚度；二是為了了解與檢查凍結(jié)壁形成情況及厚度；三是了解凍結(jié)壁的發(fā)展速度，確定合理的凍結(jié)時(shí)間；四是為了確定冷量的消耗，作為凍結(jié)方案比較的依據(jù)。

凍結(jié)管外壁沿長(zhǎng)度方向布置的測(cè)溫傳感器測(cè)量了凍結(jié)過(guò)程中的凍結(jié)管壁外的溫度，反映了管壁外溫度與凍土交換情況。

從測(cè)點(diǎn)溫度的降溫曲線可以看出，凍結(jié)開(kāi)始后的土體冷卻階段和凍結(jié)后期凍土的降溫階段，測(cè)點(diǎn)的降溫趨勢(shì)明顯，而在－8℃附近，由于凍土的水化潛熱的影響，降溫趨勢(shì)變緩。凍結(jié)管壁溫度分布情況如下：

（1）凍結(jié)管在不同鹽水溫度下，凍結(jié)管壁上距離凍結(jié)管200mm，350mm的測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖5及圖6。

圖5 S1凍結(jié)管管壁溫度隨時(shí)間變化曲線

圖6 S2凍結(jié)管管壁溫度隨時(shí)間變化曲線

由上圖可知，由于U－PVC的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)低碳鋼管很低，是鋼管的0.005倍。在凍結(jié)初期，PVC凍結(jié)孔管壁的溫度和鹽水溫度相差很大，最大可達(dá)11.5℃。但隨著凍結(jié)的繼續(xù)，凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，由于冷源溫度逐漸較低，凍土板塊區(qū)域逐漸增大，PVC凍結(jié)孔管壁的溫度有明顯的下降，和鹽水的溫度差逐漸減少，在凍結(jié)后期，鹽水溫度在－30℃穩(wěn)定，PVC凍結(jié)管管壁的溫度最低達(dá)到－25℃，并穩(wěn)定在－25℃，平均溫度較低，滿足工程的需求。

（2）將試驗(yàn)所得S1和S2凍結(jié)孔溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，對(duì)PVC凍結(jié)管壁溫度發(fā)展規(guī)律的擬合，得出試驗(yàn)的無(wú)量綱PVC凍結(jié)管壁溫度與低溫鹽水溫度的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖7）。

擬合曲線的方程為：

其中：an－1為實(shí)常數(shù)，取值見(jiàn)表2。

圖7 管壁溫度與鹽水溫度的關(guān)系曲線

表2 an－1取值

（3）凍結(jié)壁溫度分布特征。C1和C2測(cè)溫孔所測(cè)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 C1和C2測(cè)溫孔溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

從測(cè)點(diǎn)溫度的降溫曲線可以看出，凍結(jié)開(kāi)始后的土體冷卻階段和凍結(jié)后期凍土的降溫階段，測(cè)點(diǎn)的降溫趨勢(shì)明顯，而在0℃附近，由于凍土的水化潛熱影響，降溫趨勢(shì)變緩。

從圖中曲線變化情況可以看出，凍結(jié)8天C1測(cè)溫孔降至0℃，凍結(jié)10天C2測(cè)溫孔降至0℃，發(fā)展速度可以滿足工程需要。兩測(cè)溫孔的變化趨勢(shì)基本一致，曲線成對(duì)數(shù)曲線，符合凍結(jié)的一般規(guī)律。在凍結(jié)的初期，由于C1測(cè)溫孔相對(duì)C2測(cè)溫孔距離凍結(jié)孔S2較近，所以C1測(cè)溫孔溫度相對(duì)較低些，但隨著凍結(jié)的延續(xù)，凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，由于C2測(cè)溫孔位于S1和S2兩個(gè)凍結(jié)孔之間的界面上，其凍結(jié)效果受S1和S2兩個(gè)孔的影響，而C1孔只受凍結(jié)孔S2的影響。在凍結(jié)初期，凍結(jié)孔尚未交圈，C1孔比C2孔發(fā)展速度更快些，但隨著凍結(jié)的發(fā)展，凍結(jié)中期兩孔交圈后，C2孔受S1和S2兩個(gè)凍結(jié)孔的影響，溫度明顯降低，發(fā)展速度加快。凍結(jié)后期，由于加固區(qū)凍土板塊完全形成，兩測(cè)溫孔溫度差異逐漸減小。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）試驗(yàn)過(guò)程中，在整個(gè)凍結(jié)期間，在低溫鹽水引起的溫度壓力、不同土層凍脹導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力、徑向壓力差、以及洞門開(kāi)挖后圍巖水土的壓力的共同作用下，未出現(xiàn)PVC凍結(jié)管發(fā)生脆性破壞，鹽水滲漏現(xiàn)象，滿足鹽水凍結(jié)對(duì)凍結(jié)孔水密性的要求

（2）PVC凍結(jié)管導(dǎo)熱系數(shù)0.2W／（m·℃），鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)40W／（m·℃），從數(shù)據(jù)上分析，PVC管的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼管的0.005倍，和鋼管存在很大的差異，實(shí)際凍結(jié)效果分析，在凍結(jié)初期PVC管凍結(jié)和鋼管凍結(jié)凍土發(fā)展速度差異較為明顯，最大溫差達(dá)11.5℃。隨著凍結(jié)的延續(xù)，凍結(jié)時(shí)間的增加，凍土板塊區(qū)域逐漸增大，PVC凍結(jié)孔管壁的溫度有明顯的下降，和鹽水的溫度差逐漸減少，在凍結(jié)后期，鹽水溫度在－30℃穩(wěn)定，PVC凍結(jié)管管壁的溫度最低達(dá)到－25℃，并穩(wěn)定在－25℃。試驗(yàn)證明，在適當(dāng)延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間的情況下，PVC作為凍結(jié)管在鹽水凍結(jié)中是可以滿足工程的需求。

（3）從試驗(yàn)收集到的碎片統(tǒng)計(jì)來(lái)看，盾構(gòu)推進(jìn)可以將凍結(jié)管破碎的尺寸一般控制在100mm左右，容易直接被螺旋推進(jìn)機(jī)出土，因此在盾構(gòu)進(jìn)出洞的鹽水凍結(jié)加固施工中，由于PVC塑料管可以被盾構(gòu)直接切削推進(jìn)，不需要拔除凍結(jié)管，可以節(jié)省施工成本，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

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