王晨星，劉遠(yuǎn)才，劉德穩(wěn)

0 引言

凍結(jié)法是地下工程施工中經(jīng)常會(huì)使用到的施工方法。是一種利用人工制冷技術(shù)使待開挖土體形成一個(gè)封閉的整體并使其符合人工開挖強(qiáng)度，最后進(jìn)行隧道施工的一種特殊的施工方法。

我國在凍結(jié)法施工上進(jìn)行了許多相關(guān)的研究［1-4］：南京林業(yè)大學(xué)的張婷博士和楊平教授介紹了人工凍結(jié)法在隧道施工中的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)參數(shù)［5］；海南大學(xué)的胡俊博士運(yùn)用有限元分析法探究了凍結(jié)法在不同管幕填充形式下的溫度場發(fā)展規(guī)律［6］；朱云云、胡俊以蘇州地鐵某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工為背景，建立了該工程的三維數(shù)值模型來分析凍結(jié)帷幕溫度場的規(guī)律，同時(shí)提出優(yōu)化對(duì)比方案［7］。

近年來，為了緩解交通壓力，我國政府大力支持和發(fā)展城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，地下鐵道的建造已成為無法阻擋的趨勢。而凍結(jié)法作為一種安全、可靠、綠色的施工方法，在江蘇、浙江、上海等地區(qū)的地鐵建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果。

1 土體凍脹的基本理論

1.1 凍脹現(xiàn)象的本質(zhì)

土體凍脹現(xiàn)象的機(jī)理十分復(fù)雜，是一個(gè)多種物理化學(xué)指標(biāo)綜合作用的耦合問題。它是一個(gè)復(fù)雜的相變、熱傳遞、力和水分運(yùn)動(dòng)以及土體在荷載、溫度、脫（浸）水作用下的各種過程［8-9］。在20世紀(jì)20年代，Casa.Grand在美國的New Hampshire開展了一系列的公路實(shí)地勘測。據(jù)當(dāng)時(shí)的勘測資料顯示，該地區(qū)地下水位大約2 m左右，在凍結(jié)土體的深度達(dá)到45 cm時(shí)，地表的凍脹總量為13 cm。在發(fā)生凍結(jié)前土體含水量為8%～12%，凍結(jié)后含水量達(dá)60%～110%。經(jīng)過后續(xù)的人工開挖發(fā)現(xiàn)：土體中包含了大量的冰晶體和凍結(jié)夾層。由此可以得出初步結(jié)論：土體凍脹現(xiàn)象是由水分子的遷移運(yùn)動(dòng)引起的。具體過程如圖1所示。

圖1 液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)冰的分子運(yùn)動(dòng)圖Fig.1 Molecular motion of liquid water into solid ice

目前，有關(guān)凍脹理論業(yè)界普遍接受的是Martin在20世紀(jì)60年代所得出的土體凍脹的物理模型。該模型的主要內(nèi)容是［5］：在-0.5～-30℃的溫度條件下，土體表面存在的結(jié)合水會(huì)結(jié)成冰晶體，但是表面總會(huì)存在一層未凍水膜。伴隨著溫度的逐漸降低，未凍水膜會(huì)由外而內(nèi)逐漸滲透。假設(shè)地基土中的水是一個(gè)開放的系統(tǒng)，溫度的降低就會(huì)使得冰透鏡體的面積不斷擴(kuò)大，從而最終導(dǎo)致了凍脹現(xiàn)象的產(chǎn)生與發(fā)展。

1.2 凍脹現(xiàn)象相關(guān)力學(xué)指標(biāo)

凍土是一種特殊的非彈性土體。一般情況下，將其失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)力作為凍土的強(qiáng)度指標(biāo)。而凍土的強(qiáng)度指標(biāo)又有兩個(gè)，分別是瞬時(shí)強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。

凍土具有高強(qiáng)度特點(diǎn)的主要原因是：低溫作用使得原先較為松散的土體形成了一個(gè)堅(jiān)實(shí)而又封閉的整體。接下來，對(duì)凍土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度三大強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行闡述說明。

1.2.1 凍土的抗壓強(qiáng)度

凍土的抗壓強(qiáng)度是指凍土所能承受的最大壓應(yīng)力。它的大小主要取決于溫度、含水量以及土體類型的影響。該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)凍土在短時(shí)荷載作用下的強(qiáng)度有著重要意義。

（1）溫度的影響

凍土的抗壓強(qiáng)度與溫度成反比。計(jì)算公式如下：

式中：a、b、n為凍脹土的相關(guān)參數(shù)；θ為負(fù)溫絕對(duì)值，℃。

對(duì)于公式（1）中凍土的相關(guān)參數(shù)a和b可以在表1中進(jìn)行取值。

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

（2）含水量的影響

含水量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響十分巨大。在含水量未達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，抗壓強(qiáng)度與含水量成正比；但達(dá)到飽和狀態(tài)后，二者成反比關(guān)系。

（3）土體類型的影響

在凍結(jié)溫度相同的條件下，抗壓強(qiáng)度與土體顆粒的粒徑成正比。例如最常見的黏土、砂土和礫石3種巖石，在受到凍結(jié)影響后，其抗壓強(qiáng)度依次增大，分別是凍黏土、凍砂土和凍礫石。由此可見，土體類型對(duì)凍土的抗壓強(qiáng)度影響很大。

1.2.2 凍土的抗拉強(qiáng)度

凍土的抗拉強(qiáng)度一般由最大拉應(yīng)力指標(biāo)來表示。影響因素主要有外界凍結(jié)溫度、土體含水量以及土體顆粒等。這其中，抗拉伸蠕變也是十分重要的特點(diǎn)之一。首先是破壞性質(zhì)，凍土的抗拉伸試驗(yàn)與其它一般土體的壓縮試驗(yàn)不同。凍土的抗拉伸試驗(yàn)無論是不同溫度條件下還是在不同的加載速度下均發(fā)生脆性破壞。但脆性破壞的時(shí)間卻十分短暫，以至于采用人工方法無法提前預(yù)防。面對(duì)這種情況，在對(duì)承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往采用提高可靠度指標(biāo)的方法來預(yù)防脆性破壞。

1.2.3 凍土的抗剪強(qiáng)度

描述凍土的抗剪強(qiáng)度一般采用在正應(yīng)力條件下凍土所能承受的最大剪應(yīng)力來表示。在凍土荷載作用時(shí)間延長的情況下，凍土中的冰會(huì)逐漸融化使之產(chǎn)生一定的流動(dòng)性，在這種情況下，荷載的作用時(shí)間與凍土的強(qiáng)度會(huì)成反比關(guān)系。1776年法國科學(xué)家C.A.Coulomb經(jīng)過長期的巖土試驗(yàn)得出了無粘性土和粘性土的抗剪切表達(dá)式［8］：

式中：c為土的粘聚力；σ為剪切面上的法向力；為土的內(nèi)摩擦角。

2 凍結(jié)法施工的原理以及要點(diǎn)

2.1 巖土凍結(jié)方法的分類

2.1.1 低溫鹽水法

低溫鹽水法是一種間接凍結(jié)巖土的施工方法。其施工原理是：將氨、氟利昂等其它制冷物質(zhì)注入制冷壓縮機(jī)中進(jìn)行循環(huán)做功，使鹽水降至0℃以下，從而變成制冷媒介，最后通過凍結(jié)管將低溫鹽水運(yùn)送到巖層之中從而達(dá)到凍結(jié)土體的目的。低溫鹽水法由以下三個(gè)循環(huán)工作系統(tǒng)組成。

（1）氨循環(huán)系統(tǒng)：如圖2所示，采用氨來吸收鹽水中的熱量，通過氨物質(zhì)的液—?dú)鉅顟B(tài)轉(zhuǎn)換在蒸發(fā)皿中形成一個(gè)氨循環(huán)系統(tǒng)；

圖2 氨循環(huán)系統(tǒng)Fig.2 Ammonia circulation system

（2）鹽水循環(huán)系統(tǒng)：如圖3所示，首先將（1）中得到的低溫鹽水送進(jìn)入凍結(jié)管內(nèi)，吸收巖體中的熱得到高溫鹽水，然后進(jìn)入鹽水箱內(nèi)進(jìn)行處理使之再重新變?yōu)榈蜏佧}水，接下來讓低溫鹽水再次進(jìn)入凍結(jié)管，經(jīng)過多次循環(huán)使巖層的溫度降低，最后形成人工凍結(jié)壁。

圖3 氨循環(huán)系統(tǒng)Fig.3 Brine circulation system

（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：如圖4所示，低溫水通過水泵壓送進(jìn)入冷凝器，水吸收氣氨熱量，并把熱分子傳遞到大氣層之中，從而完成了冷卻水循環(huán)。

圖4 氨循環(huán)系統(tǒng)Fig.4 Cooling water circulation system

這種凍結(jié)系統(tǒng)可以達(dá)到的效果是：人工獲取-20～-35℃溫度范圍內(nèi)的低分鹽水，在兩到三個(gè)月的時(shí)間里凍結(jié)巖土。

2.1.2 液氮凍結(jié)法

如圖5所示，只需要通過壓強(qiáng)的作用把液氮（即人工冷媒）抽入地層之中并做好熱尾氣處理即可達(dá)到人工凍結(jié)土體的目的。液氮可以達(dá)到-190℃的低溫，使管內(nèi)溫度極低，短則幾個(gè)小時(shí)多則幾十個(gè)小時(shí)即可形成凍結(jié)壁。故而液氮冷凍法有凍結(jié)速度快、凍結(jié)強(qiáng)度高，在搶險(xiǎn)堵水的緊急情況下快速便利的優(yōu)點(diǎn)，長期以來也受到了施工單位的青睞。但是液氮提取較為復(fù)雜，成本相對(duì)也較高。相對(duì)于鹽水法其應(yīng)用比例不高，目前多用于工期特別緊張的工程中。

圖5 氮循環(huán)系統(tǒng)Fig.5 Schematic diagram of liquid nitrogen freezing method

2.2 施工原理以及施工工藝

2.2.1 凍結(jié)法施工原理

如圖6、圖7所示，首先需要在地層中進(jìn)行管道鋪設(shè)工作，安裝凍結(jié)機(jī)械和相應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)；然后利用制冷媒介吸收土體的熱量，使巖土中的水結(jié)冰，最終形成了人工開挖所需要的臨時(shí)固結(jié)體，達(dá)到加固地層、創(chuàng)造無水施工環(huán)境的目的。在凍結(jié)工作完成后即可進(jìn)行隧道的開挖工作，直到剛性支護(hù)工作完成后，方可停止制冷。最終隨著時(shí)間的增加，人工凍層會(huì)逐步解凍，恢復(fù)巖土的初始狀態(tài)。

圖6 凍結(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of freezing system

圖7 凍結(jié)示意圖Fig.7 The diagram of Freezing

凍土的形成并不是一成不變的，隨著時(shí)間的推移也會(huì)伴隨著土體內(nèi)部的變化而變化。首先是土體中的自由水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),其次是松散的固體顆粒膠結(jié)成人工凍結(jié)體。但是在凍結(jié)的不同時(shí)間段，土體中的自由水變化也不一樣，該過程按照時(shí)間來劃共有5個(gè)階段的變化。具體變化如圖8所示。

圖8 凍土中自由水凍結(jié)曲線Fig.8 Free water freezing curve in frozen soil

土體凍結(jié)是隨時(shí)間推移而變化的復(fù)雜漸變的熱力學(xué)過程。實(shí)際上在任何負(fù)溫條件下的凍土內(nèi)部總會(huì)存在薄膜水使未凍狀態(tài)下的水分子與冰共存。在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，土壤顆粒大多都處于由松散到固結(jié)的過渡狀態(tài)，而不同土壤類型的過渡溫度也都不盡相同。常見土體的過渡溫度見表2。

表2 典型土壤凍結(jié)過渡狀態(tài)的平均溫度 ℃Tab.2 Average temperature of transition state of soil freezing

2.2.2 凍結(jié)法施工工藝

凍結(jié)法施工的施工工藝分為三大階段、四大工序。

（1）三大階段包括：

①擴(kuò)展凍結(jié)階段：在前期準(zhǔn)備工作完成后開始凍結(jié)作業(yè)，并將人工凍結(jié)壁擴(kuò)大到設(shè)計(jì)所需厚度的工作階段。

②凍結(jié)保護(hù)階段：在保證凍結(jié)壁強(qiáng)度和厚度的前提下，進(jìn)行正常施工作業(yè)的階段。

③解除凍結(jié)階段：在施工完成即可停止制冷，并逐漸恢復(fù)初始土溫的階段。

（2）四大工序包括：

①施工準(zhǔn)備：制冷站的建立、水電系統(tǒng)供應(yīng)、凍結(jié)鉆孔的量測工作、制冷機(jī)械的運(yùn)輸與安裝、凍結(jié)管線的鋪設(shè)。

②進(jìn)行凍結(jié)管試漏以及集配液圈安裝。

③積極凍結(jié)期的溫控監(jiān)測以及維護(hù)凍結(jié)期的地下工程開挖以及襯砌施工。

④在工程完結(jié)之后的設(shè)備拆除工作。

3 工程實(shí)例

地鐵的聯(lián)絡(luò)通道有著連接隧道、排水和防火的重要作用，其施工過程中不僅要考慮隧道結(jié)構(gòu)的安全，更要兼顧盾構(gòu)機(jī)械作業(yè)的安全與穩(wěn)定。但是當(dāng)遇到地層復(fù)雜，地下水含量豐富的地段時(shí)，常見的土體加固方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，并且由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多方面的原因，不得不采用凍結(jié)法施工來達(dá)到加固土體、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。該方法在我國多個(gè)城市的隧道施工中得到成功應(yīng)用［10-12］。

3.1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道地處透水地層，該聯(lián)絡(luò)道結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9所示。上方巖土分布為粉細(xì)砂層、淤泥及雜填土等，下方巖土分布為：淤泥質(zhì)土、硬塑粘土和全風(fēng)化紅巖等。盾構(gòu)隧道洞身上方地層巖性為粉細(xì)砂層，下方地層為淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂層［13］。地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

圖9 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of cross passage

考慮到本地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，該工程的初始施工方案是采用地面雙管旋噴樁加固的辦法，但在實(shí)際實(shí)施過程中先后三次出現(xiàn)涌沙險(xiǎn)情，無法繼續(xù)開挖。原因是該地區(qū)地下水流動(dòng)性大，若發(fā)生漏水沙涌現(xiàn)象的話，隧道會(huì)被淹沒，所以，采用傳統(tǒng)的注漿加固無法形成封水系統(tǒng)。既要兼顧施工期限也要保證施工安全，決定先采用凍結(jié)法加固富水地層，然后采用礦山法完成施工開挖的方案。

3.2 凍結(jié)法施工及信息化監(jiān)測

3.2.1 凍結(jié)孔洞布置及凍結(jié)技術(shù)指標(biāo)

（1）凍結(jié)過程中的孔洞布置設(shè)計(jì)

本工程的凍結(jié)孔洞按照上、中、下3種角度在隧道兩側(cè)進(jìn)行布置。除了傳統(tǒng)的凍結(jié)孔設(shè)置以外，為了減小凍結(jié)法施工對(duì)隧道周圍結(jié)構(gòu)的影響，還要在上下行線上布置卸壓孔。而測溫孔和測壓孔均是為了后續(xù)施工中的凍結(jié)信息化監(jiān)測布置的。如圖10、圖11所示，其中，凍結(jié)孔64個(gè)，測壓孔2個(gè)，卸壓孔4個(gè)，測溫孔1個(gè)。在進(jìn)行凍結(jié)法施工之前，需要對(duì)孔洞布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則是避開管片接縫、螺栓和主筋。

圖10 上行線各孔洞布置Fig.10 The arrangement of holes of the up line

圖11 下行線各孔洞布置Fig.11 The arrangement of holes of the down line

（2）凍結(jié)施工中的設(shè)備以及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

本工程采用的凍結(jié)設(shè)備有：通道鹽水循環(huán)泵、通道冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、兩臺(tái)KST-80型號(hào)的冷卻塔，供液管采用焊接方式連接，鹽水干管和集配液圈采用無縫鋼管。技術(shù)指標(biāo)包括：鹽水的積極凍結(jié)溫度（-28～-30℃）、鹽水的維護(hù)凍結(jié)溫度（-25～-28℃）、積極凍結(jié)時(shí)間為40 d左右、凍結(jié)孔單位流量大于5 m3/h、聯(lián)絡(luò)道凍結(jié)壁有效厚度為1.8 m、凍結(jié)平均溫度小于-10℃。

3.2.2 凍結(jié)施工工況及信息化監(jiān)測

（1）具體施工情況

該聯(lián)絡(luò)道工程于2009年9月21日開始施工，其中凍結(jié)施工歷時(shí)50 d。最后根據(jù)其50 d后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到：凍結(jié)壁厚度＞1.8 m，土體平均溫度＜-10℃，該指標(biāo)均滿足所規(guī)定的凍結(jié)指標(biāo)。具體開挖工況見表3。

（2）凍結(jié)施工的信息化監(jiān)測

凍結(jié)法施工在地下水含量豐富的復(fù)雜地質(zhì)條件中有著非常優(yōu)越的表現(xiàn)，它成功地解決了在富水地層條件下盾構(gòu)施工無法順利進(jìn)行的問題。并且與其他施工方法相比，凍結(jié)法施工具有快捷方便、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但是土體凍結(jié)機(jī)理十分復(fù)雜，在整個(gè)凍結(jié)法施工的過程中，凍結(jié)加固涂層的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生巨大改變，比如過度冷凍所帶來的凍脹融沉現(xiàn)象。

表3 施工進(jìn)度表Tab.3 Construction schedule

鑒于上述所提到的凍害問題，需要在整個(gè)施工過程中對(duì)溫度力場以及位移場進(jìn)行全面信息化檢測，以便適時(shí)掌握和控制相關(guān)施工參數(shù)，保證施工過程安全有序地進(jìn)行。在本次工程中，對(duì)廣州地鐵某聯(lián)絡(luò)道凍結(jié)施工中的凍結(jié)帷幕溫度場、鋼護(hù)筒內(nèi)壁溫度場、與盾構(gòu)管片接觸的土體凍脹壓力以及隧道盾構(gòu)變形4大指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果如下：

①對(duì)于凍脹帷幕的溫度監(jiān)測是采用數(shù)字傳感器對(duì)測溫孔內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，并把監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)上來實(shí)時(shí)反映凍結(jié)施工中的帷幕溫度變化。

②安裝鋼護(hù)筒并進(jìn)行溫度監(jiān)測是考慮到廣州地區(qū)的溫度較高，由于氣體對(duì)流效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)土體的融化，影響凍結(jié)強(qiáng)度。故而在鋼護(hù)筒內(nèi)壁安裝冷凍盤管，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該措施可以很好地保證凍土的強(qiáng)度，有利于后期的隧道開挖。

③由于隧道管片與周圍土體的緊密連接，凍結(jié)后土體的壓力以及上部結(jié)構(gòu)所傳導(dǎo)的荷載對(duì)管片有直接影響，所以在施工中對(duì)于管片—土體兩者的監(jiān)測是非常必要的。監(jiān)測結(jié)果表明：凍結(jié)40 d前后凍結(jié)土體開始交圈，交圈完成后凍脹壓力開始降低。

④土體凍結(jié)之后體積會(huì)增加，其產(chǎn)生的張力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)會(huì)有一定影響，所以要對(duì)隧道變形進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：隧道變形在凍結(jié)初期發(fā)展較為緩慢，交圈之后發(fā)展速度開始加快，達(dá)到一定數(shù)值后又開始回落?？傮w來說監(jiān)測情況基本與壓力變化情況相對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)凍結(jié)法施工的物理學(xué)指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)闡述，以廣州地鐵某聯(lián)絡(luò)道凍結(jié)法施工的工程為例對(duì)凍結(jié)法在地鐵施工中的應(yīng)用進(jìn)行了論證。對(duì)地下水復(fù)雜的地區(qū)采用凍結(jié)法施工并及時(shí)進(jìn)行信息化監(jiān)測，從而減少了由于工法變更所引起的不必要損失，具有一定的借鑒價(jià)值。雖然凍結(jié)法有許多其他施工方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但這種方法會(huì)產(chǎn)生凍融等不良影響，土體的加固屬于臨時(shí)固結(jié)性質(zhì)，長期效果不好。所以，對(duì)于凍結(jié)所引起的土體融沉現(xiàn)象仍是今后研究的重點(diǎn)。

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