黃磊 劉文博 吳雨薇 陳璐 胡俊

摘?要：結(jié)合南寧地鐵三號線東濱區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)加固工程，對鹽水去回路溫度及土體溫度場分布發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，分析在這一區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行隧道開挖采用的加固方法，重點(diǎn)介紹采用人工地層凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行加固時(shí)土體的溫度場發(fā)展變化規(guī)律。研究表明：采用人工地層加固法對聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進(jìn)行加固時(shí)，施工現(xiàn)場鹽水去回路溫度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在鹽水降溫初期土體的溫度下降速度較快，由于土體潛熱的影響，0 ℃附近降溫過程會(huì)經(jīng)歷一個(gè)平臺期，此后土體的降溫速率再次增大，但仍小于初期土體的降溫速率。最終計(jì)算出凍結(jié)過程的需冷量，可為今后類似工程提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)絡(luò)通道;南寧地鐵;人工凍結(jié);加固方式;鹽水降溫

中圖分類號：U231.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2019）06-0077-09

Monitoring and Analysis of Freezing Reinforcement of Dongbin Section

Communication Channel of Nanning Metro

HUANG Lei1， LIU Wenbo2， WU Yuwei2， CHEN Lu2， HU Jun2*

（1.Yankuang Xinlu Construction and Development Co. LTD， Zoucheng 273500;

2.School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou 570228）

Abstract：Combined with the artificial freezing and reinforcement project of the Dongbin section communication channel of the Nanning Metro Line No. 3， the development law of the brine de-circulation temperature and the temperature distribution of the soil is studied， and the reinforcement method used for tunnel excavation in this area is analyzed. The development and change law of temperature field of soil during reinforcement by artificial ground freezing technology is introduced. The research shows that when the soil around the communication channel is strengthened by the artificial stratum reinforcement method， the brine de-circulation temperature at the construction site can meet the design requirements. In the initial stage of brine cooling， the temperature of the soil decreases rapidly. Due to the latent heat of the soil， the temperature reduction process near 0 °C will go through a plateau period. After that， the cooling rate of the soil increases again， but it is still smaller than the cooling rate of the initial soil. Finally， the required cooling capacity of the freezing process is calculated， which can provide an important reference for similar projects in the future.

Keywords：Communication channel; Nanning subway; artificial freezing; reinforcement method; salt water cooling

0?引言

隨著城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，保證都市人正常出行需求、節(jié)約城市用地及能源并有效避免對地面構(gòu)筑物的干擾是城市發(fā)展過程中的必要環(huán)節(jié)[1-2]。因此，地鐵作為可以利用廣袤的地下空間進(jìn)行公共交通的建設(shè)是現(xiàn)代城市發(fā)展的必然趨勢和重要手段。聯(lián)絡(luò)通道在修建過程中需要同時(shí)注意主隧道的穩(wěn)定性及自身的結(jié)構(gòu)和地面構(gòu)筑物的安全，是地鐵建設(shè)的關(guān)鍵工程。我國南部由于地理環(huán)境影響，土體力學(xué)性能較差，同時(shí)由于這些區(qū)域處于富水環(huán)境，修建工程項(xiàng)目的難度較大[3-4]。

國內(nèi)許多學(xué)者結(jié)合具體的工程實(shí)例，總結(jié)出一些有意義的經(jīng)驗(yàn)。岳豐田[5]等對隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中水平人工凍結(jié)法進(jìn)行系統(tǒng)研究，采用數(shù)值方法對溫度和應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)值進(jìn)行比較，確定了理論模型的正確性。丁智[6]等以凍結(jié)溫度和凍融周期為控制變量，通過SEM觀察了凍融土加載前、后的微觀結(jié)構(gòu)，定性描述了凍融土經(jīng)歷動(dòng)三軸加載后的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)，揭示了在循環(huán)荷載作用下，土體孔隙結(jié)構(gòu)的變化趨勢以及破壞規(guī)律和特征。吳繁[7]等以軟土隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法工程為背景，對解凍溫度場、深層土體溫度變化規(guī)律等進(jìn)行了實(shí)測，并對跟蹤注漿時(shí)機(jī)及順序、注漿工藝及材料進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到使聯(lián)絡(luò)通道周邊及頂部土層受融沉影響程度降低的優(yōu)化方案。張松[8]通過討論目前我國人工地層凍結(jié)法的施工現(xiàn)況，得到了凍結(jié)管排布形式、凍結(jié)管內(nèi)鹽水流量以及凍結(jié)管之間的間距對凍結(jié)效果的影響，其結(jié)果為選擇更為合適的凍結(jié)施工方案提供了參考。吳賢國[9]等基于ANSYS模擬了武漢地鐵6號聯(lián)絡(luò)通道在地層未加固和地層攪拌樁加固兩種情況下，隧道受凍脹變形對圍巖的影響，考察了在這一過程中產(chǎn)生的應(yīng)力值，同時(shí)提出為減少凍脹變形對隧道影響所需要采取的措施。胡俊[10]等對南京地鐵2號線及10號線采用人工凍結(jié)方法保證工程進(jìn)度的情況進(jìn)行了說明，并通過有限元軟件模擬了凍結(jié)40 d的溫度場發(fā)展情況，分析了不同土體材料下，降溫效果的區(qū)別。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明凍結(jié)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而保證了施工進(jìn)度。丁航[11]等利用ANSYS有限元軟件對鄭州軌道交通1號線某區(qū)間內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道三維溫度場進(jìn)行數(shù)值分析。對比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值，可以看到兩者差異性不明顯，從而驗(yàn)證了三維數(shù)值計(jì)算的可行性。

由圖6可知，凍結(jié)前7 d鹽水溫度變化劇烈，降溫極快，而7 d后溫度變化較緩。凍結(jié)前20 d，鹽水去回路溫度差約為3 ℃左右，而到20 d以后，鹽水去回路溫度差逐漸減小至1 ℃左右，說明土體與凍結(jié)管之間熱負(fù)荷載降低減小，凍土帷幕形成良好。

5.2?測溫孔溫度

凍結(jié)管的布設(shè)如圖4及圖5所示，在聯(lián)絡(luò)通道的左右兩端均設(shè)置測溫管，測溫管上0.5、1.25、2 m處各設(shè)置一處測溫點(diǎn)，用于監(jiān)測溫度發(fā)展變化情況，其中，測溫管布設(shè)特征見表3。

觀察實(shí)測得到的溫度數(shù)值如圖7所示。在C1測溫管上，凍結(jié)開始后240 h時(shí)，0.5、1.25、2 m處測溫點(diǎn)上的溫度變化相差較小，降溫速度較快。240～840 h持續(xù)降溫，但溫度下降逐漸減緩，840 h后溫度趨于平穩(wěn)，幾乎不再變化。在3處測溫點(diǎn)溫度均降至0 ℃后，0.5 m處測溫點(diǎn)溫度恒定高于1.25 m處測溫點(diǎn)溫度約5 ℃，1.25 m處測溫點(diǎn)溫度比2 m處溫度高約1 ℃。C2測溫管上3處測溫點(diǎn)溫度變化規(guī)律較為一致，各測溫點(diǎn)處溫度相差較小。其降溫規(guī)律與C1測溫管相似，均在凍結(jié)初期降溫較快，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)時(shí)期時(shí)，其降溫速度減慢，但仍保持降溫趨勢，在進(jìn)入凍結(jié)后期時(shí)，溫度稍有回升，但基本保持不變。C3、C4、C5測溫管的溫度變化規(guī)律與C1、C2相似，但在3處測溫點(diǎn)溫度均降至0 ℃后，0.5 m處測溫點(diǎn)的溫度變化與1.25 m處的溫度變化相差較大，C3、C4 、C5測溫管的溫度相差分別維持在約10、10、20 ℃。1.25 m和2 m處的溫度差異性較小，C3、C4、C5測溫管的溫度相差分別維持在1、2、5 ℃。C6測溫管上的溫度變化規(guī)律與C1-C5比有較大的不同，這一測溫路徑上，0.5、1.25、2 m處的溫差均約穩(wěn)定在5 ℃，且凍結(jié)過程中，3處測溫點(diǎn)的降溫速率未見明顯變化。分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，是由于0.5 m的埋深較淺，更容易受到外邊界的影響而導(dǎo)致溫度發(fā)展規(guī)律與深層土層出現(xiàn)較大的差異性。因此，在對土體中的測溫點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)，采用埋深較深的測溫點(diǎn)進(jìn)行對比分析，有利于避免因?yàn)檫吔缧?yīng)產(chǎn)生的誤差。觀察不同路徑上2 m處的測溫點(diǎn)在積極凍結(jié)40 d后，土體凍結(jié)后溫度均穩(wěn)定在約-25 ℃。

在凍結(jié)開始前240 h內(nèi)，凍結(jié)管內(nèi)凍結(jié)液的溫度快速下降，各測溫點(diǎn)處的土體溫度也在這一時(shí)間段內(nèi)急劇下降。其中C1至C6測溫管上各點(diǎn)在這一事件段上的溫度變化相近，并未出現(xiàn)明顯的區(qū)別。240 h后，凍結(jié)管內(nèi)溫度降至-30 ℃，凍結(jié)過程轉(zhuǎn)為維護(hù)凍結(jié)，此時(shí)凍結(jié)管內(nèi)凍結(jié)液溫度不再下降，但各土體溫度持續(xù)下降，降幅變緩，不同測溫管凍結(jié)開始約720 h后，土體溫度趨于穩(wěn)定并維持在最終凍結(jié)溫度。這一觀測結(jié)果與前人得到的觀測規(guī)律十分接近，說明了這一數(shù)據(jù)的可靠性。

6?結(jié)束語

（1）加固區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)域，進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)，采用人工地層凍結(jié)技術(shù)加固周圍土體。

（2）現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，維護(hù)凍結(jié)期鹽水回路溫度需低于-25 ℃，鹽水去回路溫差小于3 ℃，能滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）加固需冷量為66.94 kw/m，實(shí)際施工中聯(lián)絡(luò)通道冷凍機(jī)房均選用JYSLGF300III冷凍機(jī)機(jī)組（標(biāo)況制冷量8.75×104 Kcal/h ）2臺，其中1臺備用，可以滿足施工需要。

（4）在鹽水降溫初期土體的溫度下降速度較快，降至0 ℃左右時(shí)，由于相變潛熱的影響，土體溫度發(fā)展變化呈現(xiàn)出一個(gè)平臺期，在維系約48 h后，土體的降溫速率再次增大，但仍小于初期土體的降溫速率。

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