南宁地铁东滨区间联络通道冻结法加固施工监测分析研究

    黄磊 刘文博 吴雨薇 陈璐 胡俊

    

    

    

    摘?要：结合南宁地铁三号线东滨区间联络通道人工冻结加固工程，对盐水去回路温度及土体温度场分布发展规律进行研究，分析在这一区域范围内进行隧道开挖采用的加固方法，重点介绍采用人工地层冻结技术进行加固时土体的温度场发展变化规律。研究表明：采用人工地层加固法对联络通道周围土体进行加固时，施工现场盐水去回路温度可以达到设计要求。在盐水降温初期土体的温度下降速度较快，由于土体潜热的影响，0 ℃附近降温过程会经历一个平台期，此后土体的降温速率再次增大，但仍小于初期土体的降温速率。最终计算出冻结过程的需冷量，可为今后类似工程提供重要参考依据。

    关键词：联络通道;南宁地铁;人工冻结;加固方式;盐水降温

    中图分类号：U231.3文献标识码：A文章编号：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

    隨着城市化规模的不断扩大，保证都市人正常出行需求、节约城市用地及能源并有效避免对地面构筑物的干扰是城市发展过程中的必要环节[1-2]。因此，地铁作为可以利用广袤的地下空间进行公共交通的建设是现代城市发展的必然趋势和重要手段。联络通道在修建过程中需要同时注意主隧道的稳定性及自身的结构和地面构筑物的安全，是地铁建设的关键工程。我国南部由于地理环境影响，土体力学性能较差，同时由于这些区域处于富水环境，修建工程项目的难度较大[3-4]。

    国内许多学者结合具体的工程实例，总结出一些有意义的经验。岳丰田[5]等对隧道联络通道施工中水平人工冻结法进行系统研究，采用数值方法对温度和应力应变进行分析，将计算结果与现场实测的数值进行比较，确定了理论模型的正确性。丁智[6]等以冻结温度和冻融周期为控制变量，通过SEM观察了冻融土加载前、后的微观结构，定性描述了冻融土经历动三轴加载后的微观结构和孔隙结构，揭示了在循环荷载作用下，土体孔隙结构的变化趋势以及破坏规律和特征。吴繁[7]等以软土隧道联络通道冻结法工程为背景，对解冻温度场、深层土体温度变化规律等进行了实测，并对跟踪注浆时机及顺序、注浆工艺及材料进行了优化，最终得到使联络通道周边及顶部土层受融沉影响程度降低的优化方案。张松[8]通过讨论目前我国人工地层冻结法的施工现况，得到了冻结管排布形式、冻结管内盐水流量以及冻结管之间的间距对冻结效果的影响，其结果为选择更为合适的冻结施工方案提供了参考。吴贤国[9]等基于ANSYS模拟了武汉地铁6号联络通道在地层未加固和地层搅拌桩加固两种情况下，隧道受冻胀变形对围岩的影响，考察了在这一过程中产生的应力值，同时提出为减少冻胀变形对隧道影响所需要采取的措施。胡俊[10]等对南京地铁2号线及10号线采用人工冻结方法保证工程进度的情况进行了说明，并通过有限元软件模拟了冻结40 d的温度场发展情况，分析了不同土体材料下，降温效果的区别。数值计算结果表明冻结温度达到设计要求，从而保证了施工进度。丁航[11]等利用ANSYS有限元软件对郑州轨道交通1号线某区间内联络通道三维温度场进行数值分析。对比数值计算结果与实测值，可以看到两者差异性不明显，从而验证了三维数值计算的可行性。

    由圖6可知，冻结前7 d盐水温度变化剧烈，降温极快，而7 d后温度变化较缓。冻结前20 d，盐水去回路温度差约为3 ℃左右，而到20 d以后，盐水去回路温度差逐渐减小至1 ℃左右，说明土体与冻结管之间热负荷载降低减小，冻土帷幕形成良好。

    5.2?测温孔温度

    冻结管的布设如图4及图5所示，在联络通道的左右两端均设置测温管，测温管上0.5、1.25、2 m处各设置一处测温点，用于监测温度发展变化情况，其中，测温管布设特征见表3。

    观察实测得到的温度数值如图7所示。在C1测温管上，冻结开始后240 h时，0.5、1.25、2 m处测温点上的温度变化相差较小，降温速度较快。240～840 h持续降温，但温度下降逐渐减缓，840 h后温度趋于平稳，几乎不再变化。在3处测温点温度均降至0 ℃后，0.5 m处测温点温度恒定高于1.25 m处测温点温度约5 ℃，1.25 m处测温点温度比2 m处温度高约1 ℃。C2测温管上3处测温点温度变化规律较为一致，各测温点处温度相差较小。其降温规律与C1测温管相似，均在冻结初期降温较快，进入维护冻结时期时，其降温速度减慢，但仍保持降温趋势，在进入冻结后期时，温度稍有回升，但基本保持不变。C3、C4、C5测温管的温度变化规律与C1、C2相似，但在3处测温点温度均降至0 ℃后，0.5 m处测温点的温度变化与1.25 m处的温度变化相差较大，C3、C4 、C5测温管的温度相差分别维持在约10、10、20 ℃。1.25 m和2 m处的温度差异性较小，C3、C4、C5测温管的温度相差分别维持在1、2、5 ℃。C6测温管上的温度变化规律与C1-C5比有较大的不同，这一测温路径上，0.5、1.25、2 m处的温差均约稳定在5 ℃，且冻结过程中，3处测温点的降温速率未见明显变化。分析这一现象产生的原因，是由于0.5 m的埋深较浅，更容易受到外边界的影响而导致温度发展规律与深层土层出现较大的差异性。因此，在对土体中的测温点进行分析时，采用埋深较深的测温点进行对比分析，有利于避免因为边界效应产生的误差。观察不同路径上2 m处的测温点在积极冻结40 d后，土体冻结后温度均稳定在约-25 ℃。

    在冻结开始前240 h内，冻结管内冻结液的温度快速下降，各测温点处的土体温度也在这一时间段内急剧下降。其中C1至C6测温管上各点在这一事件段上的温度变化相近，并未出现明显的区别。240 h后，冻结管内温度降至-30 ℃，冻结过程转为维护冻结，此时冻结管内冻结液温度不再下降，但各土体温度持续下降，降幅变缓，不同测温管冻结开始约720 h后，土体温度趋于稳定并维持在最终冻结温度。这一观测结果与前人得到的观测规律十分接近，说明了这一数据的可靠性。

    6?结束语

    （1）加固区域为富水区域，进行联络通道施工时，采用人工地层冻结技术加固周围土体。

    （2）现场实测数据表明，维护冻结期盐水回路温度需低于-25 ℃，盐水去回路温差小于3 ℃，能满足设计要求。

    （3）加固需冷量为66.94 kw/m，实际施工中联络通道冷冻机房均选用JYSLGF300III冷冻机机组（标况制冷量8.75×104 Kcal/h ）2台，其中1台备用，可以满足施工需要。

    （4）在盐水降温初期土体的温度下降速度较快，降至0 ℃左右时，由于相变潜热的影响，土体温度发展变化呈现出一个平台期，在维系约48 h后，土体的降温速率再次增大，但仍小于初期土体的降温速率。

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