地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中冷凍排管布置形式分析*

張 松

(1. 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石家莊鐵道大學(xué))， 050043， 石家莊；2. 北京中煤礦山工程有限公司, 100013, 北京； 3. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 050043， 石家莊∥工程師)

目前，地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工在長三角等地區(qū)一般采用凍結(jié)法。在長度小于17 m的聯(lián)絡(luò)通道施工中，一般采用單側(cè)布置冷凍站，雙面鉆孔施工。其中，一條隧道內(nèi)施工大部分凍結(jié)孔(以下簡稱“主凍結(jié)面”)，另一條隧道施工下部兩排兜底封閉凍結(jié)孔以及可能增加的補(bǔ)孔(以下簡稱“輔助凍結(jié)面”)。施工中，輔助凍結(jié)面主要依靠主凍結(jié)面凍結(jié)孔尾端的鹽水循環(huán)進(jìn)行凍結(jié)，但由于鉆頭、單向閥等構(gòu)件位于凍結(jié)孔前段，造成輔助凍結(jié)面淺部凍結(jié)發(fā)展效果較差。為保證臨近管片位置保溫效果，一般采用緊貼管片布置冷板及保溫板進(jìn)行保溫。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中出現(xiàn)問題的常見原因是輔助凍結(jié)面靠近管片位置凍結(jié)效果難以滿足設(shè)計(jì)要求，以致在開挖中某些點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)度不足，最終形成涌水通道，釀成事故。本文針對目前施工現(xiàn)狀，從冷凍排管的形式、流量、間距等方面進(jìn)行分析，選擇更為合適的冷凍排管相關(guān)參數(shù)，以提高凍結(jié)施工的安全系數(shù)。

1 冷凍排管形式

目前，聯(lián)絡(luò)通道施工主要采用φ48 mm×3 mm的圓形焊接鋼管，偶有采用40 mm×20 mm×2 mm的矩形鋼管。這主要是由于圓形鋼管易于加工彎曲。大部分工地一般采用鋼管直接彎曲后與管片貼合，本文中，為確保圓形鋼管接觸面積，利用鄭州地鐵1號線凍結(jié)工地將圓形鋼管與管片貼合后，采用素混凝土填充空隙，形成45°～60°斜坡狀增大接觸面積，進(jìn)行測試。測試發(fā)現(xiàn)，一旦鹽水溫度降低后，混凝土收縮變形，大量脫落，約保存40%左右。為能夠模擬實(shí)際工況，設(shè)定圓形凍結(jié)管充填素混凝土呈90°，矩形鋼管設(shè)定為直接全部貼合。具體布置形式見圖1。

圖1 兩種冷凍排管布置形式

2 尺寸及流量選擇

冷凍排管內(nèi)鹽水的流動主要分為層流及紊流，其中紊流的熱阻較小，導(dǎo)熱效率較層流高，約為層流的1.2～1.3倍[2]。因此，選擇積極凍結(jié)期間鹽水最主要維持區(qū)域-25 ℃(此段時間是凍結(jié)壁發(fā)展最為關(guān)鍵期間)以及開挖期間鹽水溫度-28 ℃計(jì)算相關(guān)雷諾數(shù)Re。

鹽水流動狀態(tài)隨Re變化：Re∈[0,2 300)， 鹽水處于層流狀態(tài)；Re∈[2 300,13 800]，鹽水處于層流向紊流轉(zhuǎn)化階段，但紊流狀態(tài)居多；Re∈(13 800，+∞)，鹽水處于紊流狀態(tài)[3]。

式中:

ωbr——液體流速；

dm——管子內(nèi)徑；

rbr——鹽水密度；

μbr——鹽水動力黏度系數(shù)；

g——重力加速度。

選取15 ℃時密度為1 260 kg/m3的鹽水，-25 ℃時μbr=1.5×10-3，-28 ℃時μbr=1.65×10-3，計(jì)算選用不同管型的雷諾數(shù)達(dá)到2 300所需的流量。計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到最低雷諾數(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采用矩形鋼管單組冷凍排管大約可降低所需鹽水流量0.7 m3/h。在常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道施工中，冷凍排管一般設(shè)置兩組，每組50～70 m，因此，采用矩形鋼管情況下，可降低鹽水流量需求約1.4 m3/h。在實(shí)際測試中，輔助凍結(jié)面受透孔流量限制，鹽水流量一般維持在一個穩(wěn)定區(qū)間，各分組凍結(jié)孔流量維持在2.9～3.3 m3/h，因此有效壓縮冷凍排管的流量，可增加各分組流量。

表1 不同管型的雷諾數(shù)達(dá)到2 300所需流量表

3 間距選擇

根據(jù)上海地區(qū)凍結(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范以及常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，冷凍排管間距一般不大于500 mm[4]。因此，選擇排管間距分別為500 mm、400 mm、300 mm進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算不同間距混凝土管片使用矩形冷凍排管12 h后的效果。數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，采用不同間距冷凍排管布置時，經(jīng)過12 h凍結(jié)后，排管間均可形成有效的低溫隔離帶，隔絕土體內(nèi)冷量外散。因此，冷凍排管布置可按相關(guān)規(guī)程上限500 mm間距進(jìn)行布設(shè)，且適當(dāng)放大間距仍可滿足施工要求。計(jì)算結(jié)果也表明，單根冷凍管形式所產(chǎn)生的效率問題對工程影響不大，相對常規(guī)40～50 d的積極凍結(jié)工期，不同間距冷凍排管在短期內(nèi)均可有效完成管片周圍降溫，從而使得管片溫度低于土體溫度，有效阻止土體冷量向外散失。

4 現(xiàn)場測試

上海軌道交通9號線三期工程某聯(lián)絡(luò)通道為上海地區(qū)常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道，其凍結(jié)孔布置剖面圖、平面圖如圖3、4所示。施工初期主凍結(jié)面未鋪設(shè)冷凍排管，現(xiàn)場實(shí)測凍結(jié)效果不理想。根據(jù)凍結(jié)效果，決定在主凍結(jié)面兩側(cè)增設(shè)冷凍排管，積極凍結(jié)第55天開始布置冷凍排管，并進(jìn)行鹽水循環(huán)，同時對側(cè)墻靠近冷凍排管位置凍結(jié)孔C2、C3淺孔(貼近管片位置)進(jìn)行測溫計(jì)觀察。測溫孔溫度變化如圖5所示。由圖可見，自第56、57天開始，兩個測溫孔測點(diǎn)溫度下降速度明顯加快。同時根據(jù)現(xiàn)場觀察，冷凍排管循環(huán)鹽水3 h后可明確觀察到周圍管片迅速結(jié)霜，且隨著時間增加，結(jié)霜區(qū)域逐步擴(kuò)大。因此，鋪設(shè)冷凍排管后可有效降低附近淺部凍結(jié)壁溫度，提高凍結(jié)壁與管片交接面區(qū)域安全系數(shù)。

a) 網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管布置剖面圖

圖5 測溫孔溫度變化曲線

5 結(jié)論

(1) 采用圓形鋼管制作冷凍排管時導(dǎo)熱效率高于矩形鋼管，但圓形鋼管和矩形鋼管的制冷排管均可在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對隧道管片降溫，因此二者效率差異可忽略不計(jì)；且采用矩形鋼管制作冷凍排管可有效降低冷凍排管所需流量，確保輔助凍結(jié)面凍結(jié)孔流量，保證凍結(jié)效果，因此冷凍排管采用矩形形式更為有利。

(2) 采用40 mm×20 mm矩形鋼管制作冷凍排管時，鹽水流量易控制在不小于2.5 m3/h，以確保冷凍排管內(nèi)鹽水處于紊流狀態(tài)。

(3) 冷凍排管線間距可根據(jù)施工處管片格倉位置及凍結(jié)孔成孔孔位適當(dāng)放大，不必拘泥于“必須小于500 mm”，仍可滿足施工需求。

(4) 對于夏季凍結(jié)效果較差情況，可在主凍結(jié)面布置少量冷凍排管，從而保證主面?zhèn)葔鼋Y(jié)壁發(fā)展，提高凍結(jié)壁與管片交接面位置安全系數(shù)。

(收稿日期：2017-03-20)