某地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律研究

劉志堅(jiān)

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司， 濟(jì)南 250101）

1 引言

作為不降水施工的典型方法，人工凍結(jié)法自1883年德國工程師 F.H.Poetsch首次使用以來，迅速在世界各國的礦井、隧道、基坑等地下工程領(lǐng)域得到廣泛推廣[1]。人工凍結(jié)法是指在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下掘進(jìn)地下工程時(shí)，在其四周建造起臨時(shí)凍結(jié)壁，用以隔絕凍結(jié)壁內(nèi)、外地下水的聯(lián)系并抵抗水土壓力，保證含水土體在掘進(jìn)施工中的穩(wěn)定性，其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加固地層的目的[2]。本文依托某地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，現(xiàn)場監(jiān)測典型測點(diǎn)的溫度變化，分析凍結(jié)帷幕的溫度場發(fā)展規(guī)律，保證凍結(jié)施工的安全。

2 工程概況

2.1 工程環(huán)境

某地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)埋深為12.07～28.3 m，聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置于K40+975.000處，并兼做廢水泵房。聯(lián)絡(luò)通道位置隧道中心線距為12.677 m，左（右）行線隧道軌面標(biāo)高+15.342 m，地面標(biāo)高約為+47.70 m。聯(lián)絡(luò)通道拱頂埋深28.86 m，臨近上水管、燃?xì)夤?、熱力管、雨水管和污水管等市政管線。聯(lián)絡(luò)通道位于地下水位以下，采用冷凍法加固，采用礦山法施工。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

聯(lián)絡(luò)通道及排水泵站所在范圍為⑦卵石、⑨卵石層，圍巖穩(wěn)定性很差，施工過程中容易發(fā)生坍塌，需要及時(shí)支護(hù)。本次勘察在65.0 m深度范圍內(nèi)揭露1層地下水，根據(jù)總體組要求，全線統(tǒng)一水層編號(hào)，水層號(hào)為潛水（二）層，主要賦存于第⑦層卵石層、第⑨層卵石層中。地層為強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)較大，其補(bǔ)給主要為大氣降水和側(cè)向徑流，排泄方式主要為人工開采和側(cè)向徑流。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)與測溫管布置

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，凍結(jié)孔分別按上仰、水平和下俯3種角度設(shè)置在聯(lián)絡(luò)通道的四周，如圖1所示。該聯(lián)絡(luò)通道及泵房共設(shè)置88個(gè)凍結(jié)孔（含6個(gè)透孔），其中凍結(jié)站一側(cè)隧道設(shè)置15排（共55個(gè)凍結(jié)孔），對(duì)側(cè)隧道設(shè)置10排（共33個(gè)凍結(jié)孔），鉆孔工程量總計(jì)651.58 m。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔布置圖

3.2 測溫管布置

區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵房布置測溫孔8個(gè)，其中1號(hào)、2號(hào)測溫孔布置在凍結(jié)站一側(cè)，3～8號(hào)測溫孔布置在凍結(jié)站對(duì)側(cè)，以監(jiān)測凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度、凍結(jié)壁與隧道管片界面溫度和開挖區(qū)附近地層凍結(jié)情況[3]。

4 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場實(shí)測分析

4.1 鹽水去回路溫度

在積極凍結(jié)期，冷凍機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，確保聯(lián)絡(luò)通道盡快達(dá)到凍結(jié)開挖條件，及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工。圖2是鹽水去回路溫度變化曲線。可以看出，凍結(jié)前12 d，鹽水去回路溫度變化劇烈，溫度下降極快。后期，鹽水去回路溫度在-25～-30 ℃波動(dòng)，逐漸趨于穩(wěn)定，且溫差控制在2 ℃左右。凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)43 d，鹽水溫度去路-29.4℃，回路-27.9 ℃，去回路溫差1.5 ℃，經(jīng)現(xiàn)場連續(xù)觀察其溫度變化和溫差情況，基本保持穩(wěn)定。說明凍結(jié)管周圍土體與鹽水溫度之間熱負(fù)荷減小，凍土帷幕形成良好。

圖2 鹽水去回路溫度變化曲線

4.2 測溫孔溫度

選取2號(hào)測溫孔分析其溫度變化規(guī)律，如圖3所示?？梢钥闯觯瑴y溫孔溫度變化主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。第Ⅰ階段為凍結(jié)前20 d，由于地層與鹽水溫差較大，熱傳導(dǎo)效應(yīng)顯著，地層溫度快速降低。第Ⅱ階段為凍結(jié)21～34 d，隨著地層與鹽水溫差減小，地層溫度下降速度減緩。第Ⅲ階段為凍結(jié)25～43 d，鹽水循環(huán)提供的能量與地層傳導(dǎo)補(bǔ)充的能量趨于平衡，地層溫度逐漸保持穩(wěn)定。此外，凍結(jié)過程中，0.5m深度處測點(diǎn)溫度明顯高于1.5 m和2.5 m深度處測點(diǎn)溫度，這是由于0.5m 處埋深較淺，更容易受到隧道臨空面溫度傳導(dǎo)的影響，降溫較困難。但整體而言，凍結(jié)43 d后，測溫孔平均溫度低于設(shè)計(jì)要求的-10 ℃，滿足開挖要求。

圖3 地層溫度變化曲線

5 結(jié)語

依托某地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，現(xiàn)場監(jiān)測典型測點(diǎn)的溫度變化，分析凍結(jié)帷幕溫度場發(fā)展規(guī)律，保障聯(lián)絡(luò)通道開挖的安全。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：凍結(jié)43 d后，鹽水去路溫度-29.4 ℃，回路-27.9 ℃，去回路溫差1.5 ℃，基本保持穩(wěn)定，凍土帷幕形成良好；地層典型測點(diǎn)的溫度變化經(jīng)歷快速下降-緩慢下降-保持穩(wěn)定3個(gè)階段，43 d后凍結(jié)帷幕平均溫度低于設(shè)計(jì)要求的-10℃，滿足開挖要求。