異形加強凍結管外壁保溫對管幕凍結效果影響試驗研究

任 輝, 洪澤群, 張 軍

(1. 珠海市軌道交通有限公司, 廣東 珠海 519060; 2. 中國礦業大學, 江蘇 徐州 221116;3. 中交第二公路勘察設計研究院有限公司, 湖北 武漢 430056)

0 引言

管幕法在軟土地層具有良好的控制地面沉降和減小周圍環境影響的作用[1-2],對于環境保護要求嚴格的穿越工程,管幕法相對其他工法具有非常大的優勢[3]。人工地層凍結法在增強土體的穩定性、減少變形和隔斷地下水方面作用顯著[4],并且具有適應性強和環境影響小等特點[5],在暗挖工程中運用越來越普遍[6-7]。

拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線控制性工程,位于臨海富水軟弱地層,下穿國內第一大陸路口岸——拱北口岸[8]。針對下穿區域暗挖工程,首次提出了“管幕法+人工地層凍結法”相結合的淺埋暗挖隧道超前預支護體系,即“管幕凍結法”[9-10]。借助這一工程實例,國內許多專家學者對管幕凍結法開展了一系列研究,李志宏等[11]通過模型試驗獲得了開挖熱擾動對凍土帷幕的影響規律; 文獻[12-13]對管幕凍結工法中異形加強管和限位管的作用進行了研究; 胡向東等[14-17]基于模型試驗對管幕凍結封水效果和解凍溫度場進行了實測研究; Cai等[18]采用數值方法研究了管幕凍結法產生的凍脹影響; Niu等[19]基于管幕凍結理念,對某下穿河流的淺埋隧道管幕凍結法溫度場進行了案例研究。

然而,由于在未充填混凝土的空氣頂管內部貼壁布置異形凍結管在國內外尚屬首次,已有的研究成果未涉及異型管外是否需要進行壁面保溫措施,目前還沒有可供參考的結論。本文結合拱北隧道管幕凍結工程的現場原型試驗,針對布置在空頂管內的異形加強凍結管采取不同的保溫措施進行分析與總結,以獲得保溫措施對凍結效果的影響規律,驗證空頂管內更高效的凍結方式,以期對管幕凍結法的設計與施工提供指導與借鑒。

1 工程背景

1.1 工程簡介

拱北隧道全長2.741 km,分海域明挖段、口岸暗挖段和陸域明挖段3部分。其中,口岸暗挖段全長255 m,采用管幕+凍結相結合的支護結構體系,以上下疊層大斷面暗挖隧道方案下穿拱北口岸[20],兩端各設置1個工作井,如圖1所示。暗挖段管幕由36根直徑為1 620 mm的鋼管組成; 采用分區分段凍結法進行管幕之間的止水,凍土帷幕設計厚度為2～2.6 m; 采用多臺階法分步開挖,開挖面積約336.8 m2; 采用三次復合襯砌支護; 管幕頂部覆土厚度為4～5 m。

圖1 暗挖段平面布置圖[8,10,13,20](單位: cm)

1.2 工程地質條件

根據地勘報告,隧道區域內地質條件惡劣,土層主要有填筑土、淤泥質粉質黏土、粉土、中細砂、淤泥質粉土、粉質黏土、礫砂等,土層具有軟弱、飽和含水、水量補給豐富、壓縮性高、滲透性高、承載力低的特點,砂土、淤泥質土、黏土交錯分布?？诎抖喂こ痰刭|剖面圖如圖2所示,各土層物理參數如表1所示。

圖2 拱北隧道口岸段工程地質剖面圖

表1 拱北隧道口岸段主要土層物理參數

珠海市屬南亞熱帶海洋性季風氣候區,位于珠江口外伶仃洋海域,北靠亞洲大陸,南鄰熱帶海洋,年平均氣溫高,降雨量充沛,歷年平均值為1 967.6 mm。地表水主要是海水,地下水主要賦存于軟土層、砂層,補給豐富。

2 管幕凍結方案

采用36根直徑為1 620 mm的頂管均勻布置在隧道開挖輪廓周圍,形成超前支護管幕,相鄰2根頂管之間距離約35.7 cm,如圖3所示。頂管長度為255.43～260.36 m,每個管節單元長度為4 m。在36根頂管施工完成后,奇數頂管內部澆筑混凝土填充形成實頂管,偶數頂管沒有澆筑混凝土成為空頂管,管幕形成“實頂管”和“空頂管”交替布置狀態。

圖3 管幕橫斷面布置圖

為動態控制凍土帷幕的體積,在橫斷面上采用圓形主力凍結管+異形加強凍結管+限位管的組合布管方式,如圖4所示。

C3-N-1、C3-N-2、C3-N-3、C3-N-4、C4-N-1、C4-N-2、C4-N-3、C4-N-4為溫度傳感器測點,N表示管節數。

1)圓形主力凍結管。在實頂管內兩腰部分布置2根φ133凍結管作為未開挖時的主要冷源; 2)異形加強凍結管。在空頂管內布設異形凍結管,采用125 mm×125 mm×8 mm的“L型”角鋼焊接在管壁上,在土體開挖時進行凍結,以抑制開挖過程中空氣對流對凍土的削弱作用; 3)限位管。在靠近實頂管外邊緣的位置布設,通過循環升溫鹽水帶走多余冷量的方法來控制凍土帷幕的厚度。

在隧道縱向255 m上,實頂管內通過設置供液管形成3個獨立的凍結回路,回路長度依次為63、128、64 m; 空頂管內設置2根干管和16個獨立回路,每個獨立回路為16 m(4個頂管管節單元)。

3 異形加強凍結管保溫試驗

3.1 試驗管幕的選擇

為研究上述管幕凍結方案形成的凍土范圍,驗證凍結壁的封水效果,在工程原位進行了現場原型試驗。

在36根設計頂管中選擇5#充填混凝土的實頂管作為試驗管進行工程原位試驗,同時考慮管幕凍結方案中實頂管和空頂管間隔布置的特點,為了探索空實頂管之間凍結效果的差異,同時不占用設計空頂管的內部空間,試驗中在5#頂管外側額外頂進1根同樣尺寸的0#試驗管,在試驗中作為空頂管使用。因此,本次原型試驗是由5#工程頂管(實頂管)與0#試驗頂管(空頂管)這一組合進行的局部管幕凍結現場原型試驗。5#實頂管和0#空頂管內的測溫電纜實際安裝情況如圖5所示。

(a) 5#實頂管

(b) 0#空頂管

各電纜內溫度傳感器的布置總體按照土體溫度與管壁溫度兼顧的原則,同時考慮頂管內部溫度監測的需求。相鄰測點間距控制在30 cm,兩頂管間的縫隙作為滲水關鍵通道,對測點間隔進行加密。溫度傳感器采用DS18B20數字傳感器,通過“一線總線”方式連接至頂管外側的溫度采集系統。具體各測點的布置位置如圖4所示。

5#頂管作為工程頂管,其內部原本設計的2根圓形主力凍結管分別靠近4#頂管和6#頂管,限位管設計位置在靠近0#頂管一側。根據5#工程頂管與0#試驗頂管的相對位置,為了在試驗中模擬相鄰空實頂管的協同凍結狀態,需要對5#工程頂管中的凍結管進行改造。試驗中需要將初始設計的5#頂管限位管作為1根圓形主力凍結管使用,同時在5#頂管圓心對稱位置重新布置1根圓形主力凍結管,也即圖4中5#頂管內部靠近開挖面一側的凍結管。而試驗過程中限位管則選取為初始設計中靠近4#頂管一側的圓形主力凍結管。通過這一凍結管改造方案,試驗過程中只需要在5#頂管內部增加1根圓形主力凍結管即可,試驗結束后,試驗凍結管可以恢復初始設計方案中的凍結和限位功能,解決了充填混凝土的5#頂管試驗后再拆裝凍結管的難題。

試驗過程中,沿隧道縱向選取15個頂管管節單元作為本次試驗范圍,長度為60 m。同時為了消除工作井內高溫外界環境對凍結試驗中土體溫度場的影響,15個試驗管節選取避開了255 m隧道的兩端,具體位置從東側工作井往西約24 m(6個頂管管節)位置開始。

3.2 分段試驗方案

原型試驗內容主要包括以下幾部分: 不同模式的積極凍結方案比選、2種動態控制凍結方案分析及動態控制參數選擇、管幕周圍土體預注漿效果和異形加強凍結管保溫效果研究等內容。具體試驗方案及頂管管節分配情況如表2所示。

表2 試驗管節分布表

限于篇幅,本文主要討論異形加強凍結管采取保溫措施對管幕凍結效果的影響。在本次試驗中所提到的保溫均采用4 cm厚保溫板,具體分2個方面進行試驗研究,包括異形加強凍結管局部保溫和空頂管全斷面保溫,如圖6所示。2種保溫模式的試驗在同一個凍結周期內不同頂管管節中進行同步分段試驗,凍結時間均為60 d,試驗的邊界條件為地層原狀土的溫度邊界,凍結試驗開始之前進行地層測溫確定,初始地溫平均值約為28℃。

(a) 局部保溫模式 (b) 全斷面整體保溫模式

1)異形加強凍結管保溫屬于局部保溫。根據管幕凍結方案分2組進行比較研究。

①第1組為圓形主力凍結管和異形加強凍結管同步開啟,為實頂管與空頂管協同凍結方案,利用管節7(不保溫)、管節8(保溫)、管節9(不保溫)進行比較試驗。

②第2組為圓形主力凍結管始終開啟、異形加強凍結管滯后開啟,是實頂管為主、空頂管為輔的凍結方案,利用管節3(不保溫)、管節6(保溫)、管節10(不保溫)進行比較試驗。

2)空頂管內壁全斷面保溫(包含異形加強凍結管)屬于整體保溫。限于試驗規模,僅對實頂管與空頂管協同凍結方案進行試驗研究,利用管節11(不保溫)和管節12(保溫)進行對比分析。

3.3 凍土厚度確定方法

針對空頂管內部異形凍結管在不同管節采取保溫措施后的凍結效果比較,主要從空頂管凍土帷幕厚度的發展來判斷凍結效果,由此對異形加強凍結管保溫措施的影響做出判斷。在選取凍土帷幕厚度計算時,主要采用圖4中C3-N-1、C3-N-2、C3-N-3這3個測點進行計算,觀察空頂管上方靠近兩管間區域凍土帷幕變化情況。另外,受局部試驗的影響,C4測點試驗溫度比工程實際應該更高,也可以利用C4-N-1、C4-N-2、C4-N-3這3個測點進行對比分析。每個管節中間位置布置1個監測斷面,共15個監測斷面,每個斷面布置70個測溫點,監測頻率為1次/30 min。

采用C3和C4測溫孔進行凍土帷幕厚度計算時,首先通過線性插值獲得測溫孔中冰點位置,再考慮測溫孔角度及偏斜,后根據冰點位置的測點深度計算出凍土帷幕厚度,即凍土邊界與兩頂管中心連線的垂直距離,如所圖7示。

圖7 凍土帷幕厚度計算示意圖

以采用C3孔計算為例: 1)通過測線C3上已知測點的溫度,利用線性插值方法,確定冰點(-1.8 ℃)在測線C3上的位置,即點B在測線C3上的位置,由此得出距離c; 2)考慮測溫孔設計角度及偏斜,后得出測線C3的實際偏轉角度η,進而得出兩頂管頂部連線至凍土帷幕邊界的垂直距離a=c·sinη; 3)利用上下對稱性原理,通過測線C3計算實頂管外側靠近兩管間區域凍土帷幕厚度= 2·(c·sinη+r),其中r為頂管的外半徑。

4 試驗結果分析

4.1 局部保溫試驗分析

4.1.1 實頂管與空頂管協同凍結模式

管節8、管節7、管節9都屬于實頂管與空頂管協同凍結狀態。管節7、管節8、管節9的凍土帷幕厚度見圖8和表3,結合相鄰管節的凍結狀態(見表3),可以看出管節8所處的凍結施工環境比管節7、管節9稍好,在不考慮“異形加強凍結管”保溫這一影響因素下,管節8的凍結效果會比管節7、管節9稍好。若對比發現管節7、管節9比管節8的凍結效果更好,表明局部保溫將對管幕凍結效果產生不利的影響。

圖8 管節7、8、9的凍土帷幕厚度變化

表3 管節7、8、9的凍土帷幕厚度變化

由圖8可以看出,對于空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕厚度變化情況,明顯管節7和管節9均比管節8(保溫)凍土帷幕厚度要大很多,隨著凍土不斷發展,其差距還在增大。

結合圖8和表3進行分析,經過積極凍結期20 d后,在第20天時,實頂管與空頂管協同凍結模式下的凍土帷幕厚度還沒有包裹住頂管(≤162 cm),此時管節8(保溫)的凍土帷幕厚度比管節7、管節9分別小21.6 cm和25.6 cm; 在積極凍結期60 d后,第60天,管節8(保溫)的凍土帷幕厚度發展至189.8 cm,不滿足凍結設計要求厚度(200 cm),而管節7、管節9凍土帷幕厚度分別發展至233.9 cm和248.7 cm,此時管節8(保溫)比管節7、管節9小44.1 cm和58.9 cm。由此可知,隨著積極凍結時間的推移,管節8(保溫)與管節7、管節9的凍土帷幕厚度差距從開始的21～26 cm擴大至44～59 cm,差距增大了約1倍。表明管節8(保溫)的凍土帷幕厚度增長速率比管節7、管節9慢,而且最后管節8(保溫)沒有達到設計要求厚度200 cm。

根據上述分析可知: 采取局部保溫的管節8,其空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕厚度明顯小于不保溫狀態下的管節7、管節9; 而且隨著積極凍結的進行,管節8(保溫)的凍土帷幕邊界發展速率也比管節7、管節9慢。因此可以判斷,管節8(保溫)在空頂管上方的凍結效果比管節7、管節9較差,表明局部保溫對空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕厚度發展不利,對空頂管上方靠近兩管間區域的凍結效果產生不利影響,甚至導致凍土帷幕厚度達不到設計要求。

4.1.2 實頂管為主、空頂管為輔的凍結模式

比較管節6(保溫)與管節3、管節10的凍結施工環境,均為實頂管為主、空頂管為輔的凍結狀態。管節3、管節6、管節10的凍土帷幕厚度見圖9和表4。管節6(保溫)異形加強凍結管滯后12 d開啟; 管節3與管節10異形加強凍結管滯后39 d開啟。由上述分析可知,管節6(保溫)的異形加強凍結管開啟時間比管節3、管節10提前28 d,在不計算“異形加強凍結管”保溫這一影響因素下,管節6(保溫)的凍結效果會比管節3和管節10好。若對比發現管節3、管節10比管節6(保溫)的凍結效果更好,則表明局部保溫將對管幕凍結效果產生不利的影響。

圖9 管節3、6、10的凍土帷幕厚度變化

表4 管節3、6、10的凍土帷幕厚度變化

由圖9可以看出,對于空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕厚度變化情況,雖然管節6(保溫)的凍土帷幕比管節3、管節10形成時間更早,但是在異形加強凍結管開啟后,管節3、管節10的凍土帷幕厚度增長速率明顯快于管節6(保溫)。管節3在積極凍結約第55天時凍土帷幕厚度發展至與管節6(保溫)相同,管節10在積極凍結約第47天時凍土帷幕厚度發展至與管節6(保溫)相同。經過積極凍結期60 d后,管節3、管節10的凍土帷幕厚度明顯大于管節6(保溫)。圖9中管節3與管節10的凍土帷幕厚度差異主要是受相鄰管節加強凍結的影響。

結合圖9和表4進行分析,經過積極凍結期30 d后,在第30天時,管節6(保溫)由于早已開啟異形加強凍結管,凍土帷幕厚度已接近162 cm,而管節3、管節10沒有開啟異形加強凍結管,空頂管附近基本沒有凍土形成; 在積極凍結期45 d后,第45天,管節3與管節10的異形加強凍結管開啟后僅6 d,凍土帷幕厚度分別發展至146.9 cm和171.7 cm,而管節6(保溫)已發展至180.9 cm,此時管節3、管節10的凍土帷幕厚度比管節6(保溫)相差34 cm和9.2 cm; 而在積極凍結期60 d后,第60天,管節3、管節10分別發展至210.4 cm和240.9 cm,管節6(保溫)的凍土帷幕厚度發展至201.6 cm,剛好達到凍結設計要求厚度(200 cm),此時管節3、管節10的凍土帷幕厚度比管節6(保溫)大8.8 cm和39.3 cm。由此可知,隨著積極凍結時間的推移,當異形加強凍結管開啟后,管節3、管節10的凍土帷幕厚度迅速增大,并且在積極凍結60 d后超過管節6(保溫),表明在圓形主力凍結管與異形加強凍結管同時開啟后,管節6(保溫)的凍土帷幕厚度增長速率比管節7、管節9慢。

根據上述分析可知: 雖然管節6(保溫)的異形加強凍結管比管節3、管節10提前28 d開啟,但是在經過積極凍結60 d后,其空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕厚度不及管節3、管節10。因此可以判斷,管節6(保溫)在空頂管上方的凍結效果比管節3、管節10要差,表明局部保溫對空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕厚度發展不利,對空管上方靠近兩管間區域的凍結效果產生不利影響。

4.2 整體保溫試驗分析

對管節11進行整體保溫,即對空管內壁進行全斷面保溫,管節11和管節12的凍土帷幕厚度如圖10和表5所示。比較管節11與管節12的凍結施工環境,屬于實頂管與空頂管協同凍結狀態,僅相鄰管節10圓形主力凍結管開啟,對空頂管上方凍土帷幕發展影響非常小,且這一影響也是對管節11凍結有利。若對比發現管節11比管節12的凍結效果要差,則表明整體保溫將對管幕凍結效果產生不利的影響。

圖10 管節11、12的凍土帷幕厚度變化

表5 管節11、12的凍土帷幕厚度變化

在分析管節11與管節12時,由于考慮的是空頂管的全斷面保溫狀態,主要分析2個區域: 空頂管上方靠近兩管間區域凍土,以圖4中測線C3計算所得; 空頂管正上方區域凍土,以圖4中測線C4計算所得。

1)對相同管節的C3與C4比較,C4-11(保溫)的凍土帷幕厚度比C3-11(保溫)小; C4-12的凍土帷幕厚度比C3-12小。由此看出空頂管上方靠近兩管間區域凍土比空頂管正上方區域凍土發展較快,主要是受局部試驗的影響。

2)對不同管節的C3和不同管節的C4單獨比較,分析整體保溫對不同凍結區域的影響。

由圖10可以看出,無論是空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕還是空頂管正上方區域凍土帷幕,管節12的凍土帷幕厚度明顯比管節11(保溫)要大。

結合圖10和表5進行分析可知:

1)對于空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕(C3-11與C3-12),經過積極凍結期10 d后,在第10天時,管節11(保溫)的凍土帷幕厚度比管節12小13.7 cm; 在積極凍結期30 d后,第30天,管節11(保溫)的凍土帷幕厚度發展至224.1 cm,而管節12發展至242.9 cm,此時管節11(保溫)比管節12小18.8 cm; 在積極凍結期45 d后,第45天,管節11(保溫)的凍土帷幕厚度發展至256.9 cm,而管節12發展至277.4 cm,此時管節11(保溫)的凍土帷幕厚度比管節12小20.5 cm。由此可知,隨著積極凍結時間的推移,管節11(保溫)與管節12的凍土帷幕厚度差距從開始的13.7 cm擴大至20.5 m,差距逐漸增大。表明管節11(保溫)的凍土帷幕不僅厚度比管節12小,而且增長速率比管節12慢,即管節11(保溫)的凍土帷幕邊界發展比管節12慢。

2)對于空頂管正上方區域的凍土帷幕(C4-11(保溫)與C4-12),經過積極凍結期20 d后,在第20天時,管節11(保溫)的凍土帷幕厚度比管節12小20.2 cm; 在積極凍結期30 d后,第30天,管節11(保溫)的凍土帷幕厚度發展至192.3 cm,而管節12發展至216.3 cm,此時管節11(保溫)的凍土帷幕厚度比管節12小24 cm; 在積極凍結期45 d后,第45天,管節11(保溫)的凍土帷幕厚度發展至239.1 cm,而管節12發展至259.2 cm,此時管節11(保溫)的凍土帷幕厚度比管節12小20 cm。由此可知,隨著積極凍結時間的推移,管節11(保溫)與管節12的凍土帷幕厚度差距一直維持在20～24 cm,差距變化較小。表明管節11(保溫)的凍土帷幕僅厚度比管節12小,厚度增長速率基本維持穩定,即凍土帷幕邊界發展速率基本穩定。

根據上述分析可知: 采取整體保溫的管節11,其空頂管上方靠近兩管間區域和空頂管正上方區域的凍土帷幕厚度均明顯小于不保溫狀態下的管節12; 隨著積極凍結的進行,管節11(保溫)在空頂管上方靠近兩管間區域的凍土帷幕邊界發展速率也比管節12慢,管節11(保溫)在空頂管正上方區域的凍土帷幕邊界發展速率基本穩定。因此也可以判斷,管節11(保溫)在空頂管上方的凍結效果比管節12要差,表明整體保溫對空頂管上方的凍土帷幕厚度發展不利,對空頂管上方的凍結效果產生不利影響。

5 結論與體會

1)僅對異形加強凍結管采取局部保溫和空頂管內部全斷面整體保溫,其空頂管上方凍土帷幕的發展都受到影響,相較于不采取保溫措施,不利于凍土帷幕的形成。表明異形加強凍結管保溫對凍結效果會產生不利影響。

2)對于空頂管上方靠近兩管間區域凍土而言,隨著積極凍結時間的推移,保溫管節與不保溫管節之間的凍土帷幕厚度差距越來越大,協同凍結60 d的凍土帷幕厚度之差約為20 d的2倍。表明采取保溫之后空頂管上方靠近兩管間區域凍土帷幕發展會越來越慢。

3)異形加強凍結管沒有采取保溫措施對凍結更有利,表明空頂管內部凍結方式應該是異形凍結管在為周圍土體提供冷量的同時降低頂管內空氣介質溫度,空頂管內部整體溫度處于負溫狀態,以利于頂管周圍凍土帷幕的發展。這樣可以把空頂管作為“大凍結管”來考慮。