張 軍，胡向東，任 輝

（1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢 430056；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；3.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

拱北隧道管幕凍結(jié)施工中限位管的凍結(jié)效果控制研究

張 軍1，胡向東2，任 輝3

（1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢 430056；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；3.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道采用管幕凍結(jié)法施工。為了獲取合適的凍結(jié)施工參數(shù)，采用原型試驗研究限位管的凍結(jié)效果控制作用。試驗結(jié)果表明：當管幕凍結(jié)施工過程中實頂管正上方凍土發(fā)展較快時，可通過在限位管循環(huán)熱鹽水來控制凍土發(fā)展，其中，限位管溫度為8℃比2℃時能更好地控制凍土厚度；但是，若實頂管與空頂管之間的凍土及空頂管上方的凍土仍需要發(fā)展時，可采用2℃鹽水，此時，凍土帷幕厚度繼續(xù)增加，但幅度減小。因此，采用限位管控制凍土帷幕發(fā)展是可行的。

管幕凍結(jié)施工；拱北隧道；溫度場；原型試驗；凍結(jié)效果控制

0 引言

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道口岸暗挖段結(jié)合了管幕法和凍結(jié)法的優(yōu)點，首次提出采用“管幕法+人工地層凍結(jié)法”相結(jié)合的淺埋暗挖隧道超前預支護體系［1-2］，即“管幕凍結(jié)法”。

人工地層凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)改變巖土性質(zhì)，以增加土體強度及穩(wěn)定性、隔絕地下水聯(lián)系，以便在凍土帷幕的保護下進行施工的特殊工法。該工法已越來越多地應用到礦井、隧道、基坑、盾構(gòu)進出洞、地鐵聯(lián)絡(luò)通道以及緊急搶險修復工程中［3-6］。管幕工法一般將鋼管植入土體中形成超前支護，然后再開挖、施作主體結(jié)構(gòu)，該工法多次成功應于特殊條件下的穿越工程［7-8］。目前，已實施的管幕工程多為直線管幕，一般受地下水影響較小，其直線線形為管間鎖口注漿止水提供了條件。凍結(jié)法可以有效地進行管幕間封水施工，且不受直線線型的制約。在此之前，國內(nèi)尚無案例，國外也僅有日本的株式會社精研有過“鋼管+凍結(jié)”工法的設(shè)想與研究［9-11］，目前，僅在德國柏林地鐵勃蘭登堡門站（Brandenburger Tor，U55，Berlin）暗挖施工中有應用實例。但是，“鋼管+凍結(jié)”工法與管幕凍結(jié)工法還是有區(qū)別的，在“鋼管+凍結(jié)”工法中，將凍土作為承載結(jié)構(gòu)體考慮，鋼管只是為了提高凍土結(jié)構(gòu)的整體承載性能；而在管幕凍結(jié)工法中，主要是由頂管形成的管幕作為承載結(jié)構(gòu)體，凍結(jié)形成的凍土帷幕只是替代頂管間鎖口起到封水作用。國內(nèi)同濟大學團隊結(jié)合珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程，通過數(shù)值模擬［12-14］、室內(nèi)試驗、大型物理模型試驗［15］等方法，對管幕凍結(jié)法的設(shè)計理念及其封水的可靠性進行了大量研究［16］。

管幕間采用凍結(jié)施工進行封水，周邊土體因為凍脹作用會造成地表發(fā)生隆起。為減少凍脹效應對地表的影響，筆者在設(shè)計過程中首次提出采用通過在特定管路——限位管中，循環(huán)常溫鹽水帶走多余冷量的方式來控制凍土體積的發(fā)展。本文為驗證限位管的效果和獲取合適的運行參數(shù)，以現(xiàn)場原位試驗為基礎(chǔ)，對管幕凍結(jié)法中的限位管進行詳細地試驗研究，得出針對不同工況，限位管鹽水宜采用的合適溫度。

1 工程概況

拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線關(guān)鍵性控制工程，隧址所在地隸屬于珠海市香洲區(qū)，毗鄰澳門。起點位于拱北灣海域，接珠澳人工島之后的拱北灣大橋，終點位于廣東省公安邊防第五支隊茂盛圍管理區(qū)，左線長度2 741.063 m，右線長度2 375.000 m。其中，口岸暗挖段下穿拱北口岸，上方地面存在出入境風雨廊、澳門關(guān)閘聯(lián)檢大樓和免稅商場等建筑物，如圖1所示。

根據(jù)方案比選，暗挖工程采用255 m曲線頂管+水平凍結(jié)方案。由36根φ1 620 mm管幕形成整體閉合超前支護帷幕，管幕間采用動態(tài)控制性凍結(jié)進行止水，為暗挖施工提供條件。

圖1 拱北隧道平面示意圖Fig.1 Plane sketch of Gongbei Tunnel

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)地勘報告，拱北隧道穿越區(qū)域自上至下依次分布有填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、砂（含淤泥質(zhì)）、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中砂、粗礫砂、卵礫石、全-強風化黑云母斑狀花崗巖等地層。其中，地質(zhì)勘察揭露表層海相、海陸交互沉積層厚度為28～35 m，中層砂（礫）質(zhì)黏土層0.5～8.2 m，下伏全-強風化黑云母斑狀花崗巖，層厚超過20 m。

隧區(qū)內(nèi)地表水主要是海水，地下水主要賦存于③1軟土層、③3砂層，其次為④1粗礫砂地層，再次為③2、④3黏性土或黏性土夾砂及更新統(tǒng)殘積層等土層和基巖裂隙中。其中，砂類土特別是相對松散的粗粒類砂土為強透水層，其次為淤泥或淤泥質(zhì)土、一般性黏性土、殘積土為相對弱透水層。根據(jù)區(qū)內(nèi)水文專題研究的成果，以礫砂平均滲透系數(shù)值測算，地下水流速為3.12×10-4cm/s，即0.27 m/d，初步判斷流速對凍結(jié)無影響。

3 暗挖段設(shè)計方案

3.1 管幕設(shè)計方案

管幕由36根φ1 620 mm的鋼管組成，管節(jié)長度為4 m，管幕之間的凈距離為35.7 cm，其中，奇數(shù)編號管幕沿徑向向隧道中心偏移30 cm，如圖2所示。在凍結(jié)施工前，奇數(shù)頂管內(nèi)填充混凝土，偶數(shù)頂管為空管幕?？展苣辉趦鼋Y(jié)施工過程中可作為檢修通道，方便凍土監(jiān)測，在凍結(jié)施工完成后為融沉注漿提供施工平臺，空頂管待隧道施工完成后及時填充混凝土。

圖2 管幕設(shè)計示意圖（單位：cm）Fig.2 Design of pipe roof（cm）

3.2 凍結(jié)設(shè)計方案

本工程凍結(jié)的主要作用是管幕間止水，因此，凍土帷幕的厚度必須滿足以下2個要求：

1）凍土帷幕的最小厚度必須滿足頂管間封水的要求；

2）凍土帷幕的最大厚度必須滿足地表變形對土體凍脹的要求。

由于本工程對地表變形控制嚴格，凍土壁越厚，凍土體積越大，凍土對地面建筑的凍脹影響越大。為防止凍土帷幕的體積發(fā)展過大，同時，滿足管幕間的封水要求，采用圓形凍結(jié)管+異形凍結(jié)管+限位管的組合布管方式，如圖3所示。在奇數(shù)頂管內(nèi)兩腰位置布置2根DN125凍結(jié)管作為未開挖時的主要冷源，在靠近頂管外邊緣的位置布設(shè)限位管控制凍土帷幕的范圍；在偶數(shù)頂管內(nèi)布設(shè)異形凍結(jié)管（125×125 mm角鋼焊接在管壁上），在土體開挖后，進行加強凍結(jié)，以抑制開挖過程中的空氣對流對凍土的削弱作用。

圖3 管幕及其內(nèi)部凍結(jié)管橫斷面布置圖Fig.3 Layout of the freezing pipes in the pipe-roofing system

4 限位管作用的現(xiàn)場試驗

4.1 管幕凍結(jié)現(xiàn)場試驗

為驗證拱北隧道管幕凍結(jié)法的可靠性，并獲取相關(guān)管路運行參數(shù)，選取現(xiàn)場的2根頂管，5＃原位工程管、0＃試驗管。5＃原位工程管為填充混凝土的實管，0＃試驗管為空管，具體布置如圖4所示。管幕凍結(jié)試驗共選取了15個監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面的測溫點布置如圖5所示。

圖4 試驗管幕凍結(jié)管布置Fig.4 Layout of the freezing pipes in the pipe-roofing freezing test

圖5 測點斷面布置示意圖Fig.5 Layout of monitoring points

4.2 限位管控制效果試驗方案

限位管通過提供熱源帶走管幕凍土帷幕中多余冷量，限制凍土發(fā)展。在凍結(jié)方案設(shè)計時，考慮到實頂管凍結(jié)效果較好，其外側(cè)凍土發(fā)展較快，在實頂管內(nèi)部靠近外側(cè)部位設(shè)置了限位管，作為管幕凍土中的熱源，如圖3和圖4所示，主要起到限制隧道外側(cè)凍土發(fā)展的作用，尤其是實頂管外側(cè)的凍土。

限位管控制效果的現(xiàn)場試驗過程為：先在試驗初期通入2℃限位鹽水，待管幕及周圍凍土溫度場趨于穩(wěn)定后，再次上調(diào)限位鹽水溫度至8℃，待管幕及周圍凍土溫度場趨于穩(wěn)定后，再關(guān)閉高溫鹽水限位管，觀察分析管幕及周圍凍土溫度場的恢復情況。

根據(jù)實際試驗過程，從高溫限位鹽水管開啟前5.7 d開始，依次經(jīng)歷限位鹽水溫度為2℃時5 d、限位鹽水溫度為8℃時10 d、關(guān)閉限位鹽水管后7 d，共計約27.7 d，如表1所示。

表1 限位管試驗各時間段的狀態(tài)Table 1 State of limiting tube in field test

5 限位管的控制效果分析

限位管控制效果試驗將從測點溫度-時間曲線、管幕及周圍土體溫度云圖2個方面分析限位管的控制作用，如圖6—10所示。

5.1 溫度時間曲線分析

圖6中X軸處于凍土冰點位置，從圖中可以看出，當5＃實頂管上方凍土離限位管越近，限位管作用越明顯，升溫幅度越大。實頂管正上方凍土在限位管鹽水為2℃作用下，凍土溫度升高，但是仍然在冰點以下；在限位管鹽水為8℃作用下，凍土溫度迅速升至冰點以上，實頂管正上方凍土融化。實頂管上方靠近兩管間區(qū)域凍土溫度基本沒有升高。限位管鹽水為2℃運行5 d和限位管鹽水為8℃運行10 d，共15 d后，凍土溫度升高不明顯，約0.5℃。而當限位管關(guān)閉后，實頂管上方靠近兩管間區(qū)域凍土溫度迅速恢復，在7 d后比限位管開啟前降低了約1℃。由此可見，限位管明顯抑制了實頂管上方靠近兩管間區(qū)域凍土溫度升高。

圖6 5＃實頂管上部土體測點溫度-時間曲線Fig.6 Temperature-time curves of the monitoring point above No.5 pipe

圖7中X軸處于凍土冰點位置，從圖中可以看出，0＃空頂管上部土體溫度基本沒有變化，也沒有較大的波動起伏，實頂管內(nèi)限位管的開啟與關(guān)閉、限位鹽水溫度的升高等均沒有對此產(chǎn)生影響。因此，可以判斷，實頂管內(nèi)部限位管對空頂管上部土體溫度基本沒有影響。

圖7 0?？枕敼苌喜客馏w測點溫度-時間曲線Fig.7 Temperature-time curves of the monitoring point above No.0 pipe

從圖8可以看出，兩管間凍土溫度雖有波動起伏，但是，整體上仍然處于下降趨勢。在第5.7～20.7 d限位管開啟期間，兩管間凍土溫度下降速率較慢，而在第20.7～27.7 d限位管關(guān)閉階段，兩管間凍土溫度下降速率明顯加快。由此可知，限位管不會導致管間凍土溫度迅速回升，僅降低了管間凍土降溫速率，抑制凍土溫度降低。

圖8 2管之間土體測點溫度-時間曲線Fig.8 Temperature-time curve of the monitoring point between No.5 pipe and No.0 pipe

5.2 溫度云圖分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可繪制出管幕及周邊土體的溫度云圖。當限位管鹽水溫度為2℃時，管幕及周圍土體溫度場變化云圖如圖9所示。從（a）～（d）依次描述的是限位開啟前（第5.7 d）、限位管開啟后第1 d（第6.7 d）、限位管開啟后第2 d（第7.7 d）、限位管開啟后第5 d（第10.7 d）的溫度場云圖。從圖9（a）看出，在限位管開啟前，實頂管正上方、實頂管上方靠近兩管間區(qū)域、空頂管上方靠近兩管間區(qū)域的凍土均較厚。在限位管開啟后，實頂管正上方靠近限位管區(qū)域的凍土溫度迅速升高并融化，隨著限位的進行，實頂管正上方凍土融化面積逐漸增大，凍土邊界向兩管間靠攏，導致實頂管上方靠近凍結(jié)管區(qū)域的凍土有明顯降溫。兩管間凍土帷幕厚度并沒有因為限位管的開啟而產(chǎn)生明顯變化，但是，兩管間上部靠近實頂管區(qū)域的凍土溫度，由于離限位管較近，有一定的升高。兩管間中心部位凍土，即圓形主力凍結(jié)管與異形加強凍結(jié)管之間的凍土，比較圖9（a）與圖9（b）可以發(fā)現(xiàn)，在限位管剛開啟第1 d，兩管間凍土溫度最低處，即-18～-16℃區(qū)域，如溫度云圖顯示仍然在增大，但在后續(xù)限位過程中，基本沒有變化。比較圖9可以發(fā)現(xiàn)，實頂管內(nèi)部靠近限位管區(qū)域溫度也迅速升高，限位管附近區(qū)域溫度發(fā)展至冰點以上，并且實頂管中心在限位前為-14～-12℃，當限位開啟后第1 d即升至-12～-10℃，在之后的限位階段變化不大。由此可以看出，其降溫主要還是發(fā)生在限位第1 d?？枕敼軆?nèi)部及上部土體并沒有因為限位的開啟而產(chǎn)生規(guī)律性的變化。由此可見，當限位管開啟后，影響最大的是實頂管內(nèi)部與實頂管正上方凍土，實頂管內(nèi)部溫度明顯升高，而且限位管附近區(qū)域溫度發(fā)展至冰點以上。兩管間凍土帷幕厚度和溫度隨限位的進行基本穩(wěn)定，沒有明顯變化，限位管的開啟在一定程度上抑制了凍土帷幕的繼續(xù)發(fā)展，起到了控制效果。

圖9 管幕及周圍土體溫度隨時間變化云圖（2℃）Fig.9 Temperature contour of the freeze-sealing pipe roof（2℃）

從圖10可以看出，在限位鹽水溫度由2℃調(diào)整為8℃后，實頂管正上方凍土融化面積明顯增大，凍土邊界繼續(xù)向兩管間靠攏；但是，兩管間中心部位的凍土，即圓形主力凍結(jié)管與異形加強凍結(jié)管之間的凍土，溫度基本沒有什么變化，導致5＃實頂管右上方凍土溫度梯度明顯增大。同時，實頂管內(nèi)部靠近限位管區(qū)域溫度繼續(xù)升高，限位管附近冰點以上區(qū)域隨限位溫度升高明顯增大。在實頂管中心區(qū)域，溫度為-12～-10℃的區(qū)域明顯縮小，而空頂管內(nèi)部及上部土體并沒有因為限位的開啟而產(chǎn)生規(guī)律性變化。由此可見，當限位鹽水溫度為8℃時，管幕及周圍土體溫度場變化規(guī)律與限位鹽水溫度為2℃時相同，隨著限位鹽水溫度的升高，實頂管內(nèi)部及實頂管上方凍土溫度明顯升高，凍土融化范圍也增大；但是，對兩管間凍土溫度影響較小，實頂管右上方凍土溫度梯度明顯增大。

6 結(jié)論與建議

本文結(jié)合港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段提出的“管幕法+人工地層凍結(jié)法”相結(jié)合的淺埋暗挖隧道超前預支護體系，根據(jù)現(xiàn)場試驗，對限位管的控制效果進行分析，得出結(jié)論如下：

1）采用限位管控制管幕間凍土的發(fā)展是可行的。

2）當采用限位管對管幕及周圍土體進行控制時，可以認定為局部限位控制，其影響范圍主要為實頂管周圍凍土，尤其是離限位管較近的區(qū)域。

圖10 管幕及周圍土體溫度隨時間變化云圖（限位鹽水溫度8℃）Fig.10 Temperature contour of the freeze-sealing pipe roof（8℃）

3）限位管對實頂管上方靠近兩管間區(qū)域的凍土影響較小，可以抑制兩管間凍土溫度的上升和凍土帷幕厚度的發(fā)展；但是，對空頂管內(nèi)部及空頂管上方凍土基本沒有影響。

4）限位管鹽水溫度8℃的作用比2℃更明顯，實頂管正上方融化凍土體積更大，但同時對實頂管內(nèi)部溫度場影響也增大。這2種限位鹽水溫度對兩管間凍土都沒有產(chǎn)生不利影響。

5）建議在實際施工過程中，當實頂管外側(cè)凍土發(fā)展較快時，限位管鹽水溫度取2℃，以減緩凍土邊界發(fā)展速率；當實頂管外側(cè)凍土厚度超過設(shè)計值時，限位管鹽水溫度取8℃，使凍土邊界緩慢退縮。

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Case Study on Control of Freezing Effect by Installing Limiting Tubes in Freezing-sealing Pipe Roof in Gongbei Tunnel

ZHANG Jun1，HU Xiangdong2，REN Hui3

（1.CCCC Second Highway Consultant Co.，Ltd.，Wuhan 430056，Hubei，China；2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.The Management Center of Zhuhai Link Road of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge，Zhuhai 519030，Guangdong，China）

Gongbei tunnel of Zhuhai Link Road of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge is proposed to be constructed by freezing-sealing pipe roof method.In the paper，the effect of limiting tubes is studied by means of prototype experiment so as to obtain the rational parameters for the freezing-sealing pipe roof scheme.Conclusions drawn are as follows：1）When the frozen soil wall above the pipe filled with concrete is growing at a relatively high rate，the method of circulating warm brine in the limiting tubes can be used to control the over-growth of the frozen body.Considering the brine temperature in the brine-tube for limiting the over-growth of the frozen body，the temperature of 8℃is more effective than the temperature of 2℃.2）When the frozen soil between the pipe filled with concrete and that without concrete filled and the frozen soil above the pipe filled with concrete need further freezing，the brine temperature of 2℃can be adopted，the frozen soil wall is still growing，however at a lower speed.The result of the prototype experiment proves the effect of the limiting tubes.

Gongbei tunnel；freezing-sealing pipe roof；temperature field；prototype experiment；freezing effect control

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.007

U 455.46

A

1672-741X（2015）11-1157-07

2015-08-13；

2015-11-06

交通運輸部建設(shè)科技項目（2013318J11300）；國家自然科學基金項目（51478340）

張軍（1984—），男，湖北武漢人，2011年畢業(yè)于同濟大學，地下建筑與工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事隧道及地下工程相關(guān)設(shè)計工作。