任 輝，胡向東，陳 錦，張 軍

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

異形加強凍結管在管幕凍結法中的凍結效果及使用方法研究

任 輝1，胡向東2，陳 錦2，張 軍3

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

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段的超前預支護體系采用管幕凍結法，該工法將3種功能不同的特殊凍結管內置在頂管內進行凍結封水。其中異形加強凍結管主要起到減少或是抵消由于開挖和施作襯砌引起的熱擾動以抵御凍土弱化的作用。結合管幕凍結法大型物理模型試驗，重點分析異形加強凍結管的凍結效果及其使用方法。結果表明：1）異形加強凍結管降溫效果明顯，能抵御開挖和施作襯砌帶來的熱擾動；2）提前開啟異形加強凍結管，形成良好的凍土帷幕后開挖更安全。

港珠澳大橋；拱北隧道；管幕凍結法；異形加強凍結管；模型試驗

0 引言

針對日趨復雜的城市隧道及地下工程建設環(huán)境，淺埋暗挖工法在1987年被提出［1］，經過20多年的發(fā)展，形成了一套完整的配套技術，被廣泛地應用于隧道及地下工程建設［2］。隨著淺埋暗挖法的廣泛應用，城市隧道及地下工程建設環(huán)境越來越復雜，施工技術難度越來越大，其發(fā)展趨勢主要表現為強化輔助工法和簡化主要工法［3］。對于富含水地層的超大斷面淺埋暗挖隧道，其輔助工法的選擇尤為重要，當單純采用水平旋噴、管幕［4］、凍結［5］或降水等輔助工法無法滿足要求時，多種輔助工法相結合進而實現優(yōu)勢互補的組合工法被提出。

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段，首次采用“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”［6］。在此之前國內尚無案例，國際上也僅有日本的株式會社精研有過“鋼管+凍結”工法的設想與研究［7-9］，目前僅見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”工法與管幕凍結工法還是有區(qū)別的：“鋼管+凍結”工法中將凍土作為承載結構體考慮，鋼管只是為了提高凍土結構的整體承載性能而存在；而管幕凍結工法中，主要是由頂管形成的管幕作為承載結構體，凍結形成的凍土帷幕只是替代頂管間鎖口起到封水作用。國內同濟大學團隊結合港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程，通過數值模擬［10-13］、室內試驗［14］、大型物理模型試驗［15-16］等方法，對管幕凍結法的設計理念及其封水的可靠性進行了大量研究［17］。本文以管幕凍結法凍結方案物理模型試驗為基礎［16］，對管幕凍結法的特殊管路——異形加強凍結管進行試驗研究，驗證異形加強凍結管的凍結效果，并探討其使用方法。

1 管幕凍結法

1.1 工法提出

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程，其口岸暗挖段，共255 m，如圖1所示，采用管幕法施工［18］。因隧道縱向軸線有較大曲率，曲線頂管難以保證兩頂管間的止水鎖扣成功連接，進而難以保證管幕的封水效果，故采用控制凍結對管幕之間土體進行凍結，從而達到止水效果。凍結施工的主要目的是使用冷凍加固的方法將頂管間的土體變?yōu)閮鐾梁晚敼芤黄鹦纬擅荛]的帷幕，為隧道暗挖施工提供條件。由此而提出管幕法與人工地層凍結法相結合的工法，即“管幕凍結法”，將管幕法與人工地層凍結法2種輔助工法的優(yōu)點充分結合起來。

圖1 拱北隧道平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of Gongbei tunnel

“管幕凍結法”是利用頂管技術在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管或其他材質的管子，運用內置在頂管里面的凍結管，將頂管之間的土體凍結起來，形成水密性的地下空間，即用凍土帷幕來代替原來管幕間止水鎖口的作用。

1.2 管幕設計

當所有頂管完成后，頂管間隔一根澆筑混凝土填充形成實頂管，沒有澆筑混凝土的頂管成為空頂管，填充混凝土的實頂管與不填充混凝土的空頂管交錯排列，整體形成如圖2所示的管幕結構。

圖2 管幕設計示意圖Fig.2 Design drawing of pipe roof

混凝土比空氣更有利于冷量的傳遞，因此，從冷量傳遞的角度來說，最佳凍結方案是整個管幕皆由實頂管組成。設置空頂管主要作用：首先，空頂管可作為檢修通道，若頂管內部出現凍結管破裂等問題，施工人員可以進入空頂管內進行緊急處理；其次，空頂管內布置注漿管，方便凍結施工完成后的融沉注漿；最后，空頂管內布置有深入土體內的監(jiān)測孔，有利于凍土監(jiān)測。所以，最終方案定為實頂管空頂管交錯排列，空頂管待隧道施工完成后及時填充混凝土。

1.3 凍結設計

考慮管幕為“實頂管”和“空頂管”交替布置狀態(tài)，首先，需要驗證能否形成凍土帷幕的問題；其次，需要考慮隧道開挖引起的熱擾動作用下凍土帷幕是否能夠保持良好的止水狀態(tài)；另外，因環(huán)境保護要求，必須嚴格控制凍土體積以限定凍脹融沉量。為此，確立了“凍起來、抗弱化、控凍脹”的理念，提出在管幕鋼管內部布置“圓形主力凍結管”、“異形加強凍結管”和“升溫鹽水限位管”3種特殊管路構成的國內外前所未有的凍結方案。管幕內各類凍結管布置如圖3所示。

圖3 管幕及其內部凍結管橫斷面布置圖Fig.3 Layout of pipe roof and freezing-tubes

2 各類特殊凍結管介紹

2.1 圓形主力凍結管

圓形主力凍結管布置在實頂管內靠近管間凍土中心部位（如圖3所示），是管幕凍結工法的主力凍結管，兩側各1根，通長設置，旨在將相鄰頂管間的土體凍結起來，封上管間的透水通道。管幕中每根頂管的管節(jié)間通過法蘭連接，使得圓形主力凍結管與鋼管壁間存在12 cm空隙，填充混凝土。

2.2 升溫鹽水限位管

升溫鹽水限位管布置在實頂管內靠近隧道外側區(qū)域（如圖3所示），通長設置，主要起到限制實頂管外側凍土發(fā)展的作用。升溫鹽水限位管內循環(huán)的限位鹽水溫度，比凍土溫度較高，以控制凍土厚度的增加。

2.3 異形加強凍結管

異形加強凍結管布置在空頂管內（如圖3所示），兩側各1根，其斷面形狀為直角扇形。異形加強凍結管在空頂管內貼壁布置，配合圓形主力凍結管加強管間凍結效果，減少或是抵消由于開挖和施作襯砌引起的熱擾動，以抵御凍土弱化。

由于空氣流動對冷量消耗較大，同時空氣導熱效果較差，故異形加強凍結管越貼近頂管管壁越好。異形加強凍結管采用角鋼并直接焊接在頂管管壁，以利于與土體進行熱交換，如圖4所示。

圖4 異形加強凍結管分段布置Fig.4 Layout of profiled enhancing freezing-tubes

根據異形加強凍結管的作用，將其分段設置，單獨形成小型去回路，在不同的施工工況，根據實際情況決定是否開啟異形加強管。為此，在空頂管內設置鹽水干管，通過電控球閥控制各段異形加強凍結管是否通入凍結鹽水實施凍結，如圖4所示。

在頂管管節(jié)接頭處受法蘭影響，異形加強凍結管在管節(jié)間采用橡膠軟管連接，同時在靠近法蘭位置將異形加強凍結管布置為平面內“L”型，彌補管節(jié)接頭處無法布置異形加強凍結管的情況，如圖5所示。

圖5 異形加強凍結管在管節(jié)處連接Fig.5 Link of profiled enhancing freezing-tubes

3 關于異形加強凍結管的模型試驗

根據初步設計，管幕由40根頂管組成，其中30根頂管直徑為1.44 m，10根頂管直徑為1.8 m，相鄰頂管間距為24 cm，凍結管直徑為108 mm［6］。施工圖設計如圖2所示，管幕由36根直徑為1.62 m的頂管組成，相鄰頂管間距為35.7 cm，凍結管直徑為133 mm。

異形加強凍結管的模型試驗包含于管幕凍結法大型物理模型試驗之中［16］，本次模型試驗在初步設計的基礎上進行設計與實施，采用2根鋼管進行局部試驗。模型試驗相似準則如下：

1）模型試驗選定了直徑為530 mm的無縫鋼管，幾何相似比Cl＝1 440/530＝2.72。據此，管間距為88.32 mm（試驗中實際取90 mm），凍結管直徑應為39.75 mm（根據市售型號微調至42 mm），異形管選用30 mm×30 mm的角鋼。

2）根據柯索維奇準則，故CQ/CTCC＝1，其中CQ為巖土釋放潛熱相似比，CT為溫度相似比，CC為比熱相似比。模型試驗采用與拱北隧道所處地層熱物理性質相近的土體，可近似認為CT＝CQ＝CC＝1。

3）根據傅里葉準則，故Cλ·Ct/C2l＝1，其中Cλ為導熱系數相似比，Ct為時間相似比，Cl為幾何相似比。土體相近，Cλ＝1，故Ct＝C2l＝7.40，即時間相似比為Ct＝7.40。

模型試驗實施時與設計情況盡可能相同，異形加強凍結管焊接在空頂管內壁，采用30 mm×30 mm角鋼，其斷面形狀為直角扇形，異形加強凍結管到兩管圓心連線的這段圓弧對應圓心角為45°，如圖6所示。異形加強凍結管內鹽水溫度與圓形主力凍結管相同，為-26～-30℃。具體模型試驗的設計與實施詳見文獻［16］所述，其測溫點布置如圖6所示。

圖6 測點斷面布置示意圖（單位：mm）Fig.6 Layout of monitoring points（mm）

4 異形加強凍結管的凍結效果分析

在異形加強凍結管試驗中，前期僅開啟圓形主力凍結管和限位管，待凍土帷幕已有較大體積且體積增長和溫度場變化非常緩慢（接近穩(wěn)態(tài)）時，開啟空管內的異形加強凍結管。其目的在于突出異形加強凍結管的效果，若在凍結前期開啟加強凍結管，就難以說明溫度的下降是由異形加強凍結管帶來。

為更全面地探究加強凍結管的效果，主要從以下3個方面進行分析。

4.1 溫度時間曲線分析

測點溫度-時間曲線的橫坐標軸為時間，單位為h，從開啟異形加強凍結管前4 h計時為第0 h，縱坐標為測點溫度，單位為℃，凍土冰點為-1.6℃。測點溫度時間曲線如圖7所示。

1）實頂管外側區(qū)域。在異形加強凍結管開啟前后，測點1-1、1-2和1-3的溫度沒有明顯變化，其波動范圍控制在0.1℃以內，表明異形加強凍結管對實管底部的土體難以起到加強凍結的作用，從而不會加大實管底部凍土的凍脹作用。

2）實頂管與空頂管之間。異形加強凍結管開啟后，測點2-1—2-6的溫度有不同程度的下降。第4～10 h，即異形加強凍結管開啟6 h內，溫度下降最為明顯，尤其測點2-1—2-3下降4.7～6.4℃，而測點2-6溫度下降速度最慢，約0.5℃。第10～24 h，各測點溫度下降速度明顯放緩，其中測點2-1—2-6的溫度下降1.1～1.6℃。

3）實頂管與凍土交界面。第4～10 h，即異形加強凍結管開啟6 h內，測點4-2—4-5溫度有明顯下降，為1.4～3.3℃，其余測點基本沒有變化。第10～24 h，各測點溫度下降速率明顯減緩，測點4-2—4-5溫度下降0.9～1.3℃。

4）空頂管與凍土交界面。異形加強凍結管開啟后，測點5-1—5-7的溫度都有明顯的下降。第4～10 h，即異形加強凍結管開啟6 h內，測點5-2與5-3的溫度下降14.3～16.0℃，測點5-1與5-4的溫度下降約6℃；第10～24 h，測點5-1—5-4的溫度下降1～3℃。測點5-5—5-7的降溫速度變化相對較小，第4～24 h，保持相近的降溫速度，20 h內下降2～3.7℃。

通過以上分析可知：異形加強凍結管開啟后降溫主要集中在前6 h，距異形加強凍結管越近區(qū)域，前期降溫速度越快，最終降溫幅度也越大；異形加強凍結管主要作用于空頂管周圍及兩管之間距異形加強凍結管較近的區(qū)域，而對實頂管周圍影響較小，實頂管外側凍土基本不受影響。

圖7 測點溫度時間曲線Fig.7 Curves of time-dependent temperatures at different monitoring points

4.2 凍土與頂管搭接長度分析

凍土與頂管搭接長度，即指凍土與頂管管周的包裹范圍，也指凍土與頂管交界面在橫截面上的長度。搭接長度又分為凍土與實頂管的搭接長度、凍土與空頂管的搭接長度。考慮模型試驗采用2根鋼管進行局部試驗，為保證數據的準確性，僅分析實頂管與空頂管的半周（靠近管間的2個半周），半周長度為832.5 mm。

凍土與頂管搭接長度曲線的橫坐標軸為時間，單位為h，從開啟異形加強凍結管前4 h計時為第0 h，縱坐標為凍土與頂管搭接長度，單位為mm。在靠近管間的半周范圍內，異形加強凍結管開啟前，凍土分別與實頂管和空頂管的搭接長度基本相當，為600～620 mm，如圖8所示。實頂管主要受其內部限位管開啟影響，導致實頂管外側凍土沒有與頂管完全搭接，而空頂管是因為開挖側無法形成凍土。

圖8 凍土與頂管搭接長度曲線Fig.8 Overlap length between frozen soil and pipe roof

由圖8可知，當異形加強凍結管開啟后，凍土與空頂管的搭接長度迅速增加，在0.5 h內由600 mm上升至805 mm，3 h內凍土完全覆蓋空頂管表面，這主要是異形加強凍結管布置在空頂管內部，且距離凍結薄弱處較近；而凍土與實頂管的搭接長度雖然也有所增加，但非常緩慢，經過20 h，才增加約50 mm，這主要是實頂管外側除底部外，早已被凍土覆蓋，而異形加強凍結管對實頂管外側的影響又有限，故凍土與實頂管搭接長度的增長潛力有限。

4.3 溫度云圖分析

開啟異形加強凍結管20 h后，凍土帷幕在開挖面一側的體積明顯增大，管間凍土溫度明顯下降；同時，在凍土帷幕非開挖一側，凍土體積并沒有大幅增加?？傻贸鼋Y論：開啟加強凍結管20 h后，管間凍土強度顯著提高，封水路徑明顯增加，封水可靠性增加；同時，并未顯著地加重凍脹效應。管幕凍結效果溫度云圖見圖9。

圖9 管幕凍結效果溫度云圖Fig.9 Temperature contour of freeze-sealing pipe roof

5 異形加強凍結管的使用方法分析

管幕凍結模型試驗分4組進行，第1組模擬隧道開挖前積極凍結階段，單純采用圓形主力凍結管，完全可以形成有效的止水凍土帷幕［14］。第2—4組模擬隧道開挖及襯砌施作階段，其中第2組為開挖前4 d開啟異形加強凍結管、第3組為開挖的同時開啟異形加強凍結管。下面通過對比第2組和第3組試驗結果（如表1所示），分析異形加強凍結管是否能抵御開挖和施作襯砌帶來的熱擾動，并討論異形加強凍結管的開啟時間問題。

第2組試驗，在開挖前異形加強凍結管已開啟并形成良好凍土帷幕。隨著施工開挖及襯砌施工，整體凍土帷幕受熱擾動影響各測點溫度在不同程度回升，離開挖面越近的區(qū)域受熱擾動越嚴重，溫度上升速度越快，如表1所示。但是，測點（2-2—2-6、4-3—4-5、5-3—5-7）均在冰點以下，且離圓形主力凍結管和異形加強凍結管較近的測點（2-3—2-4、4-4、5-3—5-4）溫度均低于-5℃，從而保證了凍土帷幕的良好封水性。

表1 第2組和第3組試驗各階段溫度情況Table 1 Temperature of every stage for the second and third group tests℃

第3組試驗，在開挖的同時開啟異形加強凍結管，開啟時間較第2組試驗晚。整體凍土帷幕溫度開挖前偏高，僅圓形主力凍結管附近測點溫度低于-5℃，管幕中空頂管溫度最低-3.2℃，如表1所示。隨著開挖的進行和異形加強凍結管的開啟，除裸露在外的或離開挖面較近的測點受熱擾動影響溫度上升之外，其余測點受異形加強凍結管影響均有不同程度的降溫，離異形加強凍結管越近，溫度降低幅度越大。然而隨著開挖面裸露在外以及后續(xù)施作襯砌的影響，各測點溫度均在回升，在最不利的時候，大部分測點（2-3—2-5、4-4—4-5、5-3—5-7）均在冰點以下，保證了管幕間凍土的封水性。但是僅離圓形主力凍結管最近的測點4-4、離異形加強凍結管最近的測點5-3低于-5℃，其余測點溫度均靠近冰點，在安全邊緣徘徊。

綜上分析，比較2組試驗結果，異形加強凍結管開挖前提前開啟或者開挖時開啟，均能抵御開挖和施作襯砌帶來的熱擾動。而當異形加強凍結管提前開啟，形成良好的凍土帷幕后則開挖更安全。因此，開挖前應開啟異形加強凍結管，對凍土帷幕進行強化。

6 結論與討論

本文結合港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段提出的“管幕法+人工地層凍結法”相結合的淺埋暗挖隧道超前預支護體系，對管幕凍結法及其各類特殊凍結管進行了介紹，并結合管幕凍結大型物理模型試驗，對異形加強凍結管的凍結效果及使用方法進行了分析，得出結論如下。

1）異形加強凍結管降溫效果明顯。離異形加強凍結管越近的區(qū)域受影響越大，主要集中在空頂管周圍及兩管之間距異形加強凍結管較近的區(qū)域。其影響表現在前期降溫速度越快，最終降溫幅度也越大。

2）異形加強凍結管能抵御開挖和施作襯砌帶來的熱擾動。但是，異形加強凍結管提前開啟，形成良好的凍土帷幕后開挖更安全。

通過模型試驗對異形加強凍結管進行研究，驗證了異形加強凍結管在管幕凍結法中的重要作用，為其在拱北隧道中的成功運用提供了有力的技術支撐。

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Study on Freezing Effect and Operation of Profiled Enhancing Freezing-tube in Freeze-sealing Pipe Roof

REN Hui1，HU Xiangdong2，CHEN Jin2，ZHANG Jun3

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

Gongbei tunnel on Zhuhai Link of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge is to be constructed by“Freeze-sealing Pipe Roof”（FSPR）method.FSPR，serving as a forepoling system，consists of three types of freezing pipes with special functions.Profiled enhancing freezing-tube is aimed at minimizing the influence of the excavation disturbance and lining placement on the frozen soil.Based on the model experiment of FSPR，the effect of profiled enhancing freezing-tube is presented.Conclusions drawn are as follows：1）Using profiled enhancing freezing-tube can weaken the thermal disturbance arising from the excavation and lining placement；2）The safety of the excavation is improved because of the better frozen soil achieved by opening the profiled enhancing freezing-tube in advance.

Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge；Gongbei tunnel；freeze-sealing pipe roof；profiled enhancing freezingtube；model test

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.009

U 45

A

1672-741X（2015）11-1169-07

2015-05-20；

2015-10-20

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

任輝（1986—），男，湖南常德人，2015年畢業(yè)于同濟大學，隧道及地下建筑工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事隧道及人工地層凍結的施工與管理工作。