黃建華，楊鹿鳴，王蘊(yùn)晨

(1．福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2．地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118;)

引 言

人工凍結(jié)法是目前常用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中的地層加固方法。其原理是利用人工制冷的方式，將低溫冷媒通過(guò)凍結(jié)管輸入地層中，使地層中的水冷卻結(jié)冰，從而提高地層的強(qiáng)度和彈性模量，并通過(guò)凍結(jié)形成的杯型凍結(jié)帷幕將地下水與待開(kāi)挖土體隔絕，起到支護(hù)和止水的雙重作用[1]。在凍結(jié)施工過(guò)程中，為了對(duì)凍結(jié)效果做出評(píng)價(jià)，需對(duì)冷凍鹽水及凍結(jié)影響范圍內(nèi)的土體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展與分布規(guī)律，推算出凍結(jié)壁的發(fā)展情況。

由于地下工程交疊以及地層加固工法交叉使用情況的日益普遍，在水泥改良土地層中采用人工凍結(jié)法進(jìn)行二次加固的情況已并不罕見(jiàn)[2]。部分工程采用凍結(jié)法加固的土體已非原狀土，而是臨近地下工程預(yù)加固過(guò)的水泥改良土；部分工程為抑制土體的凍脹變形，在采用凍結(jié)法加固地層前，預(yù)先使用水泥攪拌樁對(duì)地層土質(zhì)加以改良[3]。由于水泥改良提高了土體的初始溫度，降低了土體的含水率，并改變了其礦物組成和熱物理參數(shù)，因此水泥改良土地層和原狀土地層中凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展與分布規(guī)律存在著明顯差異。

目前中國(guó)對(duì)于凍結(jié)溫度場(chǎng)的研究主要針對(duì)原狀土地層[4-9]，部分學(xué)者對(duì)水泥改良土地層中的凍結(jié)特性進(jìn)行了研究。王杰[10]利用數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)端頭水泥改良土地層凍結(jié)溫度場(chǎng)對(duì)各項(xiàng)土體參數(shù)變化的敏感性特征；胡俊等[11]介紹了水泥攪拌樁法與凍結(jié)法相結(jié)合的工法，并對(duì)該工法凍結(jié)過(guò)程土體溫度場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值分析；王效賓等[12]運(yùn)用ADINA軟件模擬水泥改良土地層凍結(jié)壁的解凍過(guò)程，分析其解凍過(guò)程溫度變化規(guī)律。可見(jiàn)目前水泥改良土地層凍結(jié)溫度場(chǎng)研究多采用數(shù)值模擬的方式，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析較為少見(jiàn)。本文以福州地鐵2號(hào)線某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為背景，通過(guò)對(duì)該工程的冷凍鹽水溫度及土體溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)了水泥改良土地層凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展與分布規(guī)律，為類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程與地質(zhì)概況

福州地鐵2號(hào)線某聯(lián)絡(luò)通道位于某主干道下方，通道埋深20.0 m，總長(zhǎng)40.2 m。其左線位置上方為某機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)公司地塊，右線位置上方為福州環(huán)城高速輔道邊部，均為交通繁忙地段，對(duì)施工產(chǎn)生的地表及周邊建筑變形控制要求嚴(yán)格。

聯(lián)絡(luò)通道所處地層自上而下的分布情況為：雜填土、淤泥、黏土、淤泥質(zhì)土夾薄層砂(泥質(zhì))中砂和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。各地層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。聯(lián)絡(luò)通道主體大部分位于淤泥質(zhì)土夾薄層砂中，該地層透水性較弱但含水率較高，強(qiáng)度較低且壓縮性較高，在此地層進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖易發(fā)生失穩(wěn)、塌方等事故，且容易引起較大的地表和周邊建筑變形；聯(lián)絡(luò)通道下部部分位于(泥質(zhì))中砂中，該地層透水性強(qiáng)且水壓高，易出現(xiàn)流砂和突、涌水現(xiàn)象。因此在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖前，需對(duì)其開(kāi)挖斷面周邊一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，以保證工程的安全進(jìn)行。

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)表

1.2 地層加固方案

本工程在初期采用水泥攪拌樁法加固地層，攪拌樁樁徑850 mm，樁間距660 mm；加固范圍為縱向至盾構(gòu)管片外1 m，橫向至聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)外3 m，豎向自聯(lián)絡(luò)通道上3 m至泵房下2 m。由于福州地區(qū)位于濱海軟粘土地層，地下水量豐富且處于流動(dòng)狀態(tài)，噴入土體中的水泥易被地下水帶走，導(dǎo)致水泥攪拌樁的成樁效果受到影響。在對(duì)水泥攪拌樁加固效果進(jìn)行探孔監(jiān)測(cè)時(shí)，出現(xiàn)了出水出砂現(xiàn)象，說(shuō)明該加固未達(dá)預(yù)期效果，無(wú)法滿足工程的穩(wěn)定性和止水性要求，遂改用人工凍結(jié)法進(jìn)行二次加固。

由于該聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)度較大，擬采用隧道內(nèi)水平雙向凍結(jié)的方式加固待開(kāi)挖土體，即分別在左右線盾構(gòu)隧道中安設(shè)凍結(jié)管，將聯(lián)絡(luò)通道外圍土體凍結(jié)形成具有一定強(qiáng)度、穩(wěn)定性和止水性的凍結(jié)壁。工程設(shè)計(jì)積極凍結(jié)期為65 d，要求凍結(jié)壁的交圈時(shí)間不大于35 d，積極凍結(jié)期末凍結(jié)壁厚度在喇叭口處不小于1.8 m，在通道正常段及泵站處不小于2.1 m，凍結(jié)壁平均溫度不低于-10 ℃。為使積極凍結(jié)期末凍結(jié)壁的各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，在左右線隧道中近似對(duì)稱布設(shè)178個(gè)凍結(jié)孔，總開(kāi)孔深度達(dá)2 510 m。

2 凍結(jié)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

凍結(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，其發(fā)展受到各種環(huán)境及施工條件的影響，在工程中需通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以了解凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展情況。冷凍鹽水溫度和凍結(jié)影響范圍內(nèi)的土體溫度是凍結(jié)工程的兩個(gè)重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，從中可獲得鹽水管路的循環(huán)狀況和凍結(jié)壁的發(fā)展情況，對(duì)凍結(jié)施工作出及時(shí)的評(píng)價(jià)與調(diào)整。

2.1 冷凍鹽水溫度監(jiān)測(cè)方案

在凍結(jié)過(guò)程中，為確保冷凍鹽水按凍結(jié)計(jì)劃降溫，各管路鹽水循環(huán)順暢，未發(fā)生堵塞、漏液、空泡等現(xiàn)象，待鹽水管路布設(shè)完成后，在去、回路鹽水干管及各組串聯(lián)凍結(jié)管上安設(shè)熱電偶傳感器，測(cè)量干管去、回路鹽水溫度及各組串聯(lián)凍結(jié)管回路鹽水溫度。鹽水溫度數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)記錄。

2.2 土體溫度監(jiān)測(cè)方案

為及時(shí)掌握凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)顩r，在凍結(jié)壁發(fā)展范圍內(nèi)部及周邊布設(shè)測(cè)溫孔對(duì)土體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果推算出凍結(jié)壁的發(fā)展情況。本工程于左右線隧道中近似對(duì)稱布置22個(gè)測(cè)溫孔，其中右線測(cè)溫孔布置如圖1所示。各測(cè)溫孔入土深度均為20 m左右，為獲得凍結(jié)溫度場(chǎng)的空間分布規(guī)律，在測(cè)溫孔入土0.5、5.0、12.0、20.0 m處分別設(shè)置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，溫度測(cè)點(diǎn)編號(hào)根據(jù)入土深度由淺至深編為Wi-1～Wi-4號(hào)。

圖1 右線測(cè)溫孔布置圖

3 冷凍鹽水溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

工程于水泥攪拌樁加固地層8個(gè)月后正式開(kāi)機(jī)凍結(jié)，積極凍結(jié)66 d后進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，開(kāi)挖過(guò)程中保持維護(hù)凍結(jié)，聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖及支護(hù)完成后10 d停止凍結(jié)，歷時(shí)105 d。

從圖2、3可見(jiàn)，冷凍鹽水的降溫過(guò)程大致可以分為4個(gè)階段:

圖2 干管去回路鹽水溫度圖

圖3 干管去回路鹽水溫差

(1)第1階段為開(kāi)機(jī)凍結(jié)前7 d，去路鹽水溫度從20 ℃快速下降至-18 ℃，降溫速率約為5.5 ℃/d，去回路鹽水溫差穩(wěn)定在1 ℃左右。

(2)第2階段為開(kāi)機(jī)8～25 d，去路鹽水溫度從-18 ℃降至-28 ℃，降溫速率明顯減緩。這是由于此階段鹽水溫度較低，繼續(xù)降溫所需的能量增大，但冷凍機(jī)組仍保持恒定功率。去回路鹽水溫差升至2～2.5 ℃，這是因?yàn)榇藭r(shí)凍結(jié)管周?chē)馏w逐漸凍結(jié)，土中水在相變階段釋放潛熱，使冷凍鹽水的吸熱量提高。此階段末，凍結(jié)管周一定范圍內(nèi)的土體已經(jīng)凍結(jié)，相鄰凍結(jié)管周的凍結(jié)柱逐漸開(kāi)始交圈。

(3)第3階段為開(kāi)機(jī)26～45 d，去路鹽水溫度和去回路鹽水溫差分別穩(wěn)定在-28 ℃和2 ℃左右。此時(shí)各凍結(jié)管周凍結(jié)壁的交圈范圍不斷擴(kuò)大，已初步形成具有一定支護(hù)和止水能力的凍結(jié)壁。

(4)第4階段為開(kāi)機(jī)45 d至停止凍結(jié)，去路鹽水溫度依然保持在-28 ℃左右(開(kāi)挖及支護(hù)完成后升至-22 ℃)。去回路鹽水溫差不斷下降，至積極凍結(jié)期末，去回路鹽水溫差已降至1.5 ℃，滿足開(kāi)挖前去回路鹽水溫差小于2 ℃的設(shè)計(jì)要求；維護(hù)凍結(jié)期間，去回路鹽水溫差最終穩(wěn)定在0.6 ℃左右。此階段凍結(jié)壁繼續(xù)吸收冷凍鹽水的冷量，厚度不斷增大，均勻性不斷提高，具有一定厚度和均勻性的凍結(jié)壁阻礙了冷凍鹽水與外圍未凍土體間的熱量交換，使冷凍鹽水的吸熱量逐漸減小，因此該階段去回路鹽水溫差不斷減小并最終趨于穩(wěn)定。

4 土體溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由于該工程左右線凍結(jié)管和測(cè)溫孔近似對(duì)稱布置，根據(jù)對(duì)稱性選取右線位于聯(lián)絡(luò)通道斷面右側(cè)的W1、W3、W6、W7測(cè)溫孔進(jìn)行分析，以得到土體凍結(jié)溫度場(chǎng)的時(shí)間變化規(guī)律和空間分布規(guī)律。由于在施工過(guò)程中遭到破壞，部分測(cè)溫孔中的4號(hào)測(cè)點(diǎn)未獲得測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。各測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖

4.1 土體凍結(jié)溫度場(chǎng)時(shí)間變化規(guī)律

由圖4可見(jiàn)，各測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化大致可分為4個(gè)階段：

(1)第1階段為凍結(jié)初期土體溫度快速下降階段。由于本工程采用水泥攪拌樁法預(yù)加固地層，水泥在水化過(guò)程中釋放大量熱量，使凍結(jié)前的初始地溫較高，各測(cè)點(diǎn)處土體初始溫度最高接近35 ℃。在凍結(jié)初期，冷凍鹽水溫度從20 ℃迅速降至負(fù)溫，凍結(jié)管與測(cè)點(diǎn)處土體間的溫差巨大，熱交換劇烈，測(cè)點(diǎn)處土體從凍結(jié)管吸收大量冷量，溫度迅速下降。

(2)第2階段為相變階段。此階段持續(xù)時(shí)間較短，測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線較為平緩，土體降溫速度明顯減小，進(jìn)入降溫平臺(tái)期。這是由于此階段測(cè)點(diǎn)處土體的溫度已降至0 ℃左右，逐漸進(jìn)入相變階段。測(cè)點(diǎn)周?chē)耐林兴谙嘧冞^(guò)程中釋放大量潛熱，抵消了土體從凍結(jié)管吸收的部分冷量，減緩了土體的降溫過(guò)程。此階段末，凍結(jié)壁已發(fā)展至測(cè)點(diǎn)所在位置，可通過(guò)測(cè)點(diǎn)與最近凍結(jié)管的水平距離對(duì)凍結(jié)壁發(fā)展情況作出判斷。

(3)第3階段為凍土負(fù)溫迅速下降階段。此階段測(cè)點(diǎn)處土體已經(jīng)凍結(jié)，凍結(jié)管周?chē)研纬删哂幸欢ê穸鹊膬鼋Y(jié)壁，但此時(shí)凍結(jié)壁的平均溫度較高，測(cè)點(diǎn)處的凍土與凍結(jié)管間的溫差仍然較大，熱量交換依然劇烈，測(cè)點(diǎn)處凍土繼續(xù)吸收凍結(jié)管所提供的冷量，溫度不斷降低；凍結(jié)管周的凍結(jié)壁也繼續(xù)向外發(fā)展，厚度不斷增大，平均溫度不斷降低。

(4)第4階段為土體降溫趨勢(shì)趨于平穩(wěn)階段。此階段測(cè)點(diǎn)溫度已無(wú)明顯下降。這是由于此階段凍結(jié)壁的平均溫度較低、厚度較大，凍結(jié)管所提供的冷量已無(wú)法使凍結(jié)壁繼續(xù)發(fā)展，凍結(jié)管、凍結(jié)壁有效厚度范圍內(nèi)的凍土以及凍結(jié)壁有效厚度外的未凍土體三者間的熱量交換達(dá)到平衡狀態(tài)，使測(cè)點(diǎn)處土體的降溫趨勢(shì)減緩并趨于平穩(wěn)。由圖4(b)、(d)可見(jiàn)，部分測(cè)點(diǎn)的溫度在此階段出現(xiàn)了一定幅度的波動(dòng)，這是因?yàn)榇穗A段進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖與支護(hù)，開(kāi)挖時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)、聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)空氣與周?chē)馏w的對(duì)流換熱以及支護(hù)過(guò)程中混凝土產(chǎn)生的水化熱均會(huì)對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。

綜上所述，由于各測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)的位置、周?chē)鷥鼋Y(jié)管排列密度和與凍結(jié)管間距離均存在一定差異，導(dǎo)致不同測(cè)點(diǎn)各降溫階段的持續(xù)時(shí)間、降溫幅度和速度不盡相同。但總體而言，土體降溫階段的劃分及各階段的降溫特點(diǎn)均可與上文冷凍鹽水降溫的4個(gè)階段相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明冷凍鹽水的質(zhì)量對(duì)凍結(jié)效果的影響十分顯著，在工程中應(yīng)嚴(yán)格保證冷凍鹽水的降溫速度和最終溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 土體凍結(jié)溫度場(chǎng)空間分布規(guī)律

凍結(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)包含移動(dòng)邊界的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，不但會(huì)隨時(shí)間變化，空間中不同位置處凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展與分布情況也存在著差異。為獲得凍結(jié)溫度場(chǎng)的空間分布規(guī)律，對(duì)不同鉆孔位置及不同入土深度的測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

選取與最近凍結(jié)管距離相近的W1、W3測(cè)溫孔進(jìn)行分析。對(duì)比圖4(a)、(b)可得，與位于凍結(jié)管布置圈外側(cè)的W1測(cè)溫孔相比，位于凍結(jié)管布置圈內(nèi)側(cè)的W3測(cè)溫孔在積極凍結(jié)階段降溫速度更快，相變過(guò)程持續(xù)時(shí)間更短，整體溫度變化梯度更大，積極凍結(jié)期末所達(dá)到的溫度更低，即凍結(jié)管布置圈內(nèi)側(cè)土體的凍結(jié)效果要優(yōu)于凍結(jié)管布置圈外側(cè)；但在維護(hù)凍結(jié)階段，其溫度曲線的波動(dòng)也更為明顯。這主要是由于凍結(jié)管布置圈外側(cè)的未凍土體范圍要遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，在凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)管布置圈外側(cè)廣闊的未凍土體將消耗大量冷量，造成能量損失，降低了外側(cè)測(cè)溫孔的降溫速度和積極凍結(jié)期末的溫度絕對(duì)值，延長(zhǎng)了相變過(guò)程的持續(xù)時(shí)間。此外，由于凍結(jié)管布置圈內(nèi)側(cè)的測(cè)溫孔離聯(lián)絡(luò)通道外輪廓線更近，且維護(hù)凍結(jié)階段是聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖與支護(hù)階段，在開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的土體擾動(dòng)、空氣與土體對(duì)流換熱以及混凝土水化熱對(duì)其溫度產(chǎn)生的影響更為顯著，因此其溫度在維護(hù)凍結(jié)階段的波動(dòng)更為明顯。

對(duì)比圖4中各測(cè)溫孔不同入土深度測(cè)點(diǎn)的溫度曲線可見(jiàn)，各測(cè)溫孔入土深度較淺的1號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始溫度要低于2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)；在凍結(jié)初期，各測(cè)點(diǎn)降溫速度較為接近，但隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的降溫速度逐漸減慢，在維護(hù)凍結(jié)階段，其溫度要明顯高于2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)，且溫度波動(dòng)更為明顯。這是由于本工程初期采用水泥攪拌樁法加固地層，水泥水化熱的釋放使加固區(qū)內(nèi)部土體的初始溫度達(dá)到35 ℃左右；此時(shí)主隧道內(nèi)空氣溫度約為15 ℃，1號(hào)測(cè)點(diǎn)入土深度較淺，距離隧道管片較近，其與隧道內(nèi)空氣的熱交換將其初始溫度降至25 ℃左右。在凍結(jié)初期，1號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度仍高于隧道內(nèi)空氣溫度，隧道內(nèi)空氣與凍結(jié)管共同吸收其熱量，對(duì)1號(hào)測(cè)點(diǎn)的初期凍結(jié)效果起到促進(jìn)作用。而隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，1號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度逐漸低于隧道內(nèi)空氣溫度，兩者間的熱交換將消耗凍結(jié)管提供的冷量，使1號(hào)測(cè)點(diǎn)的降溫速度減慢，導(dǎo)致其維護(hù)凍結(jié)階段溫度明顯高于2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)。因此，有必要在凍結(jié)管鉆孔管片及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的隧道管片上設(shè)置保溫措施，以減小土體與隧道內(nèi)空氣熱交換對(duì)凍結(jié)效果的影響。此外，由于測(cè)溫孔的傾斜布置，與2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)相比，1號(hào)測(cè)點(diǎn)距聯(lián)絡(luò)通道外輪廓更近，其溫度更容易受到聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖及支護(hù)的影響，因此在維護(hù)凍結(jié)階段其溫度波動(dòng)較2～4號(hào)測(cè)點(diǎn)更為明顯。

5 凍結(jié)壁發(fā)展情況計(jì)算分析

5.1 凍結(jié)壁發(fā)展速度與交圈時(shí)間計(jì)算

凍結(jié)壁發(fā)展速度和交圈時(shí)間是判斷初期凍結(jié)質(zhì)量的重要參數(shù)。根據(jù)傳熱不利原則，選擇凍結(jié)管布置圈外側(cè)W1、W6測(cè)溫孔的1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)作為喇叭口段及正常段分析點(diǎn)。其中W6-1號(hào)測(cè)點(diǎn)距最近凍結(jié)管910 mm，凍結(jié)56 d時(shí)溫度降至-1 ℃，可推算凍結(jié)壁平均發(fā)展速度為16.3 mm/d；此處相鄰凍結(jié)管間距為480 mm，以相鄰凍結(jié)管間距除以兩倍凍結(jié)壁平均發(fā)展速度，推算凍結(jié)壁交圈時(shí)間為15 d。各分析點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)各分析點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果較小，各處凍結(jié)壁交圈時(shí)間均滿足不大于35 d的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明在凍結(jié)初期凍結(jié)壁的發(fā)展較為均勻，初期凍結(jié)效果良好。

表2 凍結(jié)壁發(fā)展速度與交圈時(shí)間計(jì)算表

5.2 凍結(jié)壁有效厚度計(jì)算

凍結(jié)壁需達(dá)到一定厚度，方可滿足工程對(duì)于凍結(jié)支護(hù)的穩(wěn)定性和止水性要求。選取與上節(jié)相同分析點(diǎn)，利用單管凍結(jié)柱半徑公式計(jì)算單管凍結(jié)圓柱半徑[13]，并依此推算出凍結(jié)壁的有效厚度。各分析點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表3所示，可見(jiàn)至積極凍結(jié)期末，凍結(jié)壁有效厚度在喇叭口處達(dá)到2.47 m，在正常段達(dá)到2.63 m，均滿足設(shè)計(jì)要求(喇叭口處1.90 m；正常段2.10 m)。相同測(cè)溫孔中不同入土深度測(cè)點(diǎn)處及不同測(cè)溫孔中入土深度相同測(cè)點(diǎn)處的凍結(jié)壁有效厚度均較為相近，可見(jiàn)凍結(jié)壁在凍結(jié)管徑向和軸向上的分布較為均勻，凍結(jié)效果良好。

表3 積極凍結(jié)期末凍結(jié)壁有效厚度計(jì)算表

5.2 凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算

土體的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)會(huì)隨著土體溫度而變化，工程中常通過(guò)凍土的平均溫度判斷其強(qiáng)度，因此凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)的平均溫度是評(píng)判凍結(jié)效果的重要指標(biāo)。選取溫度下降較慢的W6-1號(hào)測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用直線排管凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[14]，可得積極凍結(jié)期末凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度達(dá)-12.87 ℃，已滿足≤-10 ℃的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)福州地鐵二號(hào)線某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，得到了凍結(jié)過(guò)程中冷凍鹽水與土體的降溫規(guī)律，分析了不同鉆孔位置及不同入土深度測(cè)點(diǎn)處的凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律差異，并通過(guò)計(jì)算凍結(jié)壁交圈時(shí)間、厚度和平均溫度對(duì)該工程的凍結(jié)效果做出了評(píng)價(jià)。得到主要結(jié)論如下：

1)冷凍鹽水的降溫過(guò)程可分為4個(gè)階段。凍結(jié)初期，鹽水溫度快速下降，但去回路鹽水溫差較?。幌嘧冸A段，由于土中水相變潛熱的釋放，去回路鹽水溫差發(fā)生突增；相變完成后，去回路鹽水溫差開(kāi)始回落；維護(hù)凍結(jié)階段，由于形成凍結(jié)壁的質(zhì)量良好，隔斷了未凍土體與凍結(jié)管間的熱交換路徑，去回路鹽水溫差十分微小。

2)受水泥水化熱影響，土體的初始溫度較高，各測(cè)點(diǎn)初始溫度最高可達(dá)35 ℃；凍結(jié)初期，由于土體與冷凍鹽水溫差巨大，土體溫度下降迅速；當(dāng)土體溫度下降至0 ℃以下時(shí)，降溫速度發(fā)生突減，出現(xiàn)了明顯的相變階段；相變完成后，土體溫度繼續(xù)快速下降；維護(hù)凍結(jié)階段，由于聯(lián)絡(luò)通道主體開(kāi)挖及支護(hù)的影響，部分測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng)。

3)土體降溫階段的劃分及各階段降溫特點(diǎn)可與冷凍鹽水的降溫階段一一對(duì)應(yīng)，說(shuō)明冷凍鹽水質(zhì)量對(duì)土體凍結(jié)效果的影響較為顯著，在工程中應(yīng)嚴(yán)格保證冷凍鹽水的降溫速度和最終溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

4)與凍結(jié)管布置圈外側(cè)土體相比，內(nèi)側(cè)土體的降溫速度更快，積極凍結(jié)期末所達(dá)溫度更低；但在維護(hù)凍結(jié)期間，其溫度受聯(lián)絡(luò)通道施工的影響更為顯著，溫度波動(dòng)更為明顯。

5)水泥水化熱使土體的初始溫度高于主隧道內(nèi)空氣溫度，由于與隧道內(nèi)空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，入土深度較淺的1號(hào)測(cè)點(diǎn)的初始溫度較低；當(dāng)其溫度下降至15 ℃左右時(shí)，其降溫速度開(kāi)始減慢；維護(hù)凍結(jié)階段，其溫度明顯高于同一測(cè)溫孔中的其它測(cè)點(diǎn)。

6)由各分析點(diǎn)處參數(shù)計(jì)算所得的凍結(jié)壁交圈時(shí)間、有效厚度和平均溫度均滿足設(shè)計(jì)要求，各分析點(diǎn)處的凍結(jié)壁交圈時(shí)間和有效厚度均較為相近，說(shuō)明凍結(jié)壁的發(fā)展較為均勻，整體凍結(jié)效果良好。