凍土自然冰凍與強制冰凍試驗研究

凍土自然冰凍與強制冰凍試驗研究

近年來，人工樓層冷凍技術已廣泛應用于地鐵、越江軌道等市政項目中。多數(shù)工程位于城市繁華地段,地面建筑物、埋設管線和設施錯綜復雜。凍結停止后,凍結形成的有限厚度凍土解凍,會導致既有建筑、地下管線和設施產生沉降,必須對其跟蹤注漿以控制融沉。凍土解凍時間長短,導致工程中采取的措施不同。如果凍土自然解凍時間在工程可接受的范圍內,工程中只要做到隨融隨注的方法,就能較好控制融沉。但如果凍土自然解凍時間過長,就必須采用強制解凍手段。因而有必要對人工地層凍結形成的凍土自然解凍和強制解凍規(guī)律進行研究。目前對于人工凍結形成的凍土自然解凍和強制解凍規(guī)律主要采用理論和實測2種方法。高志勤等建立了半無限空間解凍計算模型,將凍結區(qū)和未凍結區(qū)初始溫度假定均勻分布,最終推導出相界面與時間的關系、凍結區(qū)和解凍區(qū)溫度分布。邱凡把解凍管看成為線熱源,并將解凍管釋放的熱流密度給定為常數(shù),建立了單管解凍模型。陳明雄等采用模型試驗,研究淺覆土盾構隧道凍結加固溫度場變化,比較自然解凍和強制解凍解凍時間。周真云給出實測解凍直徑與解凍時間關系。荻原春男等報道了東京都尾久上干線下水道工程中凍結法施工豎井,開挖后采用強制解凍的施工方法,監(jiān)測強制解凍時凍土內部溫度的變化。文獻給出了井礦工程中凍結壁自然解凍估計計算公式。筆者基于上海地鐵4號線修復工程江中段自然解凍和強制解凍原位試驗大量實測數(shù)據(jù),對比分析了自然解凍和強制解凍凍土溫度上升規(guī)律;對于強制解凍,分別分析了單排管和多排管解凍效果,得出了平均解凍速度,為今后類似工程提供有益借鑒。1工程及監(jiān)控計劃1.1強制解凍測試系統(tǒng)及設備上海地鐵4號線董家渡段因發(fā)生事故,上下行線隧道部分坍塌。修復時坍塌隧道江中段與完好隧道對接部位設計采用4排凍結管局部凍結形成6m厚,凍結深度14m,寬度24.5m的凍土墻。形成深度方向上呈凸肚子形狀的凍土體,凍土墻中部厚度超過9m。4排凍結管內凍土溫度為-24～-26℃,離外排凍結管距離0.8m處的凍土溫度在-14～-17℃左右。凍結停止后,考慮后續(xù)中山南路段的強制解凍的需要,利用江中段原有監(jiān)測系統(tǒng),并增加部分測溫孔,在現(xiàn)場進行原位試驗。以上行線隧道右側尺寸線為界線,左邊劃分為自然解凍區(qū),右邊劃分為強制解凍區(qū),圖1為解凍分區(qū)布置圖。通過監(jiān)測這2個區(qū)域溫度,并進行對比研究,探討強制解凍凍土內溫度變化規(guī)律。強制解凍區(qū)又分為2個區(qū)域,分別考察單排管和雙排管強制解凍,對比單排和雙排解凍速度。1.2強制解凍試驗自然解凍區(qū)利用測孔C14、C15、CB7、CB8監(jiān)測凍土溫度變化,其中CB7和CB8是利用原有的凍結管D2-6、D1-5內放置測溫電纜,測溫孔位置見圖1。C14和C15監(jiān)測從2005年11月20日凍結停止后開始監(jiān)測,一直持續(xù)到2006年5月7日,共計168d。CB7和CB8監(jiān)測從2006年1月4日開始,一直持續(xù)到2006年5月7日,共計123d。強制解凍區(qū),強制解凍2006年1月4日開始,1月15日結束。強制解凍采用的方式是把原來凍結系統(tǒng)中的凍結管用作強制解凍系統(tǒng)中的加熱管,并利用原凍結系統(tǒng)中的干管和熱水循環(huán)系統(tǒng)的干管作為強制解凍系統(tǒng)中熱鹽水循環(huán)系統(tǒng)的干管。當土體溫度上升至-1℃時,即可認為凍土解凍完成。由于加熱系統(tǒng)供熱能力的限制以及考慮解凍后融沉控制注漿所需的時間,強制解凍采用分批分組解凍,即解凍完一塊區(qū)域之后再解凍下一塊區(qū)域,或同時解凍幾塊區(qū)域之后再解凍其他區(qū)域。該試驗凍結管內循環(huán)的熱鹽水溫度為80℃,為保證凍結管內循環(huán)的熱鹽水不低于此溫度,因此每組串聯(lián)的凍結管數(shù)為2～4根,具體分組見圖1。其中組1、3、5、6組為單排管強制解凍,組11～17為雙排管強制解凍。強制解凍區(qū)共布置9個測溫孔,分別為C8、C9、C11、C13、C17、CB1、CB2、CB3,測溫孔位置見圖1。測溫孔內測溫電纜溫度傳感器布置原則主要是能全面監(jiān)測設計凍土墻各個斷面溫度。各傳感器具體深度見表1。2凍土溫度變化圖2為自然解凍區(qū)C15的凍土升溫曲線。取測溫孔C14、C15、CB7和CB8凍土墻中部-28.2m處溫度值,列表計算日均溫度上升值,見表2,從圖2曲線和表2計算值,可以將自然解凍溫度上升大致劃分為3個階段:①溫度快速上升階段。2005年11月20日～2006年1月12日,共計53d。在這一階段,凍土內溫度從-25℃左右上升至-8℃左右,日均溫度上升速度為0.2～0.3℃/d;②溫度緩慢上升階段。2006年1月12日～2006年3月15日,共計63d。在這一階段,溫度從-8℃左右上升至-3℃左右,日均溫度上升速度為0.05～0.08℃/d;③凍土開始解凍階段。從2006年3月15日開始,一直至監(jiān)測停止時(2006年5月7日),共計52d,從圖2中可以看出,這一階段溫度基本沒有上升,處于相變階段。由于工程條件限制,未能繼續(xù)監(jiān)測,從停止監(jiān)測時監(jiān)測的溫度值看,解凍未完成。3強制冷敏監(jiān)控分析3.1強制解凍前凍土更新后凍土微生物溫度分布江中段垂直凍土墻凍結工程于2005年11月20日停止凍結。由于場地限制,直至2006年1月3日才開始強制解凍。表3為1月3日強制解凍前凍土帷幕上部、中部、下部各測溫點溫度情況。表中數(shù)據(jù)表明,4排孔內凍土帷幕中部(-30.2m)溫度在-12℃,厚度方向上4排孔外0.8m處(C8)溫度為-6.5℃,1.5m處(C17)溫度為-6.13℃,寬度方向上,4排孔外0.9m處(C13)溫度為-3.94℃。凍土帷幕上部(-26.2m)溫度與中部溫度接近,下部(-40.2m)溫度最高。3.2強制解凍鹽水2只體積均為2m3的鹽水箱內分別安裝15kW的電熱絲6組,對鹽水箱鹽水進行加熱,提供強制解凍所需熱量。熱鹽水去路溫度維持在80℃左右,溫差在2～8℃之間,分組進行強制解凍。表4為各組解凍起止時間和總的解凍時間,各分組位置見圖1。3.3凍土墻中部溫度分布組1、3、5、6可看成為單排管解凍,圖3為單排強制解凍時C10測溫孔測點溫度上升曲線。凍土內溫度快速上升,凍土墻內不同部位溫度上升趨勢不一樣。C10離第4排凍結孔軸線距離為0.57m,其經歷了137h(見表4)后,C10測孔內在凍土墻中部(-28.2～-38.2m)處溫度從-12℃左右上升至0℃附近,說明凍土墻中部已解凍完成,解凍速度為100mm/d,平均溫度上升速度為2.1℃/d,上部(-25.7～-28.2m)溫度從-13℃左右上升至-4℃左右,平均溫度上升速度為1.58℃/d,下部(-40.2～-40.7m)溫度從-7℃左右上升至-2℃左右,平均溫度上升速度為0.88℃/d。上部和中部解凍前初始溫度比較接近,解凍開始后,中部溫度上升是上部的1.33倍,說明中部解凍強度比兩端大。單排管解凍時,離第4排凍結孔3.6m處的C9測孔也受影響,當C10測孔內溫度接近0℃時,C9測孔內溫度開始上升,說明6.3倍解凍半徑以外的凍土溫度均受影響。3.4重、輕、中溫上升速度h組11、12、13、14可看成為雙排管解凍,其周圍測孔C9溫度變化見圖4。凍土內溫度上升幅度比單排管快。C9測孔離第2排凍結管軸線距離為0.6m,其經歷了91h(見表4)后,中部溫度(-30～-38.2m)由初始時-10℃左右上升至-1℃,解凍速度為158mm/d,平均溫度上升速度為2.37℃/d;上部(-26.2～-28.2m)由初始時-11.5℃左右上升至-5℃左右,平均溫度上升速度為1.72℃/d;下部(-40.2～-40.7m)由初始時-5℃左右上升至-2℃左右,平均溫度上升速度為0.79℃/d。4凍土溫度上升筆者基于上海地鐵4號線修復工程江中段自然解凍和強制解凍原位試驗大量實測數(shù)據(jù),對比分析自然解凍和強制解凍凍土溫度上升規(guī)律。對于強制解凍,分別分析單排管和多排管解凍效果,得出平均解凍速度,主要結論有:1)凍土自然解凍速度非常緩慢。凍土自然解凍溫度上升可分3個階段:①溫度快速上升階段,日均溫度上升速度為0.2～0.3℃/d;②溫度緩慢上升階段,凍土內溫度越接近相變溫度,溫度上升速度變得越緩慢,日均溫度上升速度為0.05～0.08℃/d;③相變階段,該次自然解凍共監(jiān)測共計168d,凍土溫度在相變溫度附近,未能監(jiān)測到相變完成的完整時間。2)該次強制解凍試驗初步得出了單、雙排管強制解凍溫度上升規(guī)