聚氯乙烯盐水冻结管在盾构进洞中的工艺性能分析

崔兵兵 李方政

（煤炭科学研究总院，100021，北京∥第一作者，硕士研究生）

为解决冻结法盾构进出洞施工免拔管的问题，更好地了解在盾构推进过程中PVC（聚氯乙烯）冻结管的可切割性，在冻土中的渗漏性和导热性，以及在实际工况和施工工艺的冻结规律，特进行本次盾构进洞免拔管盐水冻结加固现场试验［7］。试验选择在上海市轨道交通12号线18标国际客运中心站－天潼路站区间隧道天潼站东端头井盾构进洞施工现场进行。

1 试验概况

1.1 工程概况

上海市轨道交通12号线18标国际客运中心站－天潼路站区间隧道上行线和下行线均从天潼站东端头井盾构进洞。东端头井洞门中心标高－16.954m，地面标高＋2.800m。该进洞位置隧道埋深较大，底部埋深23.104m，且地面周边环境复杂、没有地面施工场地。本工程采用水平冻结法进行地基加固。

1.2 工程地质

根据地质资料，本工程施工时涉及的主要土层为：①1填土、②1褐黄～灰黄色粉质黏土层、②3灰色黏质粉土、④1淤泥质黏土层、⑤1－1灰色黏土层、⑤1－2灰色粉质黏土层。

1.3 试验设计

采用在盾构进洞口周围土层中布置水平冻结孔的加固方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用是抵抗土层侧压力的作用，防止泥砂和地下水进入隧道进洞口，确保盾构进洞安全顺利。

下行线隧道进洞加固水平冻结孔56个，外圈冻结孔深度6.3m，内圈冻结孔深度3.7m；总长度290.4m。冻土墙的扩展速度取25mm／d。估计积极冻结时间35天后可以进行盾构进洞工作。

试验为首次采用PVC管作为盐水冻结管在盾构进洞中应用，为保证工程的安全性，在不改变原有冻结孔设计的基础上，单独设置了两个冻结孔采用PVC管作为冻结管，并通过测温孔收集数据，研究PVC冻结管的温度分布规律。PVC冻结孔和测温孔的设计见图1。

图1 PVC冻结管和测温孔的位置关系

2 试验过程

2.1 试验材料

试验冻结管使用U－PVC管，具有较好的抗拉、抗压强度，流体阻力小，耐腐蚀性强，良好的水密性。试验使用的型号是φ90×5mm的U－PVC管，供液管使用φ40×3mm无缝钢管，PVC管连接3通作为回液管。

2.2 冻结孔施工

试验设计PVC冻结孔冻结孔间距0.4m，孔深3.7m。试验使用水平钻机开冻结孔，钻头使用φ110 mm，开孔至设计深度后，拔除钻头，塞进PVC冻结管。PVC冻结管端部使用PVC闷头和PVC专用胶密封，法兰盘链接接入40低碳钢管作为供液管。

盐水循环前对PVC冻结管进行打压试漏，清洗后用保温板保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。打入土体的PVC冻结管见图2。

图2 PVC冻结管孔

3 试验分析

3.1 渗漏性

试验冻结过程共50天，盐水循环前对冻结管进行了打压测试，检测PVC冻结孔的水密性，盐水冻结过程中通过盐水水位的监测，整个试验过程也未出现盐水渗漏现象，满足工程的需求。

3.2 可切割性

冻结结束后，U－PVC冻结管和形成的冻结壁一起被盾构刀盘切削进入土仓，通过螺旋机出土，随盾构出土一起排出。由于U－PVC冻结管强度较低，经现场观察，经过刀盘和螺旋机的双重破坏，其破碎效果可以满足盾构出土的要求。

3.2.1 冻结管碎片的排出

PVC冻结管被盾构刀盘切削破坏后进入土仓，经过螺旋机的搅拌作用，冻结管碎片和盾构的出土仓充分的混合，随盾构出土一起排出［4］。

3.2.2 冻结管的破坏形式

PVC冻结管在冻结期间一直处于冻结壁中，其被盾构刀盘切削后表现为低温破坏形式，即脆性破坏。考察冻结管破坏的断面，一般都为楔形，故冻结管发生了剪切破坏［7］，破坏形式见图3。

图3 冻结管在盾构中的剪切破坏

3.2.3 冻结管的碎片尺寸

破碎后的PVC冻结管碎片要满足螺旋机出土的要求，所以冻结管碎片的尺寸一般都比较小。从收集到的碎片统计来看，最大的冻结管碎片的尺寸为330×120mm，但冻结管碎片短边长度一般都不大于150mm，容易被盾构机出土，不会影响盾构的推进和螺旋机的出土施工。

3.2.4 冻结管碎片尺寸的分布

将施工现场收集到的冻结管碎片进行分类统计，按碎片长边的尺寸统计的结果见表1。尺寸结果分布图4。

表1 PVC冻结管碎片统计

图4 冻结管碎片尺寸结果统计图

冻结管在盾构推进过程中的破碎效果，直接影响盾构的正常推进。PVC材料在低温情况下易发生脆性破坏。

从破碎效果看，盾构推进可以将冻结管破碎的尺寸控制在100mm左右，容易直接被螺旋推进出土，不会影响盾构的推进和螺旋机的出土施工。

3.3 导热性

要研究PVC管的导热性，就需要对盐水冻结时PVC管温度场进行分析。研究PVC管的温度场的意义在于：一是求解冻结壁的强度，确定作为临时支护的冻结壁厚度；二是为了了解与检查冻结壁形成情况及厚度；三是了解冻结壁的发展速度，确定合理的冻结时间；四是为了确定冷量的消耗，作为冻结方案比较的依据。

冻结管外壁沿长度方向布置的测温传感器测量了冻结过程中的冻结管壁外的温度，反映了管壁外温度与冻土交换情况。

从测点温度的降温曲线可以看出，冻结开始后的土体冷却阶段和冻结后期冻土的降温阶段，测点的降温趋势明显，而在－8℃附近，由于冻土的水化潜热的影响，降温趋势变缓。冻结管壁温度分布情况如下：

（1）冻结管在不同盐水温度下，冻结管壁上距离冻结管200mm，350mm的测点温度随时间的变化曲线如图5及图6。

图5 S1冻结管管壁温度随时间变化曲线

图6 S2冻结管管壁温度随时间变化曲线

由上图可知，由于U－PVC的导热系数相对低碳钢管很低，是钢管的0.005倍。在冻结初期，PVC冻结孔管壁的温度和盐水温度相差很大，最大可达11.5℃。但随着冻结的继续，冻结时间的延长，由于冷源温度逐渐较低，冻土板块区域逐渐增大，PVC冻结孔管壁的温度有明显的下降，和盐水的温度差逐渐减少，在冻结后期，盐水温度在－30℃稳定，PVC冻结管管壁的温度最低达到－25℃，并稳定在－25℃，平均温度较低，满足工程的需求。

（2）将试验所得S1和S2冻结孔温度数据进行平均，对PVC冻结管壁温度发展规律的拟合，得出试验的无量纲PVC冻结管壁温度与低温盐水温度的关系曲线（见图7）。

拟合曲线的方程为：

其中：an－1为实常数，取值见表2。

图7 管壁温度与盐水温度的关系曲线

表2 an－1取值

（3）冻结壁温度分布特征。C1和C2测温孔所测温度随时间变化规律如图8所示。

图8 C1和C2测温孔温度随时间变化规律

从测点温度的降温曲线可以看出，冻结开始后的土体冷却阶段和冻结后期冻土的降温阶段，测点的降温趋势明显，而在0℃附近，由于冻土的水化潜热影响，降温趋势变缓。

从图中曲线变化情况可以看出，冻结8天C1测温孔降至0℃，冻结10天C2测温孔降至0℃，发展速度可以满足工程需要。两测温孔的变化趋势基本一致，曲线成对数曲线，符合冻结的一般规律。在冻结的初期，由于C1测温孔相对C2测温孔距离冻结孔S2较近，所以C1测温孔温度相对较低些，但随着冻结的延续，冻结时间的延长，由于C2测温孔位于S1和S2两个冻结孔之间的界面上，其冻结效果受S1和S2两个孔的影响，而C1孔只受冻结孔S2的影响。在冻结初期，冻结孔尚未交圈，C1孔比C2孔发展速度更快些，但随着冻结的发展，冻结中期两孔交圈后，C2孔受S1和S2两个冻结孔的影响，温度明显降低，发展速度加快。冻结后期，由于加固区冻土板块完全形成，两测温孔温度差异逐渐减小。

4 结语

（1）试验过程中，在整个冻结期间，在低温盐水引起的温度压力、不同土层冻胀导致的弯曲应力、径向压力差、以及洞门开挖后围岩水土的压力的共同作用下，未出现PVC冻结管发生脆性破坏，盐水渗漏现象，满足盐水冻结对冻结孔水密性的要求

（2）PVC冻结管导热系数0.2W／（m·℃），钢管的导热系数40W／（m·℃），从数据上分析，PVC管的导热系数是钢管的0.005倍，和钢管存在很大的差异，实际冻结效果分析，在冻结初期PVC管冻结和钢管冻结冻土发展速度差异较为明显，最大温差达11.5℃。随着冻结的延续，冻结时间的增加，冻土板块区域逐渐增大，PVC冻结孔管壁的温度有明显的下降，和盐水的温度差逐渐减少，在冻结后期，盐水温度在－30℃稳定，PVC冻结管管壁的温度最低达到－25℃，并稳定在－25℃。试验证明，在适当延长冻结时间的情况下，PVC作为冻结管在盐水冻结中是可以满足工程的需求。

（3）从试验收集到的碎片统计来看，盾构推进可以将冻结管破碎的尺寸一般控制在100mm左右，容易直接被螺旋推进机出土，因此在盾构进出洞的盐水冻结加固施工中，由于PVC塑料管可以被盾构直接切削推进，不需要拔除冻结管，可以节省施工成本，降低施工风险。

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