凍結(jié)鹽水溫度對人工凍結(jié)溫度場影響研究★

張生權(quán) 霍永鵬 文彥鑫 揭定前 伍 旺 晏啟祥

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司,廣東 深圳 518083; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

在建設(shè)城市地鐵盾構(gòu)隧道時，需要修建大量聯(lián)絡(luò)橫通道以滿足安全、逃生和通風(fēng)等要求[1]。聯(lián)絡(luò)通道是城市地鐵中的重要結(jié)構(gòu)，具有施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。所以，進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開挖前需要對周圍土體進(jìn)行加固處理，在高溫氣候地區(qū)常用旋噴樁加固，在砂質(zhì)地層常用注漿法加固，而對于富水松軟地層常用凍結(jié)法加固[2]。凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒或地下工程掘進(jìn)施工的特殊施工技術(shù)。由于施工方便、防水效果好、凍土強(qiáng)度高、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，凍結(jié)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道工程[3-5]。許多學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場和數(shù)值模擬手段分析了凍結(jié)法溫度場的發(fā)展規(guī)律，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性[6,7]。凍結(jié)鹽水溫度是凍結(jié)工程中最重要的參數(shù)之一，本文依托成都地鐵10號線雙流西站—空港二站區(qū)間1號聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，建立三維實(shí)體模型，研究凍結(jié)鹽水溫度對凍結(jié)溫度場的影響。

1 工程概況

成都地鐵10號線雙流西站—空港二站區(qū)間隧道為穿越停機(jī)坪區(qū)段，線路經(jīng)過機(jī)場內(nèi)的停機(jī)坪、航油管線、G指廊、滑行跑道、維修基地后到達(dá)2號風(fēng)井后，沿大件路到達(dá)雙流西站明挖區(qū)間盾構(gòu)井。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)長8.23 km，左右線隧道中心線距離13.0 m。區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道有2座采用凍結(jié)法施工，本文以風(fēng)險(xiǎn)較大、沉降控制要求較高的1號聯(lián)絡(luò)通道為研究對象。1號聯(lián)絡(luò)通道位于成都雙流機(jī)場停機(jī)坪下方，區(qū)間里程YDK11+444.000，埋深為20.7 m。聯(lián)絡(luò)通道處于中密卵石土層，巖性較為單一，地基土穩(wěn)定性整體較好，但地下水豐富，滲透系數(shù)大(k=20 m/d)，且水源補(bǔ)給充沛，聯(lián)絡(luò)通道縱斷面以及土層情況如圖1所示。

2 凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)

聯(lián)絡(luò)通道周圍共有61個凍結(jié)孔，采用φ89×10 mm低碳鋼無縫鋼管作為凍結(jié)管，凍結(jié)孔開孔位置誤差不宜大于100 mm，凍結(jié)孔允許偏斜不大于150 mm。按上仰、水平、下俯三個方向布置在聯(lián)絡(luò)通道周邊，具體位置如圖1所示。

圖1中設(shè)有4個透孔用于對側(cè)凍結(jié)管路及冷凍排管供冷，8個測溫孔和4個泄壓孔監(jiān)測凍結(jié)加固動態(tài)信息，虛線表示C1～C8測溫孔，X1～X4為布置的4個卸壓孔。單孔鹽水流量為5 m3/h～7 m3/h，聯(lián)絡(luò)通道需冷量為4.6×104Kcal/h。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為2.0 m，凍土平均發(fā)展速度按22 mm/d～26 mm/d計(jì)算，交圈時間在20 d～25 d；凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃，積極凍結(jié)時間為45 d。設(shè)計(jì)鹽水溫度在積極凍結(jié)5 d后降至-18 ℃以下，10 d后降到-22 ℃以下；開挖時鹽水溫度-22 ℃～-25 ℃左右，去、回路鹽水溫差不大于2 ℃。

3 不同凍結(jié)鹽水溫度影響分析

利用ABAQUS建立三維數(shù)值模型，其中盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道、凍結(jié)管和二次襯砌等結(jié)構(gòu)均按實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)，為了減小模型的邊界效應(yīng)，最終模型整體尺寸定為30 m×40 m×20 m。土體、隧道襯砌、凍結(jié)管均選擇C3D8RT單元，即溫度—位移耦合的單元。考慮的荷載有：重力荷載、溫度荷載，其中溫度荷載按照實(shí)測的現(xiàn)場鹽水溫度進(jìn)行加載。其邊界分為兩類：溫度初始條件，初始溫度設(shè)定為20 ℃；位移邊界條件，約束凍結(jié)管U1,U2,U3三個方向的位移、土體左右兩個側(cè)面U1方向位移、土體前后面U2方向位移以及土體底部在U1,U2,U3三個方向的位移。凍結(jié)管和土體之間采用tie連接。模型的建立如圖2所示。

本工程中聯(lián)絡(luò)通道所處的土層為人工填土、粉質(zhì)粘土、砂卵石地層，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料和熱物理試驗(yàn)結(jié)果，有限元計(jì)算模型中各土層的物理力學(xué)性能和熱物理參數(shù)隨溫度非線性變化，具體取值見表1。

表1 土體物理力學(xué)性能和熱物理參數(shù)表

凍結(jié)管內(nèi)壁溫度荷載如圖3所示。荷載曲線分別設(shè)置為實(shí)測鹽水溫度曲線，實(shí)測鹽水溫度+2 ℃和實(shí)測鹽水溫度-2 ℃，其余參數(shù)保持不變。分別計(jì)算模型溫度場，監(jiān)測截面及監(jiān)測點(diǎn)如圖4所示，選取8個監(jiān)測點(diǎn)分析凍結(jié)效果，各模型溫度場計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：監(jiān)測點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)6、點(diǎn)7的溫度下降速度明顯快于監(jiān)測點(diǎn)1、點(diǎn)4、點(diǎn)5、點(diǎn)8。監(jiān)測點(diǎn)2、點(diǎn)3距離凍結(jié)管為0.35 m，監(jiān)測點(diǎn)6、點(diǎn)7距離凍結(jié)管為0.5 m，監(jiān)測點(diǎn)1、點(diǎn)4、點(diǎn)5、點(diǎn)8凍結(jié)管的距離為1 m。在凍結(jié)13 d～18 d左右，監(jiān)測點(diǎn)2，點(diǎn)3，點(diǎn)6，點(diǎn)7的溫度曲線有個明顯的拐點(diǎn)，這是由于此時土體正處于相變狀態(tài)，土體中的水開始結(jié)冰，溫度變化劇烈。上下兩側(cè)的雙管凍結(jié)的速度稍快于左右兩側(cè)的單管凍結(jié)，在凍結(jié)14 d左右，監(jiān)測點(diǎn)2、點(diǎn)3溫度低于-2 ℃，上下兩側(cè)凍結(jié)帷幕此時厚度達(dá)到1 m，在凍結(jié)18 d左右，監(jiān)測點(diǎn)6、點(diǎn)7溫度低于-2 ℃，左右兩側(cè)凍結(jié)帷幕此時厚度達(dá)到1 m。監(jiān)測點(diǎn)1、點(diǎn)5的溫度一直在緩慢地下降，在凍結(jié)45 d之后，尚未達(dá)到凍結(jié)溫度-2 ℃。監(jiān)測點(diǎn)4、點(diǎn)8在凍結(jié)前15 d溫度下降速度較快，迅速降溫至0 ℃，之后一直保持在0 ℃左右，甚至有緩慢上升的趨勢，在凍結(jié)42 d時，土體開始凍結(jié)，之后溫度繼續(xù)下降。在凍結(jié)時間為15 d～40 d時，監(jiān)測點(diǎn)4、點(diǎn)8溫度不再下降是因?yàn)榫嚯x凍結(jié)管較近的區(qū)域正在開始結(jié)冰，此時相變釋放的潛熱中和了大量冷量。

從表2可以得出，當(dāng)溫度荷載比實(shí)測鹽水溫度高2 ℃時，在凍結(jié)45 d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為1.90 m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.04 m，不滿足設(shè)計(jì)厚度(2 m)，不能達(dá)到開挖要求。當(dāng)溫度荷載為實(shí)測鹽水溫度時，在凍結(jié)10 d之后，凍結(jié)帷幕已經(jīng)交圈，形成閉合環(huán)。在凍結(jié)45 d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為2.05 m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.2 m，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)溫度荷載比實(shí)測鹽水溫度低2 ℃時，在凍結(jié)45 d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為2.08 m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.24 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 凍結(jié)45 d后監(jiān)測點(diǎn)溫度及凍結(jié)壁厚度

從研究結(jié)果可知：溫度荷載比實(shí)測鹽水溫度高2 ℃時，不能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)溫度荷載為實(shí)測鹽水溫度時，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時，合理的利用了資源與空間。當(dāng)溫度荷載比實(shí)測鹽水溫度低2 ℃時，凍結(jié)壁厚度偏大，會侵入聯(lián)絡(luò)通道開挖界限。故在現(xiàn)場凍結(jié)工程中，凍結(jié)鹽水溫度控制較為合理，能夠滿足聯(lián)絡(luò)通道開挖施工要求，同時不會過多侵入聯(lián)絡(luò)通道開挖界限。

4 結(jié)論

本文以成都地鐵10號線區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)工程為背景，建了三維實(shí)體模型，研究了不同凍結(jié)鹽水溫度對人工凍結(jié)法溫度場的影響，得到以下結(jié)論：

1)將凍結(jié)鹽水溫度分別設(shè)置為比實(shí)測溫度高2 ℃、實(shí)測溫度、比實(shí)測溫度低2 ℃，通過數(shù)值模擬，可以得出凍結(jié)半徑隨著鹽水溫度的降低而增加，對應(yīng)的左右兩側(cè)凍結(jié)半徑分別為1.9 m，2.02 m，2.08 m。對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)溫度也隨著鹽水溫度的降低而減小，監(jiān)測點(diǎn)1的溫度依次為-1 ℃，-1.4 ℃，-3 ℃，監(jiān)測點(diǎn)2的溫度依次為-15 ℃，-16.7 ℃，-18.4 ℃，監(jiān)測點(diǎn)3的溫度依次為-16.7 ℃，-18.5 ℃，-20.2 ℃，監(jiān)測點(diǎn)4的溫度依次為-4.4 ℃，-5.9 ℃，-7.4 ℃，監(jiān)測點(diǎn)5的溫度依次為0.55 ℃，-0.1 ℃，-0.7 ℃，監(jiān)測點(diǎn)6的溫度依次為-12.2 ℃，-13.9 ℃，-15.5 ℃，監(jiān)測點(diǎn)7的溫度依次為-15.3 ℃,-17.2 ℃，-19 ℃，監(jiān)測點(diǎn)8的溫度依次為-3.4 ℃，-5.4 ℃，-7.1 ℃。

2)溫度荷載比實(shí)測鹽水溫度高2 ℃時，不能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)溫度荷載為實(shí)測鹽水溫度時，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時，合理的利用了資源與空間。當(dāng)溫度荷載比實(shí)測鹽水溫度低2 ℃時，凍結(jié)壁厚度偏大，會侵入聯(lián)絡(luò)通道開挖界限。故現(xiàn)場凍結(jié)工程中，鹽水溫度控制較為合理，能夠滿足聯(lián)絡(luò)通道開挖施工要求，同時不會過多侵入開挖界限。