水泥土杯型凍結加固盾構隧道端頭溫度場發展規律研究★

付 財 崔兵兵 王 翔

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院，北京 100013; 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

隨著我國城市人口的日益增多，城市軌道交通進入大建設階段。盾構進出洞是地鐵隧道盾構施工中的高風險點，特別是當隧道端頭土體自立性較差時，若不能合理加固，易造成涌水涌沙等現象，影響盾構機的始發與接收，甚至造成工程事故。人工凍結法是臨時改變土體物理性能的一種工法，可在復雜地質條件下形成具有良好隔水性能的凍土帷幕，在凍土帷幕的保護下實現對不良土層的開挖構筑。目前，凍結法在我國軟土地區盾構隧道端頭加固中已得到廣泛應用。采用凍結法加固隧道端頭時，凍結溫度場的擴展是決定工程成敗的關鍵因素。因此，有必要對端井凍結法加固地層的溫度場進行分析研究。目前研究溫度場的方法有理論分析、模型試驗、現場實測、數值分析等方法[1-4]。其中，數值模擬分析方法應用較為成熟，在復雜工況下具有明顯優勢。

本文以杭州地鐵4號線某盾構隧道水平凍結加固工程為例，利用有限元軟件，對水泥改性土杯型凍結溫度場的發展與分布規律進行了研究。所得結果為今后類似工程設計提供理論參考依據。

1 工程背景

杭州地鐵4號線某盾構出洞工作井洞門直徑6.7 m，盾構直徑6.25 m，盾構出洞洞門中心標高-15.76 m。設計采用“三軸攪拌樁+凍結法”來加固地層。其中凍結法施工時，凍結帷幕按照杯型設計，杯壁加固體厚度與杯身加固體厚度分別為1.4 m，6 m，杯底加固厚度1.5 m。共布置三圈凍結孔，內圈凍結孔布置半徑R1=1.3 m，共布置9個凍結孔，孔間距為1.02 m；中圈凍結孔布置半徑R2=2.65 m，共布置16個凍結孔，孔間距為1.04 m；外圈凍結孔布置半徑R3=3.85 m，共布置30個凍結孔，孔間距為0.806 m,如圖1所示。

2 三維數值模型建立

2.1 計算模型

為簡化計算，計算模型的假定如下：

1)假設土體為連續、均勻且各向同性體；

2)不考慮水分遷移的影響；

3)視凍結管外壁溫度為鹽水溫度，不考慮鹽水與凍結管之間對流換熱的影響；

4)假定土層均為粉質黏土，土體初始溫度均勻，且都為-20 ℃。

凍結溫度場擴展是一個瞬態非線性的過程，溫度隨時間及空間發生變化，且在此過程中伴隨著水冰相變，因此計算模型采用考慮相變的瞬態分析模型，單元類型取八節點的SOLID 70單元。根據本工程凍結壁設計特點，考慮凍結壁降溫影響，計算模型取半徑為18 m，長為11 m的圓柱體，采用三維四節點的網格對計算模型進行劃分，網格尺寸為0.5 m，并對凍結管附近的土體的網格進行加密，以保證計算精度，共計劃分16 989個單元，計算模型如圖2所示。

2.2 計算參數選取

凍結過程中土體的熱物理參數是與溫度相關的函數。水泥加固土體后，土體的初始溫度取20 ℃，相變區間取[-0.5 ℃，0 ℃]。基于凍土實驗及參考資料[5]，本次模擬所選土體熱物理參數如表 1所示。鹽水降溫曲線如圖3所示。

表1 土體物理參數表

3 計算結果分析

選取10 d，20 d，30 d，40 d的砂土水泥土溫度場云圖進行分析，如圖 4所示。可以看出凍結10 d時，外圈孔凍結壁與中圈孔凍結壁之間已交圈，20 d時，已形成了完整的凍結壁，凍結壁溫度隨凍結時間增長而逐漸降低。T3測溫孔處降溫曲線如圖5所示?？梢钥闯鰷y溫孔處降溫曲線可分為快速降溫、相變、降溫、平緩4個階段；在快速降溫階段時，降溫速率約為1.9 ℃/d；降溫階段時，降溫速率較快速降溫階段變緩，約為0.8 ℃/d；平緩階段時，降溫速率約為0.125 ℃/d。

4 不同土性溫度場降溫規律

土壤層中的導熱系數、比熱容、相變潛熱等熱物理參數是影響溫度場發展和分布的重要因素，不同土層的熱物理參數不同?；谒⒌娜S數值模型，通過改變土壤層的熱物理參數，比較T1測溫點處降溫曲線，研究砂土水泥土、砂土、黏土水泥土和黏土這四種土性的凍結溫度場擴展規律。砂土和黏土的初始溫度取15 ℃，土層的熱物理參數取值如表2所示。

表2 土體物理參數表

T3測溫點處隨時間降溫曲線如圖6所示?？梢钥闯?，當其他邊界條件相同僅改變土性時，溫度下降順序依次為砂土水泥土>黏性水泥土、砂土>黏土；采用水泥加固后，土體初始溫度升高，但是水泥土降溫速度快于未用水泥加固的土體。砂土水泥土、黏性水泥土、砂土及黏土凍結壁交圈時間分別為10 d，12 d，7 d，9 d，即砂土凍結壁交圈時間總比黏土凍結壁交圈時間早2 d。

5 結語

1)砂土水泥土凍結溫度場發展規律可分為：快速降溫、相變、降溫、平緩4 個階段。

2)采用水泥土加固后，土體初始溫度升高，但凍結過程中降溫速度明顯快于未采用水泥加固的土體。相同條件下，土層降溫速度為砂土水泥土>黏土水泥土，砂土>黏土。且在本工程試驗條件下，砂土凍結壁交圈時間始終較黏土凍結壁交圈時間快2 d。