凍結(jié)管布置形式對凍結(jié)范圍的影響研究

張曉濤

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450001）

1 工程概況

洛陽地鐵1號線啟明南路～塔灣站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Qml/4），第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qal+l/4）黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Qal+l/3）粉細砂和卵石，聯(lián)絡(luò)通道位置所處地層主要為②92卵石、③93卵石層，地層富水性強，透水性好，施工時有較大的涌水涌沙風險。

聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法加固地層，凍結(jié)管采用直徑89mm的低碳鋼無縫管。凍結(jié)管布置立面透視圖如圖1所示，聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)的布置側(cè)視圖分別如圖2所示。

圖1 凍結(jié)管布置立面透視圖

圖2 左右線兩側(cè)凍結(jié)孔布置圖

在聯(lián)絡(luò)通道上部和下部水平布置多排凍結(jié)管，平均間距為0.9m，凍結(jié)管傾斜角度為10.8°；左右兩側(cè)在同一水平上僅布置一排凍結(jié)管，豎向平均間距為0.47m，同時，因為中部的凍結(jié)管從聯(lián)絡(luò)通道左端貫穿到右端，故右線中部無凍結(jié)孔布置。

2 計算模型

2.1 計算參數(shù)

根據(jù)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道所處地層地質(zhì)情況，建模中將其分為五個土層。在計算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性材料，參數(shù)參見區(qū)間巖土工程詳細勘察報告進行分析確定，具體取值見表1。

表1 地層材料參數(shù)

2.2 計算工況

在凍結(jié)時間及凍結(jié)鹽水溫度相同的情況下，以實際工程施工設(shè)計的凍結(jié)管布置參數(shù)最上面一排凍結(jié)管傾斜角度10.8°、水平間距0.9m為基準，通過調(diào)整聯(lián)絡(luò)通道左右線凍結(jié)管的傾斜角度，來探究凍結(jié)管角度對凍結(jié)范圍的影響規(guī)律[1-2]。

設(shè)計工況如表2所示，凍結(jié)管傾斜角度變化在10.8°～30°范圍內(nèi)。

表2 數(shù)值模擬計算工況

凍結(jié)降溫溫度變化按照工程實際凍結(jié)施工方案進行，鹽水降溫曲線如圖3所示，凍結(jié)第1天鹽水初始溫度為-11.7℃，凍結(jié)7天后降至-19.2℃，凍結(jié)15天后降至-24.2℃以下。

圖3 鹽水降溫曲線

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場云圖分析

分別提取各工況下聯(lián)絡(luò)通道附近地層在凍結(jié)17天、30天、51天以及59天時的溫度云圖[3]，如圖4—圖9所示。

圖4 工況1凍結(jié)溫度云圖

圖5 工況2凍結(jié)溫度云圖

圖6 工況3凍結(jié)溫度云圖

圖7 工況4凍結(jié)溫度云圖

圖9 工況6凍結(jié)溫度云圖

圖8 工況5凍結(jié)溫度云圖

由圖4—圖9可知，在同一工況下，當凍結(jié)管的傾斜角度一定時，隨著凍結(jié)時間的增加，土體和凍結(jié)管不斷進行熱交換，凍結(jié)管周圍的土層溫度在逐漸降低，降溫區(qū)域面積逐漸增大。溫度擴散規(guī)律是以凍結(jié)管為中心呈圓形擴散。除此之外，與凍結(jié)管距離越近的土體溫度越低，與凍結(jié)管距離越遠的土體溫度越高[4]。

從圖4—圖9還可以看出，凍結(jié)時間相同，凍結(jié)管的傾斜角度越大，聯(lián)絡(luò)通道加固區(qū)上部分低溫區(qū)域面積越大，溫度越低。17天的溫度云圖中，凍結(jié)管傾斜角度為10.8°時，左側(cè)加固區(qū)-20℃以下的溫度區(qū)域還未完全交圈，但其余幾個工況在凍結(jié)17天時，-20℃以下的低溫區(qū)已完全交圈。

3.2 凍結(jié)壁厚度分析

提取各工況在凍結(jié)17天、30天、51天及59天時聯(lián)絡(luò)通道四周平均溫度小于-10℃的土體厚度作為凍結(jié)壁厚度，凍結(jié)壁厚度如表3—表6所示。

表3 凍結(jié)17天時各工況凍結(jié)壁厚度

表4 凍結(jié)30天時各工況凍結(jié)壁厚度

表5 凍結(jié)51天時各工況凍結(jié)壁厚度

表6 凍結(jié)59天時各工況凍結(jié)壁厚度

為了清晰得到各工況下聯(lián)絡(luò)通道四周凍結(jié)壁厚度的變化規(guī)律，根據(jù)表3—表6的數(shù)據(jù)繪制不同凍結(jié)時間各工況下聯(lián)絡(luò)通道四周凍結(jié)壁厚度變化曲線圖，如圖10所示。

圖10 不同凍結(jié)時間各工況下聯(lián)絡(luò)通道四周凍結(jié)壁厚度變化曲線圖

由圖10可以看出，凍結(jié)管傾斜角度從10.8°增加到30°的過程中，聯(lián)絡(luò)通道上側(cè)凍結(jié)壁厚度變化較大，17天、30天、51天、59天凍結(jié)壁厚度的增幅分別為0.64m、0.50m、0.50m、0.51m，而下側(cè)和左右兩側(cè)的凍結(jié)壁厚度幾乎保持不變。凍結(jié)第17天到第38天之間，凍結(jié)管溫度一直在下降，直到降至38天的-29.2℃，從第38天起到第59天為止，凍結(jié)管溫度一直維持在-29.2℃，聯(lián)絡(luò)通道四周凍結(jié)壁厚度的增加速率在降低[5]。

在凍結(jié)相同天數(shù)下，隨著凍結(jié)管傾斜角度的增大，聯(lián)絡(luò)通道上側(cè)凍結(jié)壁厚度增大，該區(qū)域的溫度也越低；聯(lián)絡(luò)通道下側(cè)、左側(cè)和右側(cè)的凍結(jié)壁厚度只有很小的波動，幾乎保持不變，凍結(jié)管角度的變化只對聯(lián)絡(luò)通道上側(cè)的凍結(jié)范圍影響較大，對下側(cè)和左右兩側(cè)影響較小。此外，凍結(jié)管傾斜角度從10.8°增加到30°的過程中，17天、30天、51天、59天聯(lián)絡(luò)通道上側(cè)凍結(jié)壁厚度的增值分別為0.64m、0.50m、0.50m、0.51m，凍結(jié)管傾斜角度的變化對凍結(jié)加固范圍的影響較大。

在相同凍結(jié)管傾斜角度下，隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)壁厚度越來越大。其中，當凍結(jié)時間從17d增加到30d時，各工況下聯(lián)絡(luò)通道上、下、左、右側(cè)的凍結(jié)壁厚度增值分別為0.45～0.59m、0.29～0.42m、1.34～1.40m、1.03～1.09m；而凍結(jié)時間從30天增加到51天時，增值明顯減小，分別為0.20～0.29m、0.22～0.26m、0.37～0.43m、0.48～0.52m；凍結(jié)時間從51天增加到59天時，聯(lián)絡(luò)通道四周的凍結(jié)壁厚度增值分別為0～0.11m、0.04～0.11m、0.07～0.12m、0.08～0.13m。比較凍結(jié)17～30天和凍結(jié)30～51天可以發(fā)現(xiàn)，后者的時間增量為21d，前者13d，但后者的凍結(jié)壁厚度增值僅僅為前者的1/2左右，凍結(jié)51～59天的凍結(jié)壁厚度增值更是降低到0.10m左右。凍結(jié)第17天到第38天之間，凍結(jié)管溫度一直在下降，直到降至38天的-29.2℃。從第38天起到第59天為止，凍結(jié)管溫度一直維持在-29.2℃，聯(lián)絡(luò)通道四周凍結(jié)壁厚度的增加速率在降低。凍結(jié)到50天聯(lián)絡(luò)通道開挖時，所有工況下聯(lián)絡(luò)通道四周的凍結(jié)壁厚度均滿足凍結(jié)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

利用有限元軟件模擬計算不同凍結(jié)管傾斜角度和間距下的土體凍結(jié)范圍變化，分析凍結(jié)管布置形式對凍結(jié)范圍的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）凍結(jié)時間相同時，凍結(jié)管的傾斜角度越大，聯(lián)絡(luò)通道加固區(qū)上部分低溫區(qū)域面積越大，溫度越低，凍結(jié)壁越厚；

（2）凍結(jié)管傾斜角度的改變，對凍結(jié)范圍的影響主要體現(xiàn)在凍結(jié)前期，在凍結(jié)后期，由于鹽水溫度穩(wěn)定、凍結(jié)時間增長，不同工況下的凍結(jié)范圍差別逐漸縮小。