淺覆土地鐵出入口凍結(jié)數(shù)值模擬分析

許舒榮 XU Shu-rong

（北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

0 引言

人工地層凍結(jié)是指在預(yù)先埋置在地層中的凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)低溫冷媒，通過凍結(jié)管與土體進(jìn)行熱交換，從而形成完整性好、隔水效果效果佳、支護(hù)性能強的凍結(jié)帷幕。凍結(jié)法以其適用地層廣、環(huán)境污染小等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工。根據(jù)凍結(jié)工程所處地層、凍結(jié)體量等因素，所采用的凍結(jié)設(shè)計參數(shù)有明顯差異[1-5]。為了保證安全的凍結(jié)過程以及良好的凍結(jié)效果，考慮土體初始溫度對凍結(jié)溫度場影響規(guī)律研究顯得意義重大。

黃建華等[6]建立了三維有限元模型，系統(tǒng)研究了水泥改良后的地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展特性，得出“水泥改良+人工凍結(jié)”對淤泥質(zhì)土地層具有顯著的加固效果；劉先觀[7]采用數(shù)值模擬與模型試驗相結(jié)合的方法，考慮了凍結(jié)管直徑、間距、凍結(jié)管端部距管片的距離、等因素對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律；鄭立夫等[8]基于熱力耦合理論，通過有限差分軟件FLAC 3D建立了有限元模型，對凍結(jié)施工全過程進(jìn)行了模擬，研究了不同凍結(jié)壁厚度條件下地表凍脹、融沉變形及隧道管片變形規(guī)律，最終實現(xiàn)了凍結(jié)壁厚度的優(yōu)化設(shè)計。但目前國內(nèi)許多學(xué)者對凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬研究多集中于聯(lián)絡(luò)通道，對地鐵出入口凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律的研究較少。本文利用有限元軟件，以上海地鐵某淺覆土地鐵出入口凍結(jié)加固工程為背景，建立了三維數(shù)值計算模型，對該出入口凍結(jié)溫度場發(fā)展與分布規(guī)律展開了數(shù)值模擬研究；并獲得了不同初始地溫條件下地鐵出入口凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律，為今后不同土層中類似工程的凍結(jié)設(shè)計與施工提供合理化建議。

1 工程概況

上海地鐵18號線某地鐵出入口凍結(jié)工程，該出入口周邊環(huán)境復(fù)雜，有酒店、寫字樓等構(gòu)筑物。出入口頂板覆土厚度約2.8m，且上方有電力、污水、信息等管線；出入口結(jié)構(gòu)呈“L”形，開挖斷面寬6.4m、高5.32m，暗挖段展開長度為13.112m，開挖斷面大，若施工不當(dāng)易引起塌方冒頂?shù)群蠊桓鶕?jù)地勘報告顯示，出入口主要處于灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該土層具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強度的特性。

根據(jù)工程特點，設(shè)計采用管棚凍結(jié)法加固地層后形成具有一定強度的凍結(jié)止水帷幕，再采用礦山法暗挖。共設(shè)計57個φ89×8mm的凍結(jié)管，19個φ273×10mm的管棚，同時在管棚中下放的φ89×8mm的凍結(jié)管；設(shè)計頂部凍結(jié)壁厚度為1m，側(cè)墻凍結(jié)壁厚度為1.9m，底部凍結(jié)壁厚度設(shè)置為2.5m。

圖1 凍結(jié)孔布置圖

2 數(shù)值模型建立

數(shù)值模型進(jìn)行以下簡化，出入口所處地層較為復(fù)雜，為簡化計算，將土層視為單一均質(zhì)的灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，溫度場計算過程中忽略地下水滲流與水分遷移的影響；出入口周圍的土體溫度變化是均勻的，凍結(jié)時潛熱集中在凍結(jié)界面連續(xù)放出。

根據(jù)勘察資料以及室內(nèi)試驗結(jié)果，土體的計算參數(shù)如下，密度1860kg/m3，凍結(jié)溫度-0.6℃，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)2.1w/（m·℃），未凍土的導(dǎo)熱系數(shù)1.4w/（m·℃），凍土比熱容為1kJ/（kg·℃），未凍土比熱容為1.3kJ/（kg·℃），相變潛熱取47.9kJ/kg。工程設(shè)計積極凍結(jié)時間為40d，鹽水降溫計劃為，7d內(nèi)鹽水溫度降至-18℃，15d內(nèi)鹽水溫度降到-24℃，開挖構(gòu)筑前鹽水溫度降至-28℃，凍結(jié)管外壁溫度荷載與鹽水降溫曲線一致。

依據(jù)實際工程圖紙中凍結(jié)孔設(shè)計文件，利用有限元軟件ANSYS建立含土體與凍結(jié)管的計算模型，采用熱力學(xué)計算模塊；出入口和凍結(jié)管依照實際工程1∶1建立，共建立72根φ89*8mm的凍結(jié)管，土體與凍結(jié)管均選用8節(jié)點的SOLID 70單元。考慮到凍結(jié)法施工對周邊環(huán)境的影響，整體模型尺寸取35m（長度）×25m（寬度）×13m（縱向）；靠近凍結(jié)管與設(shè)計凍結(jié)壁的土體的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，凍結(jié)管區(qū)域附近網(wǎng)格密度設(shè)置0.1m，以提高計算精度，遠(yuǎn)離凍結(jié)管與設(shè)計凍結(jié)壁的區(qū)域，減小網(wǎng)格密度，遠(yuǎn)離凍結(jié)管網(wǎng)格密度設(shè)置為0.3m，共計劃分214014個單元。

圖3 三維有限元模型圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 凍結(jié)溫度場結(jié)果分析

按照建立的有限元模型進(jìn)行計算，選取10d、20d、30d、40d的溫度場云圖，如圖4所示。對計算結(jié)果分析如下。

圖4 凍結(jié)溫度場云圖

①凍結(jié)初期，凍結(jié)管與外界土體發(fā)生復(fù)雜的熱交換，凍結(jié)管周圍逐漸形成環(huán)狀凍土體，環(huán)狀凍土隨時間不斷向外擴(kuò)展，距離凍結(jié)管越近土體溫度下降越快；凍結(jié)第20d后，由于凍結(jié)管四周土體已降至冰點以下，未凍土轉(zhuǎn)變凍土?xí)r將釋放熱量，此時土體降溫速度減緩。

②距離凍結(jié)管位置近的土體降溫速率快，溫度較低；距離凍結(jié)管較遠(yuǎn)位置的土體，降溫速率慢，溫度較高。凍結(jié)至40d時，此時凍結(jié)管內(nèi)側(cè)的低溫區(qū)域面積明顯大于凍結(jié)管外側(cè)的低溫區(qū)域面積。

③若40d后繼續(xù)凍結(jié)將導(dǎo)致凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)的凍土平均溫度不斷降低，強度隨之提高，對后續(xù)的通道開挖造成一定的困難，影響工程施工效率。

選擇右側(cè)墻凍結(jié)壁右邊界處測溫點T1，其降溫曲線如圖5可以看出。T1測點在凍結(jié)第40d時，其溫度由20℃下降到-3.26℃，已達(dá)到冰點，滿足設(shè)計要求。凍結(jié)第20d，T1測點溫度由20℃下降到4.76℃，凍結(jié)前20d平均降溫速率為0.76℃/d；凍結(jié)第30d，T1測點溫度由4.76℃下降到0.35℃，平均降溫速率為0.44℃/d；凍結(jié)第40d，T1測點溫度由0.35℃下降到-3.26，平均降溫速率為0.36℃/d。

圖5 T1測點降溫曲線

3.2 初始地溫對凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律

為了解不同初始地溫條件下出入口凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律，選取測溫點T1，研究初始地溫15℃、20℃、25℃、30℃時測溫點T1的降溫規(guī)律，其降溫曲線如圖6所示。可以看出，不同初始地溫條件下，測點降溫趨勢基本一致；凍結(jié)40d，初始地溫為15℃、20℃、25℃、30℃時，測溫點T1溫度分別為-4.17℃、-3.27℃、-1.90℃、-1.14℃，可以看出在本工程條件下初始地溫每升高5℃，T1測點的溫度約下降1℃；初始地溫為15℃、20℃、25℃、30℃時，測點降至冰點所需時間分別為30.0d、31.8d、33.8d、35.9d；可以看出在本工程條件下，初始地溫每升高5℃，T1測點降至冰點時間延長約2d。

圖6 不同初始地溫條件下T1測點降溫曲線

4 結(jié)語

本文依托上海軌道交通18號線某出入口凍結(jié)工程，采用數(shù)值模擬分析了淺覆土地鐵出入口凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律，并研究了不同初始地溫對凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

①淺覆土地鐵出入口凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律表現(xiàn)為，凍結(jié)初期快速降溫速度較快，隨著凍結(jié)時間增長，凍結(jié)降溫速率逐漸減緩；

②隨著初始溫度升高，達(dá)到設(shè)計凍結(jié)壁所需時間增長；初始地溫每升高5℃，達(dá)到設(shè)計凍結(jié)壁所需時間延長2d。