凍結(jié)管直徑對(duì)聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)溫度場(chǎng)影響分析

宋修元， 霍永鵬， 文彥鑫， 蔣 輝， 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 518000; 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 610000; 3. 成都軌道建設(shè)管理有限公司, 四川成都 610000)

聯(lián)絡(luò)通道是地鐵工程中的重要結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖時(shí)具有施工技術(shù)難大、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。所以，通常開(kāi)挖前需要對(duì)周圍土體進(jìn)行加固處理，在高溫氣候地區(qū)常用地面旋噴樁加固，在砂質(zhì)地層、砂礫層常用注漿加固，而對(duì)于富水松軟地層常用凍結(jié)法加固[1-2]。凍結(jié)法實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)，使固結(jié)的地層形成凍結(jié)壁，從而達(dá)到止水和承載的作用。由于施工方便、防水性能好、土體強(qiáng)度高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，凍結(jié)法在城市地下工程的施工中越來(lái)越受到重視，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)工程、城市地鐵、隧道工程、水利工程以及市政工程中[3-5]。王志良、陳長(zhǎng)臻等分析了單管凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，并且提出凍結(jié)管間相互作用的重要性[6-7]。蔡海兵以實(shí)際工程為背景，建立三維數(shù)值計(jì)算耦合模型，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性[8]。本文依托成都地鐵10號(hào)線雙流西站～空港二站區(qū)間1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，建立三維實(shí)體模型，研究?jī)鼋Y(jié)管直徑對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響。

1 工程概況

成都地鐵10號(hào)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(guò)機(jī)場(chǎng)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(hào)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(zhǎng)8.23km，左右線隧道中心線距離13.0m。區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道總共6座，其中2座采用凍結(jié)法施工，本文以風(fēng)險(xiǎn)較大、沉降控制要求高的1#聯(lián)絡(luò)通道為研究對(duì)象，位于成都雙流機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪下方，區(qū)間里程YDK11+444.000(ZDK11+444.000)，埋深為20.7m。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=20m/d)，且水源補(bǔ)給充沛，對(duì)本工程影響較大的主要為第四系砂、卵石層的孔隙潛水和基巖裂隙水，聯(lián)絡(luò)通道縱斷面以及土層情況如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔布置

2 凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)

聯(lián)絡(luò)通道周圍共有61個(gè)凍結(jié)孔，采用φ89×10mm低碳鋼無(wú)縫鋼管作為凍結(jié)管，凍結(jié)孔開(kāi)孔位置誤差不宜大于100mm，凍結(jié)孔允許偏斜不大于150mm。按上仰、水平、下俯三個(gè)方向布置在聯(lián)絡(luò)通道周邊，具體位置如圖1所示。其中，設(shè)有4個(gè)透孔用于對(duì)側(cè)凍結(jié)管路及冷凍排管供冷，8個(gè)測(cè)溫孔和4個(gè)泄壓孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)加固動(dòng)態(tài)信息，紅色虛線表示C1～C8測(cè)溫孔，X1～X4為布置的4個(gè)卸壓孔。單孔鹽水流量為5～7m3/h，聯(lián)絡(luò)通道需冷量為1.925×105kJ/h(多考慮5 %冷量損失)。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為2.0m，凍土平均發(fā)展速度按22～26mm/d計(jì)算，交圈時(shí)間在20～25d；凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃，積極凍結(jié)時(shí)間為45d。設(shè)計(jì)鹽水溫度在積極凍結(jié)5d后降至-18 ℃以下，10d后降到-22 ℃以下；開(kāi)挖時(shí)鹽水溫度-22～-25 ℃，去、回路鹽水溫差不大于2 ℃。

3 不同凍結(jié)管直徑模擬研究

利用ABAQUS建立三維數(shù)值模型，其中盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道及凍結(jié)管和二次襯砌等結(jié)構(gòu)均按設(shè)計(jì)尺寸考慮，根據(jù)圣維南原理，為了減小模型的邊界效應(yīng)，最終模型整體尺寸定為30m×40m×20m。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?？紤]的荷載有：重力荷載、溫度荷載，其中溫度荷載按照實(shí)測(cè)的去路鹽水溫度數(shù)據(jù)加載，如圖4所示。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(gè)方向的位移、土體左右兩個(gè)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(gè)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。

圖2 三維模型和凍結(jié)管網(wǎng)格

本工程中聯(lián)絡(luò)通道所處的土層為人工填土、粉質(zhì)黏土、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(jiàn)表1。凍結(jié)管內(nèi)壁溫度荷載為實(shí)測(cè)鹽水溫度曲線，如圖3所示。

表1 土體物理力學(xué)性能和熱物理參數(shù)

圖3 凍結(jié)溫度荷載曲線

將凍結(jié)管直徑分別設(shè)置為60mm，90mm，120mm和150mm，壁厚為10mm，其余參數(shù)保持不變。分別計(jì)算模型溫度場(chǎng)，監(jiān)測(cè)截面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4所示，各模型溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 監(jiān)測(cè)面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意(單位：mm)

圖5 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度

從圖5可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的溫度下降速度明顯慢于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2～4。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3距離凍結(jié)管的距離為0.5m，這兩點(diǎn)最終的溫度也低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、4。在凍結(jié)10d后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3的溫度曲線有個(gè)明顯的拐點(diǎn)，這是由于此時(shí)土體正處于相變狀態(tài)，土體中的水開(kāi)始結(jié)冰，溫度變化劇烈。在凍結(jié)16d左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3溫度低于-2 ℃，凍結(jié)帷幕此時(shí)厚度達(dá)到1m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4在凍結(jié)12d左右，溫度不再下降，此時(shí)達(dá)到熱交換平衡，雖然凍結(jié)管在不斷施加冷量荷載，但是由于土體相變，水結(jié)冰時(shí)釋放大量熱量，導(dǎo)致凍結(jié)管的冷量不能傳遞到距離凍結(jié)管1m的土體。在凍結(jié)40d左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處的土體開(kāi)始凍結(jié)。凍結(jié)帷幕內(nèi)部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度低于外部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)部的凍結(jié)范圍大于外部。

從表2可以得出，凍結(jié)管直徑為60mm時(shí)，在凍結(jié)45d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為1.92m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.04m，不滿足設(shè)計(jì)厚度(2m)，不能達(dá)到開(kāi)挖要求。凍結(jié)管直徑為90mm時(shí)，在凍結(jié)10d之后，凍結(jié)帷幕已經(jīng)交圈，形成閉合環(huán)。在凍結(jié)45d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為2.00m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.11m，滿足設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)管直徑為120mm時(shí)，在凍結(jié)45d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為2.05m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.2m，滿足設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)管直徑為150mm時(shí)，在凍結(jié)45d以后，凍結(jié)帷幕左右兩側(cè)平均厚度約為2.09m，上下兩側(cè)平均厚度約為2.27m，滿足設(shè)計(jì)要求。

從研究結(jié)果可知：凍結(jié)管直徑為60mm時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求，直徑為90～120mm時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，合理的利用了資源與空間。直徑達(dá)到150mm時(shí)，凍結(jié)壁厚度偏大，會(huì)侵入聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖界限，故凍結(jié)管直徑應(yīng)控制在90～120mm。

4 結(jié)論

本文以成都地鐵10號(hào)線區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)工程為背景，建立三維實(shí)體模型，研究了不同凍結(jié)管直徑對(duì)人工凍結(jié)法溫度場(chǎng)的影響，得到以下結(jié)論：

(1)將凍結(jié)管直徑分別設(shè)置為60mm、90mm、120mm、150mm，通過(guò)數(shù)值模擬，可以得出凍結(jié)半徑隨著凍結(jié)管直徑的增加而增加，對(duì)應(yīng)的左右兩側(cè)凍結(jié)半徑分別為1.92m、2.00m、2.05m、2.09m。對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度也隨著凍結(jié)管直徑的增加而減小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的溫度依次為0.4 ℃、-0.1 ℃、-1.0 ℃，-1.4 ℃，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的溫度依次為-13.5 ℃、-13.9 ℃、-15.3 ℃、-16.7 ℃，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的溫度依次為-16.5 ℃、-17.2 ℃、-18.5 ℃、-18.5 ℃，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的溫度依次為-3.1 ℃、-5.4 ℃、-5.9 ℃、-6.4 ℃。

(2)凍結(jié)管直徑為60mm時(shí)，不滿足設(shè)計(jì)厚度(2m)，不能達(dá)到開(kāi)挖要求。直徑為90～120mm時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，合理的利用了資源與空間。直徑達(dá)到150mm時(shí)，凍結(jié)壁厚度偏大，會(huì)侵入聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖界限，故凍結(jié)管直徑應(yīng)控制在90～120mm左右。