蘭州地鐵聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)法溫度場分析*

李博 張盛林 張偉 魏華杰 張世雷

1.中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司 濟南250000

2.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 201600

引言

區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道是地鐵的重要組成結(jié)構(gòu)，是在地鐵發(fā)生災(zāi)害情況下的逃生通道，聯(lián)絡(luò)通道開挖前往往需要對周圍土體進行加固，常用的加固方法包括：凍結(jié)法加固，旋噴樁加固，深層攪拌樁加固，注漿加固等。

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)使地層中的水結(jié)冰，使土形成凍土進而形成凍結(jié)壁，從而達(dá)到隔絕地下水和承載的效果。作為一種臨時的加固方法，凍結(jié)法具有抗?jié)B性好、強度高、可塑性強和無污染等優(yōu)點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到礦山工程、橋梁工程、隧道地鐵工程中。

國內(nèi)外對凍結(jié)法溫度場的研究很多，其研究方法主要包括：理論分析、試驗、實測和數(shù)值模擬。在理論分析方面，胡向東等［1，2］對單雙排凍結(jié)溫度場公式進行了完善和應(yīng)用性研究，完成了雙排解析解公式，并對解析解的正確性進行了驗證。在實測方面，李大勇等［3］以南京地鐵旁通道凍結(jié)法施工為背景，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料，分析了土體最佳開挖時間，并且獲得了鹽水溫度、凍結(jié)場溫度、地表和隧道變形的變化規(guī)律，并對旁通道的施工提供了建議；楊平［4］等以軟土地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法為背景，通過對凍結(jié)溫度場和位移場的全程實測數(shù)據(jù)，對凍結(jié)壁凍結(jié)和解凍全過程進行了分析，得到了凍結(jié)全過程的溫度變化規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，蔡海兵等［5］以上海地鐵某聯(lián)絡(luò)通道為背景，建立三維有限元數(shù)值計算模型，對聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期的三維凍結(jié)溫度場分布規(guī)律進行系統(tǒng)分析，并與實測結(jié)果相對比驗證了數(shù)值分析的合理性；曹軍軍等［6］以成都地鐵富水砂卵石地層聯(lián)絡(luò)通道為背景，對積極凍結(jié)過程中溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，并進行了數(shù)值模擬分析，驗證了數(shù)值模擬方法在研究凍結(jié)溫度場方面的可行性。

目前雖然凍結(jié)法在聯(lián)絡(luò)通道加固中得到了廣泛應(yīng)用，但是在西北地區(qū)紅砂巖砂卵石地層中的應(yīng)用還處于起步階段，針對蘭州地區(qū)凍結(jié)法施工的研究還比較少。王博［7］以蘭州地鐵某聯(lián)絡(luò)通道為背景，通過建立三維數(shù)值模型并對監(jiān)測結(jié)果分析，驗證了凍結(jié)法加固技術(shù)在強風(fēng)化砂巖（紅砂巖）地層中的適用性。

本文以蘭州地鐵2號線為背景，基于ABAQUS平臺建立該聯(lián)絡(luò)通道的有限元模型，對凍結(jié)壁的溫度場變化進行數(shù)值模擬。將模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比，驗證數(shù)值模型的正確性和合理性。在此基礎(chǔ)上進一步研究冷凍液溫度變化和土層變化對凍結(jié)溫度場形成的影響。

1 工程概況

蘭州地鐵2號線定西路-五里鋪站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵房，兩隧道中心線間距14.262m，直徑6.2m，管片厚度0.35m。聯(lián)絡(luò)通道拱頂埋深16.53m，結(jié)構(gòu)底埋深22.17m，聯(lián)絡(luò)通道采用“隧道內(nèi)鉆鑿，布設(shè)水平孔、近水平孔凍結(jié)臨時加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案。地層由上至下依次為素填土、黃土狀土、卵石土、強風(fēng)化砂巖，聯(lián)絡(luò)通道所處地層主要為強風(fēng)化砂巖和卵石土。

2 凍結(jié)加固方案設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)條件和其他設(shè)計要求，凍結(jié)孔按照上仰、水平、下俯三種設(shè)計方式，共設(shè)置61個凍結(jié)孔，凍結(jié)站側(cè)46個，凍結(jié)站對側(cè)15個，其中4個透孔。凍結(jié)管周圍布置8個測溫孔和4個泄壓孔監(jiān)測凍結(jié)過程中土體的變化情況。凍結(jié)孔布置情況如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔、測溫孔布置Fig.1 Layout of freezing and temperature measuring holes in connecting passage

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕設(shè)計厚度為2m，凍土的強度指標(biāo)為：單軸抗壓強度不小于3.6MPa、彎折不小于2.0MPa和抗剪不小于1.5MPa。聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計積極凍結(jié)期45d。積極凍結(jié)7d鹽水溫度降至-18℃以下；積極凍結(jié)15d鹽水溫度降至-24℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃；開挖時鹽水溫度降至-28℃。

3 有限元模型的建立和結(jié)果分析

3.1 有限元模型的建立

利用ABAQUS建立土體、盾構(gòu)隧道、聯(lián)絡(luò)通道和凍結(jié)管的三維數(shù)值模型，其模型各結(jié)構(gòu)尺寸均按照設(shè)計尺寸進行設(shè)計。土體模型依據(jù)工程實際，整體模型尺寸：x方向為40m，y方向為25m，z方向為40m。土體、襯砌和凍結(jié)管均選用DC3D8單元。有限元計算模型及凍結(jié)管模型網(wǎng)格如圖2所示。聯(lián)絡(luò)通道附近土層主要為強風(fēng)化砂巖（紅砂巖）和卵石土，各土層的物理力學(xué)參數(shù)和熱物理參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報告取值，具體數(shù)值如表1所示。本模型中，土體相變潛熱為52.3kJ/kg、固相溫度為-2℃，液相溫度-1℃。同時考慮土體的表面和隧道內(nèi)部需要與空氣接觸，取大氣溫度5.6℃，隧道內(nèi)溫度15℃，其表面散熱系數(shù)分別為8.16W/m2·℃和2W/m2·℃。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，土體的初始溫度T0設(shè)置為13.4℃，凍結(jié)管鹽水的溫度按照現(xiàn)場實測的鹽水去路溫度進行取值，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 土體和凍結(jié)管模型Fig.2 Soil model and freezing pipes model

表1 土體熱物理參數(shù)Tab.1 Soil thermal physical parameters

圖3 凍結(jié)管溫度隨時間變化曲線Fig.3 Curve of frozen tube temperature with time

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在凍結(jié)法施工過程中，設(shè)計積極凍結(jié)45d，為了觀察不同時期的凍結(jié)溫度場的變化，選取了中間斷面處的溫度場進行分析，具體變化如圖4所示。根據(jù)溫度場變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁形成過程，凍結(jié)管帶來的冷量使凍結(jié)管與周圍土體進行熱交換，使周圍土體溫度降低，在凍結(jié)管附近形成凍結(jié)圓柱，并且隨時間的增長，熱交換持續(xù)進行，相鄰凍結(jié)柱開始交圈，直到形成一個連續(xù)的“回”字型凍結(jié)壁，起到了良好的隔絕地下水的效果。

圖4 不同時期聯(lián)絡(luò)通道溫度場（單位：℃）Fig.4 Temperature fields of the cross passage in different periods（unit：℃）

為了更好地對凍結(jié)壁的形成進行過程分析，并進一步驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和合理性，將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，具體溫度如圖5所示。選取凍結(jié)壁側(cè)面兩測溫孔C05和C06的平均溫度，其中C05位于凍結(jié)管外側(cè)1m處，C06位于凍結(jié)管內(nèi)側(cè)1m處，可測得凍結(jié)壁邊緣的土體溫度。

圖5 實測與模擬平均溫度對比Fig.5 Comparison of measured average temperature and simulated average temperature

由圖5a可知，凍結(jié)場溫度變化過程大致可以分為4個階段：快速下降階段、受水潛熱影響的緩慢降溫階段、溫度快速下降階段、溫度略有回升后下降穩(wěn)定階段。

如圖5所示，對比監(jiān)測溫度與數(shù)值模擬溫度變化發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬的溫度變化在0℃左右時，受水結(jié)冰釋放潛熱的影響，降溫速度明顯變緩，但是實際凍結(jié)過程由于土體條件的復(fù)雜性，凍結(jié)速度并未出現(xiàn)明顯變化，凍結(jié)過程中實測溫度與模擬溫度最大溫差為3.5℃。凍結(jié)63d時，兩測溫孔實測溫度與數(shù)值模擬溫度分別相差0.9℃和0.3℃。表明數(shù)值模擬結(jié)果與實測溫度吻合較好，證明了凍結(jié)設(shè)計方案和數(shù)值計算模型的合理性。

4 冷凍液溫度和土層變化對溫度場形成的影響

4.1 冷凍液溫度對溫度場形成的影響

冷凍液溫度是影響凍結(jié)壁厚度和強度的重要因素之一，因此為了在規(guī)定的時間內(nèi)形成達(dá)到設(shè)計要求的凍結(jié)壁，且盡量減少資源的浪費，需要對冷凍液溫度進行精確的設(shè)計。本文將針對不同溫度冷凍液對溫度場形成的影響進行分析，冷凍液溫度取值在原來溫度上降低5℃和10℃，具體溫度如圖6所示?；谒ㄈS數(shù)值模型，不改變其他參數(shù)，選取側(cè)面凍結(jié)管外側(cè)1m處測溫孔C05的平均溫度來進行凍結(jié)溫度場變化情況分析。不同冷凍液溫度下測溫孔C05的平均溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 凍結(jié)液溫度取值Fig.6 Freezing liquid temperature value

圖7 不同冷凍液溫度下測溫孔C05平均溫度變化曲線Fig.7 Average temperature curve of temperature measuring hole C05at different refrigerant temperatures

由圖7可知，當(dāng)冷凍液降低5℃和10℃時，測溫孔到達(dá)0℃的時間分別提前了2d和4d，表明冷凍液溫度越低，凍結(jié)壁發(fā)展速度越快，最終形成的凍結(jié)壁溫度越低，但是冷凍液溫度變化與凍結(jié)壁溫度變化之間并不是簡單的線性關(guān)系。

4.2 土層變化對溫度場形成的影響

不同的土層由于其土層性質(zhì)和熱物理參數(shù)的不同，會對溫度場的形成產(chǎn)生很大影響。因此本文針對當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道全部位于強風(fēng)化砂巖地層、全部位于卵石土地層和隧道中心線上部位于卵石土地層下部位于強風(fēng)化砂巖土層時對溫度場形成的影響進行分析。選取距離凍結(jié)管距離為1m的10個測溫點，測溫點中間為隧道中心線，溫度提取點等間距為0.5m，具體如圖8所示，提取凍結(jié)壁外邊緣土體10個測溫點的平均溫度繪制溫度變化曲線如圖9所示。

圖8 凍結(jié)壁外側(cè)平均溫度的溫度提取點Fig.8 Freezing wall outside the average temperature of the temperature extraction point

圖9 不同土層下土體平均溫度變化曲線Fig.9 The average temperature variation curve of soil temperature under different soil layers

由圖9可知，在不同土層下，測溫點平均溫度達(dá)到0℃的時間分別為：強風(fēng)化砂巖17d，復(fù)合地層和砂卵石地層為15d，平均溫度變化速度別為0.78℃/d、0.88℃/d和0.88℃/d，凍結(jié)63d時，測溫點平均溫度分別為12.5℃、13.44℃和13.66℃。表明土體的熱物理參數(shù)不同，對凍結(jié)溫度場的發(fā)展速度和凍結(jié)壁溫度有較大的影響。因此在對凍結(jié)管布置進行設(shè)計時需要充分考慮土層變化對凍結(jié)溫度場形成的影響。

5 結(jié)論

通過對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工溫度場實測數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬的溫度場進行分析，獲得如下主要結(jié)論：

1.在凍結(jié)過程中，將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，凍結(jié)過程中兩者最大溫差為3.5℃。凍結(jié)63d時兩測溫實測溫度與數(shù)值模擬溫度相差分別為0.9℃和0.3℃，模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果吻合度較高，驗證了凍結(jié)設(shè)計方案以及數(shù)值計算模型的合理性。

2.通過對冷凍液溫度和土層的改變得到了凍結(jié)溫度場的變化規(guī)律，隨著冷凍液溫度降低，凍結(jié)溫度場形成速度明顯加快，且形成凍結(jié)壁溫度更低；當(dāng)土層改變時會明顯影響凍結(jié)溫度場的發(fā)展速度和最終溫度，因此在進行凍結(jié)管設(shè)計時需要充分考慮地層變化的影響，調(diào)整凍結(jié)管間距保證凍結(jié)壁的效果。

本文研究為今后蘭州地鐵的紅砂巖、砂卵石等地層的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工提供參考。