盾構(gòu)進(jìn)出洞處地基水平杯型凍結(jié)加固的溫度場(chǎng)研究

曾 華

(上海軌道交通十號(hào)線發(fā)展有限公司,200231,上海∥高級(jí)工程師)

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盾構(gòu)進(jìn)出洞處地基水平杯型凍結(jié)加固的溫度場(chǎng)研究

曾 華

(上海軌道交通十號(hào)線發(fā)展有限公司,200231,上?！胃呒?jí)工程師)

上海城市軌道交通某線在凍結(jié)法加固盾構(gòu)進(jìn)出洞工程在穿越一中間風(fēng)井時(shí)采用水平杯型凍結(jié)技術(shù)。通過凍結(jié)溫度場(chǎng)分析,驗(yàn)證了該風(fēng)井處進(jìn)出洞凍結(jié)工程設(shè)計(jì)中杯身凍結(jié)器比杯底凍結(jié)器長(zhǎng)1.1 m的合理性,同時(shí)驗(yàn)證了水平杯型凍結(jié)壁設(shè)計(jì)在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞凍結(jié)工程設(shè)計(jì)中的科學(xué)性,為同類工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

地鐵盾構(gòu)； 進(jìn)出洞工程； 水平杯型凍結(jié); 溫度場(chǎng); 凍結(jié)壁

Author′s address Shanghai Rail Transit L 10 Developing Co.,Ltd.,200231,Shanghai,China

隨著城市軌道交通地下線的快速建設(shè),凍結(jié)法施工技術(shù)成為解決復(fù)雜地層中構(gòu)筑地下結(jié)構(gòu)的常用加固方式之一[1-2]。凍結(jié)法施工是通過人工制冷的方法使土中的水凍結(jié)并將離散的固體顆粒膠結(jié)成整體,從而大幅提高地層強(qiáng)度,形成凍結(jié)壁以抵抗水土壓力,進(jìn)而保障地下結(jié)構(gòu)工程施工安全可靠[3]。

在地鐵盾構(gòu)工程建設(shè)中,盾構(gòu)隧道端頭是盾構(gòu)法施工事故多發(fā)地帶,其土體加固是盾構(gòu)機(jī)安全始發(fā)與接收的重要保障。因此,盾構(gòu)始發(fā)與接收已成為盾構(gòu)法施工中風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)。其端頭土體加固的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)能否安全始發(fā)、接收。

水平杯型凍結(jié)技術(shù)在盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭加固中具有良好的止水性能和施工方便、環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),已成為其他地層加固方法難以解決問題時(shí)的主要解決方案[4]。但由于盾構(gòu)進(jìn)出洞水平凍結(jié)工程多采用無縫鋼管作為凍結(jié)管,故在盾構(gòu)推進(jìn)過程中,為避免凍結(jié)管損傷盾構(gòu)機(jī)刀盤,盾構(gòu)推進(jìn)范圍內(nèi)的凍結(jié)器需提前關(guān)閉并瞬時(shí)“解凍”拔出,拔出后的凍結(jié)壁亦要保證足夠的強(qiáng)度和厚度,以滿足工程安全施工需要。因此,有必要研究?jī)鼋Y(jié)器提前關(guān)閉并瞬時(shí)“解凍”拔出后的溫度場(chǎng)發(fā)展特點(diǎn)。

1 工程概述

上海軌道交通某線采用盾構(gòu)法施工,其上、下行線隧道盾構(gòu)推進(jìn)將穿越一中間風(fēng)井。在風(fēng)井西端頭井設(shè)置接收進(jìn)洞,在風(fēng)井東端頭井設(shè)置始發(fā)出洞。風(fēng)井4個(gè)洞門分布如圖1所示。洞門圈直徑φ7.1 m,端頭井地面標(biāo)高約為3.64 m。西端頭井上、下行線中間風(fēng)井與區(qū)間分界里程分別為SK33+370.166、XK33+377.100,中心標(biāo)高分別為-20.723 m、-20.683 m；東端頭井上、下行線中間風(fēng)井與區(qū)間分界里程分別為 SK33+395.166、XK33+402.102,中心標(biāo)高分別為-20.849 m、-20.805 m。

圖1 風(fēng)井洞門平面圖

盾構(gòu)進(jìn)(出)洞處采用水泥系和凍結(jié)法復(fù)合加固工法,并使用鋼套筒進(jìn)行接收。凍結(jié)加固為水泥系加固的輔助措施。地勘資料顯示，盾構(gòu)接收端頭井主要穿過⑤1灰色黏土層。

洞門凍結(jié)設(shè)杯身凍結(jié)孔35個(gè),孔深4.7 m(以風(fēng)井地下連續(xù)墻內(nèi)緣處為準(zhǔn)),設(shè)杯底凍結(jié)孔25個(gè),孔深3.6 m(以風(fēng)井地下連續(xù)墻內(nèi)緣為準(zhǔn))。端頭井每個(gè)洞門積極凍結(jié)40 d,積極凍結(jié)的鹽水溫度為-30 ℃；凍結(jié)壁厚2.4 m,平均溫度為-10 ℃。凍結(jié)孔采用φ89×8的無縫鋼管,其布置如圖2所示。

圖2 風(fēng)井洞門處凍結(jié)孔布置圖

圖3 凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

2 凍結(jié)溫度場(chǎng)的數(shù)值模型

凍結(jié)溫度場(chǎng)是溫度隨空間和時(shí)間的變化過程,是一個(gè)有相變、有移動(dòng)邊界、邊界條件復(fù)雜的不穩(wěn)定瞬態(tài)的導(dǎo)熱問題[5-6]。凍結(jié)溫度場(chǎng)的研究方法主要有解析計(jì)算、物理模擬和數(shù)值分析模擬計(jì)算等。解析計(jì)算方法復(fù)雜,且假設(shè)條件較多,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程偏差較大，僅能定性地解決一些問題,無法從定量上指導(dǎo)施工?；谙嗨评碚摰奈锢碓囼?yàn)?zāi)M方法，其工程量大,且具有較長(zhǎng)試驗(yàn)周期,有一定的試驗(yàn)誤差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異,運(yùn)用計(jì)算軟件解決工程問題得到廣泛推廣,且ANSYS、FLAC等數(shù)值解析軟件非常強(qiáng)大[7],故數(shù)值分析模擬計(jì)算方法已廣泛應(yīng)用到工程中指導(dǎo)實(shí)際施工生產(chǎn)。

圖4 積極凍結(jié)40 d的溫度場(chǎng)云圖

該風(fēng)井進(jìn)出洞凍結(jié)工程可運(yùn)用有限元模擬軟件ANSYS建立模型,并依據(jù)工程實(shí)際實(shí)施參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。首先積極凍結(jié)40 d,當(dāng)凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),“杯底”凍結(jié)器循環(huán)50 ℃鹽水30 min后拔出并停凍,研究停凍后“杯體”溫度場(chǎng)的發(fā)展特點(diǎn)。

建立數(shù)值模型基于以下假設(shè):①地層為各向同性;②凍結(jié)管周邊溫度均勻分布,凍結(jié)管邊界溫度比凍結(jié)管中的鹽水溫度高2℃,且凍結(jié)管外邊界為凍結(jié)冷源的主要荷載施加位置;③溫度場(chǎng)計(jì)算不考慮地下水滲流作用的影響。

以該風(fēng)井進(jìn)出洞為原型,采用APDL語言建立參數(shù)化三維溫度場(chǎng)有限元模型,并取1/4圓周模型進(jìn)行計(jì)算(如圖3)。計(jì)算模型直徑為20 m,長(zhǎng)10 m,單元類型為8節(jié)點(diǎn)的SOLID70。模型邊界條件為:模型起始溫度10℃,模型外圈邊界溫度10℃,模型其余邊界均為絕熱,凍結(jié)器加載溫度-28 ℃。在此條件下積極凍結(jié)40 d,則溫度場(chǎng)云圖見圖4,“杯底”凍結(jié)器瞬時(shí)“解凍”拔出并停凍(解凍后的溫度場(chǎng)云圖見圖5),以此分析“杯底”的溫度變化。瞬時(shí)解凍即在凍結(jié)器加載30 min 50 ℃溫度荷載。土體熱物理參數(shù)見表1,混凝土熱物理參數(shù)見表2。從積極凍結(jié)30 d測(cè)溫點(diǎn)數(shù)值模擬與工程實(shí)測(cè)對(duì)比曲線(如圖6)可見,數(shù)值模擬測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線與實(shí)測(cè)較為吻合,采用模擬的參數(shù)得出的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)接近,可指導(dǎo)施工。水平凍結(jié)杯型凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

3 結(jié)果分析

“杯底”凍結(jié)器停凍5 d后的凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖如圖8所示?？梢钥闯?，“杯底”凍結(jié)器停凍后,在“杯身”凍結(jié)器繼續(xù)開啟的作用下,能完全隔絕隧道圓周范圍內(nèi)地溫對(duì)已經(jīng)凍實(shí)且停凍“杯底”凍結(jié)壁的影響,且有效保護(hù)地溫在“杯口”縱向方向?qū)Α氨住眱鼋Y(jié)壁的影響范圍,從凍結(jié)溫度場(chǎng)變化上驗(yàn)證了水平杯型凍結(jié)壁設(shè)計(jì)在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞凍結(jié)工程設(shè)計(jì)中的科學(xué)性。停凍后的“杯底”溫度場(chǎng)呈中間薄、邊緣厚的形態(tài),即在同一縱切面內(nèi),靠近“杯身”凍結(jié)器的土層溫度低,越遠(yuǎn)溫度越高,在隧道中心點(diǎn)溫度最高。

表1 地層的熱物理參數(shù)[8]

表2 混凝土的熱物理參數(shù)

圖5 杯底凍結(jié)器瞬時(shí)循環(huán)50℃溫水后的溫度場(chǎng)云圖

圖6 積極凍結(jié)30 d測(cè)溫點(diǎn)數(shù)值模擬與工程實(shí)測(cè)對(duì)比曲線

圖7 水平凍結(jié)杯型凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)示意

從停凍5 d“杯底”上表面溫度場(chǎng)變化云圖(如圖9)來看,“杯底”凍結(jié)器循環(huán)50 ℃鹽水30 min形成的升溫區(qū)范圍非常有限,大約凍結(jié)管壁外15 mm范圍形成瞬間溫升區(qū),經(jīng)過2 d發(fā)展凍結(jié)壁已完全將溫升區(qū)熱量消耗,見圖9 c)。在杯底范圍內(nèi),受地溫在“杯口”縱向方向?qū)Α氨住眱鼋Y(jié)壁的影響,“杯底”上表面應(yīng)為凍結(jié)壁厚度的溫度最高區(qū)域,但從圖9 f)來看,停凍5 d時(shí),“杯底”上表面溫度依然低于-10 ℃,滿足平均溫度設(shè)計(jì)要求。

圖8 “杯底”凍結(jié)器停凍5 d凍結(jié)云圖

圖9 停凍后5 d內(nèi)“杯底”上表面溫度場(chǎng)變化云圖

隧道中心線處一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)停凍后的溫度變化曲線如圖10所示。從圖中曲線變化上可以看出,停凍后前2 d溫度場(chǎng)的變化較為劇烈,而后受“杯身”凍結(jié)器的影響,變化較為緩慢。在風(fēng)井地下連續(xù)墻側(cè)做了較好的保溫處理后,杯底凍結(jié)壁即使停凍10 d也依然滿足平均溫度低于-10℃的設(shè)計(jì)要求。這印證了該隧道風(fēng)井進(jìn)出洞凍結(jié)工程中杯身凍結(jié)器比杯底凍結(jié)器長(zhǎng)1.1 m的合理性。

圖10 隧道中心線處一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)停凍后溫度變化

4 結(jié)論

(1) 通過分析“杯底”凍結(jié)器停凍后的凍結(jié)溫度場(chǎng)變化,驗(yàn)證了水平杯型凍結(jié)壁在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞凍結(jié)工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

(2) 在實(shí)際施工中,為方便拔出凍結(jié)壁中的凍結(jié)管,在“杯底”凍結(jié)器中循環(huán)50 ℃鹽水30 min,凍結(jié)管壁外15 mm范圍形成瞬間溫升區(qū),溫升區(qū)對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)影響時(shí)間短,影響時(shí)間約2 d。

(3) 在地下連續(xù)墻面保溫處理后,杯底凍結(jié)壁經(jīng)停凍10 d依然滿足平均溫度低于-10 ℃的設(shè)計(jì)要求。這印證了該風(fēng)井進(jìn)出洞凍結(jié)工程中杯身凍結(jié)器比杯底凍結(jié)器長(zhǎng)1.1 m的合理性。

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長(zhǎng)沙中低速磁浮快線開通試運(yùn)營(yíng)

5月6日，中國(guó)首條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁懸浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線——長(zhǎng)沙磁浮快線開通試運(yùn)營(yíng)。長(zhǎng)沙磁浮快線全長(zhǎng)18.55 km，起于京廣、滬昆高鐵交匯的長(zhǎng)沙火車南站，止于黃花機(jī)場(chǎng)，全線設(shè)3座車站。試運(yùn)營(yíng)初期配置5列車體，運(yùn)營(yíng)時(shí)段為上午9時(shí)至下午6時(shí)，試行票價(jià)全程為每人20元人民幣。 長(zhǎng)沙磁浮快線試運(yùn)營(yíng)，讓中國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握中低速磁懸浮列車技術(shù)的國(guó)家之一。中低速磁浮列車具有安全、噪聲小、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn)，多項(xiàng)成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

“磁浮列車是我們奮斗多年的一個(gè)愿望、目標(biāo)，今天快要實(shí)現(xiàn)了?！敝袊?guó)工程院院士、鐵道電氣化自動(dòng)化專家錢清泉說，他很感激有這樣的湖南精神，值得學(xué)習(xí)。中國(guó)工程院院士劉友梅表示，磁浮列車將會(huì)給中國(guó)帶來一個(gè)范例，會(huì)成為未來城市公共交通中一種新型交通方式，并將大步走向世界。國(guó)防科技大學(xué)教授常文森則認(rèn)為，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)成熟，中國(guó)大規(guī)模發(fā)展磁浮列車的時(shí)代已經(jīng)到來。德國(guó)磁浮專家Wolfgang Otto說，長(zhǎng)沙磁浮列車運(yùn)行穩(wěn)定，乘客愉快地享受舒適的乘坐體驗(yàn)，列車準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)中國(guó)、亞洲和全球市場(chǎng)都形成一個(gè)良好的信號(hào)。

(摘自2016年5月6日中新網(wǎng)，記者 付敬懿報(bào)道)

On Frozen Temperature Field of Horizontal Cup-type Freezing Technology in Shield Entry Engineering

ZENG Hua

A certain line project of Shanghai rail transit adopts the horizontal cup-type freezing technology to reinforce tunnel portals in an entry engineering. Through analyzing the frozen temperature field, it is confirmed that the cup-body freezers are 1.1 meter longer than the cup-bottom freezers, and the horizontal cup-type freezing design is verified to be scientific. This research could be used as a reference for similar engineering design and construction.

metro shield; shield entry engineering; horizontal cup-type freezing technology; temperature field; freezing wall

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.06.023

2016-02-24)