盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁溫度場發(fā)展規(guī)律研究

胡俊，衛(wèi)宏，劉勇，李玉萍，3，姚凱

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.新加坡國立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，南京 210098)

盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁溫度場發(fā)展規(guī)律研究

胡俊1，衛(wèi)宏1，劉勇2，李玉萍2，3，姚凱2

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.新加坡國立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，南京 210098)

對(duì)盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)作簡單介紹，運(yùn)用有限元軟件數(shù)值建模分析了半球形凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展規(guī)律。主要得出：半球形凍結(jié)壁是一種高效節(jié)能的盾構(gòu)隧道端頭凍結(jié)加固方式；凍結(jié)初期，凍土帷幕是以凍結(jié)管為中心呈柱狀向外擴(kuò)展，到凍結(jié)40d時(shí)，可形成厚度約為1.8m的封閉半球形殼體凍土帷幕；可采用增加環(huán)形凍結(jié)管對(duì)數(shù)、延長凍結(jié)時(shí)間和降低鹽水溫度來將半球形凍結(jié)壁凍實(shí)；半球形凍結(jié)壁縱向(X軸)凍結(jié)影響范圍約為5m。

半球形凍結(jié)壁；端頭加固；凍結(jié)法；數(shù)值模擬

0 引言

目前，盾構(gòu)隧道端頭加固是盾構(gòu)法施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有很大的工程施工風(fēng)險(xiǎn)[1-8]。在沿海軟土地區(qū)，特別是盾構(gòu)隧道端頭地層為富含水砂層時(shí)，采用常規(guī)的化學(xué)加固手段很難達(dá)到工程要求，在探孔時(shí)常會(huì)有漏水漏砂現(xiàn)象，為了保證盾構(gòu)進(jìn)出洞安全，常采用人工凍結(jié)法來進(jìn)行端頭土體加固[9-10]。常規(guī)的人工凍結(jié)技術(shù)采用在端頭地面打入垂直凍結(jié)管實(shí)施垂直凍結(jié)加固，或在工作井內(nèi)開挖洞門處打入水平凍結(jié)管實(shí)施水平凍結(jié)加固[11-14]，這兩種常規(guī)的凍結(jié)加固方式都存在著打入土體凍結(jié)管過多、凍結(jié)需冷量大、整個(gè)凍結(jié)過程耗電量大、凍脹融沉量大的缺點(diǎn)，如何找到一種高效節(jié)能的盾構(gòu)隧道端頭凍結(jié)加固方式是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

為了解決上述問題，一種盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。本文運(yùn)用有限元軟件，數(shù)值建模分析該半球形凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展規(guī)律，對(duì)凍土帷幕的發(fā)展及厚度變化等進(jìn)行分析，論證該加固結(jié)構(gòu)的可行性，為今后類似工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)簡介

1.1 概述

盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)是在盾構(gòu)隧道端頭工作井內(nèi)的開挖洞門處向土體中對(duì)稱打入三對(duì)環(huán)形凍結(jié)管，通過在環(huán)形凍結(jié)管中循環(huán)冷媒介質(zhì)，最終在盾構(gòu)隧道端頭地層中形成半球形凍土帷幕，在半球形凍土帷幕的保護(hù)下，盾構(gòu)順利始發(fā)或到達(dá)，如圖1所示。環(huán)形凍結(jié)管直徑一般為108 cm或127 mm；環(huán)形尺寸由洞門大小決定，應(yīng)保證在土體中形成半徑大于洞門半徑的半球形凍土帷幕。凍結(jié)管材質(zhì)通常為低碳無縫鋼管，也可以采用PVC等塑料管。當(dāng)采用塑料管時(shí)，盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)無需拔除凍結(jié)管，可直接切削推進(jìn)[15]。

圖1 盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketches of hemispherical frozen wall reinforcement of the shield tunnel end

1.2 有益效果

采用盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固方式時(shí)凍結(jié)管用料大大減少，凍結(jié)需冷量也大大減少，凍脹融沉量也相應(yīng)較小，在保證加固效果特別是止水效果的同時(shí)，大大節(jié)約了能源，從而有較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1.3 施工工藝流程

首先進(jìn)行環(huán)形凍結(jié)孔的鉆孔施工，同時(shí)進(jìn)行凍結(jié)站的安裝；環(huán)形凍結(jié)孔施工完畢后，進(jìn)行凍結(jié)孔串聯(lián)管路及保溫工作；然后進(jìn)行積極凍結(jié)，通過測溫孔觀測計(jì)算，確定凍結(jié)滿足洞門鑿除條件后，開始破除洞口槽壁。如果凍結(jié)管是塑料材質(zhì)，則無需拔除環(huán)形凍結(jié)管，如果凍結(jié)管是低碳無縫鋼管，則需先拔除凍結(jié)管，之后進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)推進(jìn)。整個(gè)施工工藝流程如圖2所示。

2 溫度場數(shù)值模型的建立

2.1 計(jì)算基本假定

假定土層具有均勻的初始溫度場，初始溫度取18℃(一般地層10 m以下恒溫帶溫度為15～20℃)；土層為一層，視為均質(zhì)、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到環(huán)形凍結(jié)管管壁上；忽略水分遷移的影響；土層的凍結(jié)溫度取為-1℃。

圖2 半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖Fig.2 Construction technology flowchart of hemispherical frozen wall reinforcement structure

2.2 計(jì)算模型和參數(shù)選取

本文基于圓形盾構(gòu)機(jī)直徑為6.34 m來建立三維溫度場數(shù)值模型，其幾何尺寸為：以暴露掌子面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取縱向長度(X軸方向)×橫向?qū)挾?Y軸方向)×垂直深度(Z軸方向)=20 m×40 m×50 m。洞門處向土體中對(duì)稱打入三對(duì)環(huán)形凍結(jié)管，三對(duì)環(huán)形凍結(jié)管平行于XZ平面布置，環(huán)形直徑分別為6.47、4.74、1.73 m，分別距Z軸0.865、2.37、3.235 m；凍結(jié)管直徑取127 mm；選取了4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分格式。幾何尺寸及網(wǎng)格劃分后模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Numerical model geometry size and meshing diagram

依據(jù)相關(guān)報(bào)告及試驗(yàn)[16-17]，模型土體材料采用熱傳導(dǎo)單元，參數(shù)見表1。

表1 土體材料參數(shù)

凍結(jié)前地層初始溫度取18℃，環(huán)形凍結(jié)管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，鹽水降溫計(jì)劃見表2。根據(jù)降溫計(jì)劃，取凍結(jié)時(shí)間步為40 d，每步時(shí)間長為24 h。采用帶相變的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型。

表2 鹽水溫度降溫計(jì)劃

3 溫度場計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 凍土帷幕基本情況

圖4為半球形凍結(jié)壁X=0剖面(左)及Z=0剖面(右下)不同時(shí)間-1 ℃與-10 ℃溫度等值線圖?？梢钥闯觯簝鼋Y(jié)初期，凍土帷幕是以凍結(jié)管為中心呈柱狀向外擴(kuò)展；凍結(jié)20 d時(shí)，在X=0剖面，離Z軸最遠(yuǎn)的那對(duì)環(huán)形凍結(jié)管開始交圈，在Z=0剖面，離Z軸最近的那對(duì)環(huán)形凍結(jié)管開始交圈；凍結(jié)30 d時(shí)，整個(gè)半球形凍土帷幕還未形成，直到凍結(jié)40 d時(shí)，半球形加固結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)封閉的半球形殼體凍土帷幕，殼體厚度大約1.8 m。在這個(gè)殼體凍土帷幕的保護(hù)下，盾構(gòu)機(jī)可進(jìn)行始發(fā)或到達(dá)掘進(jìn)。若想把半球形凍結(jié)壁凍實(shí)，形成一個(gè)半球形凍結(jié)壁實(shí)體，有以下三個(gè)方法：一是增加環(huán)形凍結(jié)管的對(duì)數(shù)，可從3對(duì)變?yōu)?對(duì)或5對(duì)(即使增加到5對(duì)，與常規(guī)的垂直或水平凍結(jié)相比也極大地減少了凍結(jié)管用料)；二是延長凍結(jié)時(shí)間，增加到50 d左右；三是降低鹽水溫度，從第十天開始可將鹽水溫度降到-40℃。

(a)凍結(jié)10 d

(b)凍結(jié)20 d

(c)凍結(jié)30 d

(d)凍結(jié)40 d圖4 半球形凍結(jié)壁X=0剖面(左)及Z=0剖面(右下)不同時(shí)間-1 ℃與-10 ℃溫度等值線Fig.4 Temperature contours of profile X=0(left)and >profile Z=0(right)at the temperature of-1 ℃ and -10 ℃ at the different freezing time.

圖5為凍結(jié)40 d時(shí)凍土帷幕總體情況，包括X=0、-1、-2、-3 m這4個(gè)剖面的溫度場云圖以及-1、-10℃等溫線圖。可以看出：凍結(jié)40 d時(shí)，一個(gè)封閉的半球形殼體凍土帷幕已經(jīng)形成，殼體厚度大約1.8 m。

(a)X=0 m

(b)X=-1 m

(c)X=-2 m

(d)X=-3 m圖5 凍結(jié)40 d時(shí)凍土帷幕總體情況Fig.5 Freezing curtain during 40-day freezing

3.2 路徑分析

從掌子面中心開始，沿著隧道縱向(X軸)開挖方向每隔1 m布設(shè)一分析點(diǎn)，形成一條長5m的分析路徑，共6個(gè)分析點(diǎn)，各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯嚎拷h(huán)形凍結(jié)管距掌子面3 m的分析點(diǎn)降溫最快，凍結(jié)12 d時(shí)溫度降到0℃；其余各點(diǎn)離環(huán)形凍結(jié)管越遠(yuǎn)降溫越慢，凍結(jié)40 d時(shí)，其余各點(diǎn)溫度均在5℃之上；距掌子面5 m的分析點(diǎn)溫度幾乎不變，說明半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)的縱向(X軸)凍結(jié)影響范圍為5 m以內(nèi)。

圖6 各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.6 Temperature changing curves with cooling time at different points

圖7為各點(diǎn)不同時(shí)間溫度空間分布曲線圖，可以看出：凍結(jié)40 d時(shí)，環(huán)形凍結(jié)管所形成的凍土帷幕厚度約為1.8 m；環(huán)形凍結(jié)管外側(cè)土體溫度回升較快，離凍結(jié)管1.8 m以外溫度幾乎不受降溫影響；環(huán)形凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體由于被包裹在環(huán)形凍結(jié)管里面，溫度回升較慢。

圖7 各點(diǎn)不同時(shí)間溫度空間分布曲線Fig.7 Termperature changing curves with the cooling time at different spatial points

4 結(jié)束語

本文對(duì)盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)作了簡單介紹，運(yùn)用有限元軟件數(shù)值建模分析了該半球形凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展規(guī)律，主要得出：

(1)盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁加固方式與傳統(tǒng)端頭凍結(jié)加固方式相比，凍結(jié)管用料和凍結(jié)需冷量大大減少，凍脹融沉量也相應(yīng)較小，在保證加固效果特別是止水效果的同時(shí)，可節(jié)約能源，從而有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)凍結(jié)初期，凍土帷幕是以凍結(jié)管為中心呈柱狀向外擴(kuò)展；凍結(jié)40 d時(shí)，一個(gè)封閉的半球形殼體凍土帷幕已經(jīng)形成，殼體厚度約為1.8 m。

(3)將半球形凍結(jié)壁凍實(shí)的措施如下：增加環(huán)形凍結(jié)管的對(duì)數(shù)、延長凍結(jié)時(shí)間、降低鹽水溫度。

(4)通過路徑分析可知：環(huán)形凍結(jié)管外側(cè)土體溫度回升較快，離凍結(jié)管1.8 m以外溫度幾乎不受降溫影響；環(huán)形凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體由于被包裹在環(huán)形凍結(jié)管里面，溫度回升較慢。

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Study on Temperature Field Development Law of Hemispherical Frozen Wall at the End of Shield Tunnel

Hu Jun1，Wei Hong1，Liu Yong2，Li Yuping2，3，Yao Kai2

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China； 2.Department of Civil and Environmental Engineering，National University of Singapore，Singapore 117576，Singapore； 3.College of Civil and Transportation Engineering，Hehai University，Nanjing 210098，China)

A brief introduction was given on the reinforcement structure of hemispherical frozen wall at the end of shield tunnel in this paper.The method of Finite Element Numerical Simulation was used to analyze the development of temperature field of the hemispherical frozen wall.The results showed that the hemispherical freeze wall is an energy-efficient freezing reinforcement way for end of shield tunnel.In the initial freezing stage，frozen soil curtain centered at the frozen pipes and extended outwards in a pillar shape.A thickness of about 1.8m closed hemispherical shell frozen soil curtain would be formed when it experienced 40 days freezing.It could uniformly freeze the hemispherical frozen wall to improve the frozen effects by increasing the number of pairs of freezing pipes，prolonging freezing time and lowering the brine temperature.The effect radius of a hemispherical frozen wall was about 5 m along the longitudinal(X-axis)direction.

hemispherical frozen wall；end reinforcement；freezing technique；numerical simulation

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368017)；海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技合作方向項(xiàng)目(ZDYF2016226)；海南省科技項(xiàng)目(ZDXM2015117)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M580559)；海南省教育廳高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(Hnky2016ZD-7，Hnky2015-10)

胡俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。E-mail：183633299@qq.com

胡俊，衛(wèi)宏，劉勇，等.盾構(gòu)隧道端頭半球形凍結(jié)壁溫度場發(fā)展規(guī)律研究[J].森林工程，2017，33(1)：88-91.

U 455.43

A

1001-005X(2017)01-0088-04