關(guān)于局部凍結(jié)工程中保溫效果的研究

韓玉福

北京中煤礦山工程有限公司 北京 100013

引言

目前人工凍結(jié)法在市政施工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是隨著地下工程復(fù)雜程度的增加，對于凍結(jié)法應(yīng)用更加廣泛。因此對于凍結(jié)法中能量供應(yīng)，溫度保持等問題的研究也更為必要。本文針對廣州市軌道交通三號線北延段機(jī)場南站～機(jī)場北站區(qū)間工程凍結(jié)管局部凍結(jié)進(jìn)行研究，通過數(shù)值仿真計算的方式，研究了局部凍結(jié)施工中的凍結(jié)管保溫方式。以期為工程實(shí)踐提供合適的使用方案。

1 工程概況

廣州市軌道交通三號線北延段機(jī)場南站～機(jī)場北站區(qū)間因地塊業(yè)主（廣東省機(jī)場管理集團(tuán)有限公司）意見及周邊環(huán)境地質(zhì)情況，擬定YDK29+818.697～ZDK30+026.500約207.802米采用暗挖進(jìn)行施工。局部曲線段擬采用凍結(jié)法加固，礦山法暗挖施工。根據(jù)設(shè)計凍結(jié)加固區(qū)域長度110m左右。凍結(jié)暗挖段為馬蹄形結(jié)構(gòu)，擬筑結(jié)構(gòu)凈高8120mm，凈寬11900mm，結(jié)構(gòu)厚600mm，采用二次支護(hù)，一次支護(hù)厚度為350mm。開挖斷面凈高8820mm，凈寬12600mm。受施工工藝及現(xiàn)場情況影響，最終決定采用垂直凍結(jié)方案進(jìn)行加固[1]。

2 模型建立

利用COMSOL多物理場軟件建立計算區(qū)域，由于本次計算為單管保溫計算，因此計算中采用二維軸對稱模型，建立1×0.5m矩形模型，左側(cè)邊界作為凍結(jié)管外邊界，并依此向內(nèi)設(shè)置20mm保溫層、保溫層外邊界及土體區(qū)域。計算中計劃模擬不同材質(zhì)的保溫外邊界，因此將外邊界設(shè)置為4mm厚薄膜層。上下兩處設(shè)置為5cm厚無限元，比例為1:1e3，以減少上下區(qū)域的邊界效應(yīng)[2]。除凍結(jié)區(qū)域外其他區(qū)域設(shè)置為熱絕緣區(qū)域，并劃分網(wǎng)格如圖1。

圖1 計算網(wǎng)格劃分及模型尺寸

3 參數(shù)選取

本工程計算主要包括兩部分材質(zhì)，分別為保溫板及土體區(qū)域，其中保溫板導(dǎo)熱系數(shù)取0.03W/(M·K)，比熱容取560J/(kg·K)。根據(jù)現(xiàn)場剖面觀測，假設(shè)保溫板材的孔隙率為0.3，均勻微分。構(gòu)建均布函數(shù)rn1(r,z)來進(jìn)行區(qū)域模擬相關(guān)區(qū)域。并引入至計算中。土體參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)選取

4 無地下水影響下保溫計算

施工區(qū)域的地層相對含水量較高，為了保證保溫區(qū)域不受土體內(nèi)水分的入侵，在保溫外側(cè)布置不銹鋼鋼板進(jìn)行保護(hù)，并進(jìn)行計算。經(jīng)計算，積極凍結(jié)15d后，保溫管外壁溫度為7.05℃，凍結(jié)管周圍無凍土。達(dá)到預(yù)期設(shè)計值。通過位于保溫板外側(cè)測點(diǎn)觀測可以發(fā)現(xiàn)，積極凍結(jié)初期外表面溫度迅速下降，隨后隨著溫度梯度的降低，呈迅速減緩區(qū)域。

圖2 保溫板外邊界溫度變化曲線

從圖中分析可以發(fā)現(xiàn)，在鹽水溫度為-28℃情況下，巨大的溫度梯度加速了保溫板的溫度傳遞，并在0.5d時間內(nèi)使得保溫板迅速溫度下降，而一旦溫度梯度呈現(xiàn)小幅度下降趨勢，則保溫板外側(cè)溫度變換放緩，呈線性下降趨勢。且15天內(nèi)保溫板外側(cè)仍保持正溫，根據(jù)計算當(dāng)時間延長至45.5天后保溫板外側(cè)溫度降至0℃，而一旦溫度降至0℃后，外側(cè)土體鋒面將會出現(xiàn)一個迅速下降過程。而目前市政工程中大部分積極凍結(jié)時間為35～50天，因此可以認(rèn)為保溫后可有效實(shí)現(xiàn)降低能耗[3]。

圖3 保溫板外側(cè)0.3m位置徑向熱通量

5 受地下水影響后保溫計算

由于加固區(qū)域地下水系發(fā)達(dá)，因此該區(qū)域施工中如對于保溫板不能有效防水，短時間內(nèi)保溫板將迅速充滿水分，并最終影響保溫效果，為了研究水分飽和后的保溫板保溫效率，將保溫板孔隙按rh1函數(shù)進(jìn)行分布，并假定充滿水分，因此其導(dǎo)熱系數(shù)分布如下圖所示。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保溫板被水分迅速浸泡后，幾乎難以起到保溫效果，保溫板迅速降溫，將溫度梯度拉平，并最終使得土體發(fā)生迅速降溫。

圖4 含水后保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)等值線圖

圖5 含水分保溫板工況下凍結(jié)15d溫度云圖

根據(jù)上述兩次計算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，地下工程中土體內(nèi)保溫板易收到外部地下水流影響，一旦水分充滿保溫板內(nèi)，將會極大影響保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)以及恒壓熱熔，最終使得保溫板失效，因此對于保溫材料防水尤其需要重視。根據(jù)工況條件，本工程最后確認(rèn)了采用19mm厚保溫板材+φ133×3mmPVC管進(jìn)行管路保溫的方案，根據(jù)后期工程實(shí)際測溫數(shù)據(jù)，最終發(fā)現(xiàn)保溫后整體效果良好，外側(cè)凍結(jié)壁擴(kuò)展主要為豎向溫度梯度造成。從圖中更可以看到，深度-4m以上溫度變化較小，且最終有效保持在為凍土狀態(tài)。

圖6 實(shí)測T3測溫孔溫度變化曲線

6 結(jié)束語

（1）富水土層內(nèi)凍結(jié)管局部保溫中需嚴(yán)格保證防水效果，避免因水分遷移造成保溫失效。

（2）在嚴(yán)格控制水分遷移的情況下，采用保溫板進(jìn)行局部凍結(jié)是可行的，根據(jù)計算，采用常規(guī)0.3W/(m·K)保溫板狀況下的富水土層，20mm保溫板可以達(dá)到-28℃鹽水循環(huán)30d外側(cè)仍可為正溫的效果。

[1]張松,徐兵壯,周興旺.地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道薄弱環(huán)節(jié)凍結(jié)孔布孔方式[J].城市軌道交通研究,2012,15(3):94-96,99.

[2]張松.聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工開挖階段側(cè)墻溫度場研究[J].建井技術(shù),2012,(6):39-41.

[3]趙宏威.鹽水凍結(jié)法在盾構(gòu)出洞土體加固中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2010,(5):85-88.