盾尾刷更換時(shí)環(huán)形凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)溫度場數(shù)值分析

陳 璐, 胡 俊*, 高 林, 王志鑫, 曾東靈, 吳雨薇

(1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, ?？?570228； 2.海南華昌旅游開發(fā)有限公司, 海口 571533； 3.海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院, ?？?570206)

目前,盾構(gòu)法修建城市地鐵隧道建設(shè)如火如荼,盾尾刷更換過程中的防滲漏問題一直是盾構(gòu)隧道施工的關(guān)注重點(diǎn)[1-3]。由于盾構(gòu)機(jī)的施工過程大部分都在地下封閉環(huán)境中進(jìn)行,所以盾構(gòu)機(jī)內(nèi)保持干燥是其特殊要求。但是,這種要求是很難實(shí)現(xiàn)的,尤其是在特殊的土體施工過程中,盾尾容易出現(xiàn)一定程度的滲水滲泥狀況[4-8]。而盾尾刷的損害對施工影響較大,而損害主要是由于安裝不規(guī)范、施工過程的磨損消耗等原因,導(dǎo)致盾構(gòu)施工過程中盾尾刷的壽命較短。盾尾刷密封性的下降主要是由于盾尾刷的損壞,這會(huì)阻礙盾構(gòu)的正常施工[9]。因此,針對此狀況,受到破損的盾尾刷需要及時(shí)調(diào)換；更換時(shí),需對盾尾四周土體進(jìn)行加固[10-12]。

壁后注漿在盾尾刷更換過程中至關(guān)重要,調(diào)整壁后注漿壓力和使用速凝型漿液,都會(huì)起到保護(hù)盾尾刷的作用[13-14]。然而,注漿法加固形成的注漿帷幕總是具有不確定性,注漿帷幕的缺陷會(huì)使得施工具有風(fēng)險(xiǎn)隱患。與注漿法加固相比,人工凍結(jié)法形成的凍土帷幕施工過程快、凍結(jié)效果好、可控性強(qiáng)[15-20]。因此,人工凍結(jié)技術(shù)在盾尾刷更換中的應(yīng)用為其帶來了便捷,得到了廣泛使用。

李曉娜等[20]、陳成等[21]結(jié)合杭州慶春路過江隧道盾尾刷更換工程,介紹了一種液氮凍結(jié)加固方式,該方式是在盾尾后面管片上放射性地向土體中打入一圈凍結(jié)短管實(shí)施液氮凍結(jié)以達(dá)到快速加固盾尾四周土體的目的。張彪等[22]結(jié)合上海長江隧道盾尾刷更換預(yù)案,介紹了一種盾尾刷更換時(shí)的特殊管片,該管片外側(cè)嵌入弧形的中空鋼板外殼,通過在鋼板外殼中循環(huán)低溫鹽水以達(dá)到凍結(jié)盾尾四周土體的目的,這種特殊的人工凍結(jié)加固方法又帶來了新的意義。以上兩種是目前實(shí)際工程中應(yīng)用人工凍結(jié)技術(shù)加固盾尾四周土體的方式,但是,上述兩種方式也各有缺陷。采用第一種方式,在管片上放射性地布設(shè)凍結(jié)短管,使得管片上開孔較多,影響后期地鐵運(yùn)營時(shí)管片的耐久性。采用第二種方式,需特殊預(yù)制準(zhǔn)備預(yù)埋中空鋼板的特殊管片,增加施工工期和成本。針對上述存在的技術(shù)問題,提出了一種使用環(huán)形凍結(jié)管加固止水保護(hù)盾尾刷更換的新型施工方法[23],通過ADINA(automatic dynamic incremental nonlinear analysis)有限元軟件,數(shù)值建模得到的數(shù)據(jù),分析該凍結(jié)方式在盾尾刷更換時(shí)周圍土體的溫度變化和最終形成的凍結(jié)效果,從而為該相關(guān)施工工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 工法簡介

1.1 概述

提出一種盾尾刷更換時(shí)使用環(huán)形凍結(jié)加固周圍土體來防止?jié)B水滲泥現(xiàn)象[24],其施工方案是在需要更換盾尾刷的土體中埋設(shè)不同根數(shù)的環(huán)形凍結(jié)管,循環(huán)冷媒介質(zhì)使周圍土體降溫并形成凍土帷幕,如圖1所示，環(huán)形尺寸由盾構(gòu)機(jī)大小決定,應(yīng)保證在土體中形成滿足盾尾密閉性的凍土帷幕。

1.2 施工工藝流程

圖1 盾尾刷更換時(shí)環(huán)形凍結(jié)加固示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ring freezing reinforcement structure when the shield tail brush is replaced

圖2 整個(gè)施工工藝流程Fig.2 Flow chart of construction process

施工工藝流程為:施工準(zhǔn)備→環(huán)形凍結(jié)管鉆孔施工→凍結(jié)裝置和測溫裝置的安裝→積極凍結(jié)(溫度監(jiān)測)→拆除管片更換盾尾刷(維護(hù)凍結(jié))→強(qiáng)制解凍→環(huán)形凍結(jié)管拔除(封孔)→壁后注漿→盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)。圖2為整個(gè)施工工藝流程，圖3為凍結(jié)施工流程，圖4為盾尾刷更換施工流程。

圖3 凍結(jié)施工流程Fig.3 Flow chart of freeze construction

圖4 盾尾刷更換施工流程Fig.4 Flow chart of replacement construction of shield tail brush

1.3 有益效果

工法打孔形式靈活,對管片結(jié)構(gòu)耐久性影響不大,盾尾刷更換時(shí)環(huán)形凍結(jié)加固工法可應(yīng)對突發(fā)性事故,施工方法使得盾尾刷更換過程安全可靠；施工過程中在管片上布置的凍結(jié)孔較少,對管片的損害較小,因此,對隧道盾構(gòu)的安全性影響較小,使得該加固方式安全可靠,具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 溫度場數(shù)值模型的建立

2.1 計(jì)算基本假定

①假定土層初始溫度為18 ℃；②忽略水分遷移的影響；③土層的凍結(jié)溫度取為-1 ℃[25]。

2.2 計(jì)算模型和參數(shù)選取

根據(jù)圓形盾構(gòu)機(jī)直徑為6.34 m,設(shè)計(jì)三維溫度場數(shù)值模型尺寸為:X軸方向×Y軸方向×Z軸方向=6 m×12 m×12 m；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向(盾構(gòu)隧道中心軸線)為X軸方向,盾尾位于整個(gè)模型的中心位置,即X=-3 m處。幾何尺寸及網(wǎng)格劃分后模型如圖5所示。模型設(shè)計(jì)是在長方體中減去環(huán)形凍結(jié)管和盾構(gòu)外殼,凍結(jié)管表面作為熱荷載邊界。模型土體材料采用熱傳導(dǎo)單元,土體材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)報(bào)告、試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[26-28]得出,結(jié)果如表1所示。

圖5 數(shù)值模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of geometry size and mesh of numerical model

表1 土體材料參數(shù)

表2 鹽水溫度降溫計(jì)劃

鹽水降溫計(jì)劃如表2所示。

2.3 兩種凍結(jié)方案對比

凍結(jié)分析過程中,通過比較布置1根環(huán)形凍結(jié)管和2根環(huán)形凍結(jié)管的凍結(jié)效果,從而確定出最佳凍結(jié)方案。布置2根環(huán)形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)效果肯定優(yōu)于布設(shè)1根時(shí),且安全性較高。將兩種凍結(jié)方案進(jìn)行對比的目的是探尋布置1根環(huán)形凍結(jié)管的可行性及相應(yīng)溫度場的發(fā)展規(guī)律及差異。

2.3.1 方案1：布置1根環(huán)形凍結(jié)管

圓形盾構(gòu)機(jī)直徑取為6.34 m,以X軸為盾構(gòu)隧道中心軸線,即以X軸為圓心,半徑為3.17 m；環(huán)形凍結(jié)管同樣以X軸為圓心,半徑取為3.47 m,即離盾構(gòu)機(jī)的Y軸垂直距離為0.3 m。盾尾位于整個(gè)模型的中心位置,即X=-3 m處,環(huán)形凍結(jié)管的圓心位于X=-3.3 m處,即離盾尾的X軸垂直距離為0.3 m。具體位置如圖6所示。

2.3.2 方案2：布置2根環(huán)形凍結(jié)管

布置2根環(huán)形凍結(jié)管時(shí),在上述布置1根時(shí)的基礎(chǔ)上,在緊靠近盾尾的位置增設(shè)1根環(huán)形凍結(jié)管,即增設(shè)的1根環(huán)形凍結(jié)管的圓心位于X=-3 m處,半徑取為3.47 m。具體位置如圖7所示。

圖6 1根環(huán)形凍結(jié)管布置示意圖Fig.6 Schematic layout of one annular freezing tube

圖7 2根環(huán)形凍結(jié)管布置示意圖Fig.7 Schematic layout of two annular freezing tubes

2.4 研究內(nèi)容

對上述布置1根環(huán)形凍結(jié)管和布置2根環(huán)形凍結(jié)管的模型結(jié)果進(jìn)行對比分析：①兩種模型40 d時(shí)的凍結(jié)效果；②兩種模型溫度場發(fā)展規(guī)律研究；③兩種模型最終凍土帷幕厚度是否符合施工安全要求。

3 溫度場計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 最終溫度場情況

3.1.1 1根環(huán)形凍結(jié)管

從圖8可以看出，在X=-3.3 m剖面處,最終所形成的環(huán)形凍土帷幕約有1.6 m 厚,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,溫度與凍結(jié)管之間的距離呈反比。在Y=0剖面處,最終所形成的環(huán)形凍土帷幕約1.6 m 厚,同樣達(dá)到設(shè)計(jì)要求,且環(huán)形凍土帷幕有效的封閉了盾尾及其后面管片之間的縫隙,使得盾尾加固止水變得更加牢靠,保證了施工安全可靠性。

從圖9可以看出，凍結(jié)40 d時(shí),-1 ℃等溫線形成的凍土帷幕厚約1.6 m,數(shù)值計(jì)算結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。一直保持-28 ℃凍結(jié)到第60天時(shí),從圖9(b)可以看出，最終形成的凍土帷幕厚度變化不大。因此,為了提高盾尾凍結(jié)加固的封水性和安全性,降低施工風(fēng)險(xiǎn),增大凍結(jié)加固止水范圍,延長積極凍結(jié)時(shí)間的方式?jīng)]有起到明顯改善作用。

圖9 凍結(jié)40、60 d時(shí)-1 ℃和-10 ℃等溫線Fig.9 -1 ℃ and -10 ℃ isotherms at 40,60 d

3.1.2 2根環(huán)形凍結(jié)管

圖10 2根環(huán)形凍結(jié)管40 d溫度場云圖Fig.10 40 d temperature field cloud diagram of two annular freezing tubes

從圖10可以看出，在X=-3.3 m剖面處,凍結(jié)影響范圍比設(shè)置1根時(shí)大,最終所形成的環(huán)形凍土帷幕約2.0 m 厚。在Y=0剖面處,可以觀察到最終所形成的環(huán)形凍土帷幕約2.0 m 厚,此時(shí)盾尾的凍結(jié)加固止水作用更加有效和安全。

圖11可以看出，凍結(jié)40 d時(shí),間距0.3 m時(shí) -1 ℃ 等溫線形成的凍土帷幕厚約2.0 m,數(shù)值計(jì)算結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖11 凍結(jié)40 d不同環(huán)形凍結(jié)管間距下-1 ℃和-10 ℃等溫線Fig.11 Isotherms of -1 ℃ and -10 ℃ under different freezing intervals of 40 d

與一直保持-28 ℃凍結(jié)到第60天[圖9(b)]相比,方案2的凍土帷幕厚度明顯較大,凍結(jié)效果更好。間距0.5 m時(shí)-1 ℃等溫線形成的凍土帷幕厚約2.4 m,比方案2的凍結(jié)范圍又進(jìn)一步擴(kuò)大,因此,為了提高盾尾凍結(jié)加固的封水性和安全性,增大凍結(jié)加固止水范圍,采用延長積極凍結(jié)時(shí)間的方法沒有增加環(huán)形凍結(jié)管根數(shù)的方法最終形成的凍結(jié)效果好,同時(shí),適當(dāng)?shù)卦黾迎h(huán)形凍結(jié)管的間距可以增強(qiáng)其凍結(jié)效果。

3.2 溫度場發(fā)展規(guī)律研究

3.2.1 路徑圖

在Y=0剖面上設(shè)置了2條路徑,每條路徑上設(shè)置了5個(gè)分析點(diǎn),如圖12所示,分析觀察環(huán)形凍土帷幕的溫度場發(fā)展規(guī)律。路徑1設(shè)置在管片上,從盾尾處開始每隔0.2 m設(shè)置一個(gè)分析點(diǎn)(網(wǎng)格劃分后每個(gè)節(jié)點(diǎn)間距為0.2 m),共1～5號分析點(diǎn)；路徑2設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)外殼上,從盾尾處開始也是每隔 0.2 m 設(shè)置一個(gè)分析點(diǎn),共6～10號分析點(diǎn)。

圖12 Y=0剖面路徑設(shè)置示意圖Fig.12 Y=0 section path setting diagram

3.2.2 1根環(huán)形凍結(jié)管

從圖13可以看出，1號、6號分析點(diǎn)其降溫過程基本一致,主要是因?yàn)?號、6號分析點(diǎn)距離較近,只有0.07 m；路徑1比路徑2上各點(diǎn)的降溫速度較快,降溫最快的是1、2、3、4號分析點(diǎn),究其原因是它們離冷源較近,特別是2號點(diǎn),由于離冷源最近,故其前期降溫較快；在整個(gè)凍結(jié)過程中,剛開始溫度降低速度快,隨著時(shí)間增加,溫度降低速度逐漸變慢,且溫度與距離洞門間隙之間的關(guān)系呈正比。

圖13 1～10號分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Curves for temperatures of analysis spot from 1 to 10 with times

從圖14可以看出，凍結(jié)40 d 時(shí),在X軸即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向,從盾尾處開始,到管片處0.6 m開始整個(gè)邊沿的溫度低于-10 ℃,且盾尾處的溫度也在 -10 ℃ 以下；路徑1和路徑2上各點(diǎn)在凍結(jié)前期降溫速度較快,凍結(jié)30 d以后直到凍結(jié)40 d,降溫速度變緩；在40～60 d的凍結(jié)后期,溫度變化不大。

圖14 各點(diǎn)不同時(shí)間溫度空間分布曲線Fig.14 Spatial distribution curve of temperature and time at each point

3.2.3 2根環(huán)形凍結(jié)管

圖15 1～10號分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.15 Curves for temperatures of analysis spot from 1 to 10 with times

從圖15可以看出，與1根環(huán)形凍結(jié)管不同的是,在凍結(jié)40 d時(shí),路徑1上的各觀測點(diǎn)溫度均較低,且5個(gè)觀測點(diǎn)的溫差不大;凍結(jié)40 d 時(shí),在X軸即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向,從盾尾處開始,到管片處0.8 m開始整個(gè)邊沿的溫度低于-10 ℃,且盾尾處的溫度也在-10 ℃以下；當(dāng)溫度達(dá)到-1 ℃時(shí)土體開始趨于穩(wěn)定,兩根凍結(jié)管方案上的1號觀測點(diǎn)在第11 d達(dá)到-1 ℃,比一根凍結(jié)管方案提早了1 d；當(dāng)溫度-10 ℃時(shí)形成凍土帷幕,兩根凍結(jié)管方案上的1號觀測點(diǎn)在第16天達(dá)到-10 ℃,比一根凍結(jié)管方案提早了5 d；在時(shí)間差上,由于兩根凍結(jié)管在1號觀測點(diǎn)達(dá)到-10 ℃的時(shí)間只差一根凍結(jié)管在該點(diǎn)達(dá)到-1 ℃時(shí)4 d,由此可見增加環(huán)形凍結(jié)管的根數(shù)極大地提高了凍結(jié)效果,有較高的安全系數(shù)富裕。

圖16 40 d時(shí)各點(diǎn)不同凍結(jié)方案下溫度空間分布曲線Fig.16 Curve of temperature spatial distribution under different freezing schemes at different points in 40 d

方案3為2根距離0.5 m凍結(jié)管的布置。從圖16 可以看出，路徑2上的3種方案溫差不大,變化幅度較小,整體變化趨勢平穩(wěn),且距離盾尾處越近溫度越低；路徑1上的3種方案溫差較大,方案1的整體溫度明顯低于另外兩種方案,且距離盾尾處越遠(yuǎn)溫度越高,變化趨勢明顯,距離盾尾處0.8 m的觀測點(diǎn)溫度小于-10 ℃；路徑1上的方案2和方案3整體變化趨勢相差較小,但是方案3的整體溫度偏低,更有利于提高盾尾處的凍結(jié)效果。

綜上可知，方案1最終所形成的環(huán)形凍土帷幕約有1.6 m厚,方案2約有2.0 m厚,兩種方案的數(shù)值計(jì)算結(jié)果均滿足凍結(jié)加固范圍和設(shè)計(jì)要求；方案2的凍結(jié)效果肯定優(yōu)于方案1,且安全性較高；布置2根凍結(jié)管的方案在1號觀測點(diǎn)達(dá)到-1 ℃的時(shí)間比布置1根時(shí)提早了1 d,達(dá)到-10 ℃開始形成凍土帷幕的時(shí)間提早了5 d；在時(shí)間差上,由于兩根凍結(jié)管在1號觀測點(diǎn)達(dá)到-10 ℃的時(shí)間只差一根凍結(jié)管在該點(diǎn)達(dá)到-1 ℃時(shí)4 d,說明增加環(huán)形凍結(jié)管的根數(shù)可極大地提高盾尾處的凍結(jié)效果,且有較高的安全系數(shù)富裕。

4 結(jié)論

針對目前實(shí)際工程中盾尾刷更換時(shí)凍結(jié)法加固方式存在的技術(shù)問題,提出來一種保護(hù)盾尾刷更換的施工方法,通過有限元軟件數(shù)值建模及數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論。

(1)布設(shè)1根環(huán)形凍結(jié)管最終所形成的環(huán)形凍土帷幕約1.6 m厚,布設(shè)2根時(shí)約2.0 m厚,兩種方案的數(shù)值計(jì)算結(jié)果均滿足凍結(jié)加固范圍和設(shè)計(jì)要求。

(2)為了提高盾尾凍結(jié)加固的封水性和安全性以及增大凍結(jié)加固止水范圍,采用延長積極凍結(jié)時(shí)間的方法沒有增加環(huán)形凍結(jié)管根數(shù)的方法最終形成的凍結(jié)效果好,同時(shí),適當(dāng)?shù)卦黾迎h(huán)形凍結(jié)管的間距其凍結(jié)效果更佳。

(3)布置2根凍結(jié)管的方案在1號觀測點(diǎn)達(dá)到-1 ℃的時(shí)間比布置1根時(shí)提早了1 d,達(dá)到-10 ℃開始形成凍土帷幕的時(shí)間提早了5 d,說明增加環(huán)形凍結(jié)管的根數(shù)可極大地提高盾尾處的凍結(jié)效果,且有較高的安全系數(shù)富裕。