盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬分析

高緒麟 GAO Xu-lin；李曉楠 LI Xiao-nan

（①中鐵十局集團有限公司，北京 100013；②北京永誠房地產(chǎn)經(jīng)紀(jì)有限公司，北京 102200）

0 引言

凍結(jié)法是指利用在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)低溫冷媒，通過將地層中水分凍結(jié)成冰，形成一定厚度的凍結(jié)帷幕，隔絕地下水及臨時承載的特殊工法。凍結(jié)法最早應(yīng)用于礦井建設(shè)領(lǐng)域，以其適用地層廣、環(huán)境污染小等特點，應(yīng)用至城市地下空間領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛運用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工[1-6]。由于聯(lián)絡(luò)通道所處地層、長度等因素不同，不同聯(lián)絡(luò)通道所采用的凍結(jié)設(shè)計參數(shù)稍有差異。積極凍結(jié)時間、冷媒劑溫度、凍結(jié)管直徑等參數(shù)均對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程中的溫度場造成不同影響，為了保證安全的凍結(jié)過程以及良好的凍結(jié)效果，考慮冷量損失、凍結(jié)管直徑以及不同凍結(jié)設(shè)計參數(shù)對溫度場影響研究顯得意義重大。

楊平等[7]以軟弱地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工為背景，基于凍結(jié)溫度場及位移場實測數(shù)據(jù)，對凍結(jié)壁凍結(jié)和解凍全過程進行了分析，得到軟弱地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)全過程的溫度變化規(guī)律；蔡海兵[8]利用ABAQUS 有限元軟件，建立三維有限元數(shù)值計算模型，對該聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期的地層三維凍結(jié)溫度場分布規(guī)律進行系統(tǒng)分析，并與現(xiàn)場實測結(jié)果相比較，驗證了有限元數(shù)值分析的可靠性；馬悅等[9]通過數(shù)值模擬方法研究了凍結(jié)管布置方式對凍結(jié)效果的影響規(guī)律；劉先觀[10]采用數(shù)值模擬與模型試驗相結(jié)合的方法，考慮了凍結(jié)管直徑、間距、凍結(jié)管端部距管片的距離、等因素對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律。

上述研究主要在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管布置方式、間距以及凍結(jié)管形式對凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律展開了研究，而冷媒溫度聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程中的溫度場的影響規(guī)律研究較少。本文利用有限元軟件，以北京地鐵17 號線某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固工程為背景，對該聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展與分布規(guī)律展開了數(shù)值模擬研究，獲得了不同鹽水溫度情況下聯(lián)絡(luò)通道溫度場發(fā)展規(guī)律的影響，為今后的凍結(jié)設(shè)計與施工提供合理化建議。

1 工程概況

北京地鐵17 號線某盾構(gòu)井區(qū)間全長5019.793m，區(qū)間沿線現(xiàn)狀主要為空地以及平瓦房，區(qū)間設(shè)置2 處區(qū)間風(fēng)井。右右K44+610.000（左K44+610.000）設(shè)置5 號聯(lián)絡(luò)通道兼泵房，拱頂覆土約20.6m，地面標(biāo)高約+36.24m，聯(lián)絡(luò)通道長（線間距）13m。5 號聯(lián)絡(luò)通道兼泵房從上至下依次為素填土①層、砂質(zhì)粉土③層、粉細砂③3 層、粉質(zhì)粘土③1 層、粉細砂④3 層、粉質(zhì)粘土④層、粉細砂⑤2 層、粉質(zhì)粘土⑤4 層、砂質(zhì)粉土⑥2 層，結(jié)構(gòu)穿越的主要土層為粉細砂⑤2 層、粉質(zhì)粘土⑤4 層，結(jié)構(gòu)持力層位于粉細砂⑤2 層。凍結(jié)范圍主要位于④粉質(zhì)粘土、⑤2 粉細砂、⑤4 粉質(zhì)粘土、⑥2 砂質(zhì)粉土層。（圖1）

圖1 聯(lián)絡(luò)通道剖面圖

根據(jù)工程特點，5 號聯(lián)絡(luò)通道加固區(qū)存在承壓水，受下部隧道內(nèi)施工影響較大；設(shè)計采用凍結(jié)法對聯(lián)絡(luò)通道進行加固后形成具有一定強度的凍結(jié)止水帷幕，再采用礦山法暗挖法進行開挖施工。該工程設(shè)計凍土帷幕厚度2m，共設(shè)計8 個測溫孔、72 個凍結(jié)孔，凍結(jié)孔規(guī)格為φ89×8mm的無縫鋼管積極凍結(jié)45d，整體凍結(jié)壁的平均溫度不高于-10℃，設(shè)計需冷量為7.1×104kcal/h。

2 數(shù)值模型建立

利用有限元軟件ANSYS 建立含土體、隧道、聯(lián)絡(luò)通道、凍結(jié)管的計算模型；隧道和凍結(jié)管依照實際工程1∶1建立，依照設(shè)計圖紙中凍結(jié)孔的鉆孔部位和傾斜角度，建立72 根φ89*8mm 的凍結(jié)管。

考慮到凍結(jié)法施工對周邊環(huán)境的影響，整體模型尺寸取40m*30m*80m，劃分網(wǎng)格時，為提高計算精度，靠近凍結(jié)管區(qū)域以及凍土發(fā)展范圍內(nèi)的土體進行網(wǎng)格加密，凍結(jié)管區(qū)域附近網(wǎng)格密度設(shè)置0.3m，提高計算精度，遠離凍結(jié)管的區(qū)域，減小網(wǎng)格密度，遠離凍結(jié)管網(wǎng)格密度設(shè)置為0.6m，共計劃分935692 個單元。（圖2）

圖2 幾何模型示意圖

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)勘查報告與室內(nèi)試驗報告取值如表1 所示。

表1 土體物理參數(shù)

在本計算模型中，土體相變潛熱取49.2kJ/kg，相變區(qū)間取[-0.8℃，0℃]；考慮隧道內(nèi)部需與空氣接觸，大氣溫度取8℃；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，土體初始地溫取22℃；不考慮凍結(jié)管內(nèi)外復(fù)雜的熱交換過程，凍結(jié)管外壁溫度為鹽水溫度。極凍結(jié)45d，凍結(jié)期內(nèi)第1 天鹽水溫度下降至-11℃，7 天后鹽水溫度下降至-18℃，15d 后鹽水溫度下降至-24℃，30d 后下降至最低溫度-30℃。

3 計算結(jié)果分析

凍結(jié)法施工過程中，設(shè)計積極凍結(jié)期為45d，為觀察聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律，選取10d、25d、40d、45d 凍結(jié)溫度場云圖進行分析，具體如圖3 所示。

圖3 溫度場云圖

①凍結(jié)管壁上加上鹽水溫度荷載后，冷量由管壁傳遞到土層中，與外界土體發(fā)生復(fù)雜的熱交換，距離凍結(jié)管越近土體溫度下降越快，管壁周圍形成環(huán)狀凍土體，隨著積極凍結(jié)天數(shù)增加，環(huán)狀凍土不斷向外擴展；凍結(jié)25d 后，凍結(jié)壁厚度向外發(fā)展速度變緩，主要原因是此時凍結(jié)管四周未凍土已降至冰點，未凍土轉(zhuǎn)變凍土?xí)r將釋放熱量，因此土體降溫速度減緩。直至凍結(jié)45d，凍結(jié)壁厚度已達到2.35m，凍結(jié)壁平均溫度為-12.9℃，凍結(jié)壁厚度與平均溫度均滿足凍結(jié)設(shè)計要求。

②若45d 后繼續(xù)凍結(jié)將導(dǎo)致凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)的凍結(jié)壁不斷擴大，且凍結(jié)壁的強度也會隨之提高，對后續(xù)的通道開挖造成一定的困難，影響工程施工效率。

③凍結(jié)整個時期的溫度場發(fā)展均是距離凍結(jié)管近的位置溫度較低，距離凍結(jié)管較遠的位置溫度較高。凍結(jié)管傳遞的冷量使井筒凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體開始降溫，當(dāng)凍結(jié)至45d 時，此時凍結(jié)管內(nèi)側(cè)的低溫區(qū)域面積明顯大于凍結(jié)管外側(cè)的低溫區(qū)域面積。

在設(shè)計凍結(jié)壁邊界處設(shè)定測溫點C1，不同鹽水溫度條件下，其降溫曲線如圖4 所示。

從圖4 可以看出，不同鹽水條件下，測點降溫趨勢基本一致，測點降溫速度隨鹽水溫度降低而增快。鹽水溫度-30℃、-27℃、-24℃條件下，測溫點C1 溫度降至冰點所需時間分別為21d、25d、31d；鹽水溫度從-30℃上升到-27℃時，C1 測溫點降至冰點時間延長4d；鹽水溫度從-27℃上升到-24℃時，C1 測溫點降至冰點時間延長6d；證明隨著鹽水溫度升高，凍結(jié)壁發(fā)展速度顯著降低。在工程實踐中，為保障凍結(jié)效果，積極凍結(jié)期間鹽水溫度應(yīng)在-27℃以下。

圖4 C1 測溫點降溫曲線

4 結(jié)語

本文運用有限元軟件建立聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場數(shù)值計算模型，選取了聯(lián)絡(luò)通道溫度場發(fā)展特征區(qū)域進行分析，研究了不同鹽水溫度對凍結(jié)溫度場的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下，為今后的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程提供一定的借鑒。

①研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)能夠較好的模擬實際工程中土體溫度場變化規(guī)律。聯(lián)絡(luò)通道溫度場發(fā)展規(guī)律可分為快速降溫、緩慢降溫、自由水相變、穩(wěn)定降溫這四個階段。

②鹽水溫度越低，制冷效果越好；凍結(jié)第45d 時，鹽水最終溫度-30℃、-27℃、-24℃時，達到設(shè)計凍結(jié)壁所需時間依次為14d、19d、26d；研究結(jié)果為類似工程提供參考。