冷媒溫度對聯(lián)絡通道凍結(jié)效果影響分析

李嘉晨，張 勇

(中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

凍結(jié)法，全稱為人工凍結(jié)輔助施工法，是利用冷媒強制降低土體溫度，使含水土體凍結(jié)形成一層強度高、穩(wěn)定性好并可隔絕地下水的凍土帷幕的施工方法[1]。因其具有工程適用性強、隔水能力好、不影響交通運行等優(yōu)點而在我國地鐵隧道工程中得到廣泛應用[2]。

冷媒溫度對凍結(jié)壁厚度有著顯著影響，是凍結(jié)工程中最重要的參數(shù)之一。Semin等[3]通過現(xiàn)場實測得到了鹽水溫度和地面溫度對土體溫度的影響規(guī)律。Choi等[4]開展液氮凍結(jié)室內(nèi)試驗，得到了韓國海相黏土熱力學特性。上述研究均基于CaCl2鹽水、液氮等常用冷媒。在化工醫(yī)藥、新材料等高科技研發(fā)領(lǐng)域，以冰河冷媒(凝固點-118 ℃)、二氟氯乙烷(沸點-10 ℃，凝固點-131 ℃)等為代表的新型冷媒已經(jīng)得到廣泛應用[5]。這些新型冷媒與CaCl2鹽水相比凝固點低、腐蝕性弱；與液氮相比成本低、控溫容易，在人工凍結(jié)法中具有良好的應用前景。

修建地鐵聯(lián)絡通道時，特別是當存在環(huán)境條件限制、施工工期緊張等制約因素時，采用超低溫冷媒快速凍結(jié)是地層加固的有效手段[6]。改變冷媒溫度對提高凍結(jié)效果、節(jié)省工期、保證施工安全具有重要意義。據(jù)此，本文以杭州地鐵6號線一期工程之江海洋公園站—振浦路站區(qū)間2# 聯(lián)絡通道凍結(jié)工程為背景，研究應用新型冷媒改變冷媒溫度對聯(lián)絡通道凍結(jié)效果的影響。

1 工程概況

1.1 聯(lián)絡通道概況

杭州地鐵6號線一期工程之江海洋公園站—振浦路站區(qū)間為地下盾構(gòu)區(qū)間，本區(qū)間主要下穿錢塘江，在錢塘江兩側(cè)分別下穿楓樺東路和濱文路。區(qū)間起終點里程為YDK8+503.000～YDK11+248.000，區(qū)間于錢塘江兩側(cè)設(shè)江南風井和江北風井。YDK10+2 225處設(shè)置2# 聯(lián)絡通道，該聯(lián)絡通道距離江北風井約595 m。區(qū)間隧道采用混凝土管片；聯(lián)絡通道處采用復合管片，即混凝土管片和鋼管片相結(jié)合的襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)。區(qū)間隧道與聯(lián)絡通道交界處設(shè)四環(huán)開口襯砌環(huán)特殊鋼管片。隧道內(nèi)采用水平凍結(jié)法加固地層，礦山暗挖法施工聯(lián)絡通道。聯(lián)絡通道采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護與二次襯砌之間設(shè)置防水層。聯(lián)絡通道設(shè)計凈寬為20 m，凈高2.50 m。聯(lián)絡通道凍結(jié)帷幕如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

之江海洋公園站—振浦路站區(qū)間2# 聯(lián)絡通道通過的土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、含砂粉質(zhì)黏土層。為保證施工期間土體的穩(wěn)定，需要事先對通道周圍土體進行加固，采用冷凍法對聯(lián)絡通道處地層進行加固。

圖1 聯(lián)絡通道凍結(jié)帷幕設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of freezing curtain of cross passage

1.3 凍結(jié)加固方案

2#聯(lián)絡通道內(nèi)布置凍結(jié)孔92個，通過4個透孔對隧道內(nèi)對側(cè)凍結(jié)孔及冷凍排管供冷。

凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計為2.2 m，平均溫度小于10 ℃，凍結(jié)壁與管片交界面平均溫度≤-5 ℃，預計積極凍結(jié)時間為45 d。凍結(jié)孔、測溫孔及凍結(jié)帷幕的布置如圖2所示。

2 數(shù)值模型建立

2.1 冷媒溫度

傳統(tǒng)的人工凍結(jié)法施工采用CaCl2鹽水作為冷媒，當質(zhì)量分數(shù)為27.5%時，CaCl2鹽水凝固點最低可達到-38.6 ℃。冰河冷媒、二氟氯乙烷等新型冷媒凝固點最低可達-131 ℃。以現(xiàn)場實測鹽水溫度曲線作為-28 ℃冷媒溫度曲線，另外依據(jù)新型冷媒沸點、凝固點建立-50 ℃、-80 ℃、-120 ℃等3個冷媒溫度曲線，共4種冷媒溫度，如圖3所示。

a 立面圖

b 剖面圖圖2 聯(lián)絡通道凍結(jié)孔、測溫孔布置圖Fig.2 Layout of freezing holes and temperature measuring holes in the cross passage

圖3 冷媒溫度曲線Fig.3 Refrigerant temperature curve

2.2 建立模型

利用COMSOL有限元軟件建立聯(lián)絡通道中點處和兩側(cè)隧道開孔處3個斷面的二維模型，其中聯(lián)絡通道、凍結(jié)管按照實際尺寸設(shè)計。通常受到凍結(jié)管影響的土體范圍為外側(cè)凍結(jié)管向外延伸3～5倍凍結(jié)壁厚度，一般不會超過外圈凍結(jié)管外側(cè)凍結(jié)壁厚度的5～8倍?？紤]到原型工程中隧道外徑6.2 m，隧道中心埋深19.939 m，兩隧道中心連線12 m，設(shè)計凍結(jié)壁厚度2.2 m，以豎直方向上隧道中心向下30.255 m處作為模型的下邊界，隧道中心向上16.939 m處地表作為模型上邊界；模型左、右邊界均距聯(lián)絡通道軸線方向隧道中心30 m。

采用固體傳熱模塊研究冷媒溫度對聯(lián)絡通道凍結(jié)效果的影響。模型采用自由三角形網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量約為7.6萬個，有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。

在模型上邊界、下邊界、左邊界、右邊界施加熱絕緣邊界。模型的上邊界為自由邊界，左邊界、右邊界為輥支承邊界，下邊界施加固定約束。模型初始地溫取20 ℃。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Finite element meshing diagram

3 數(shù)值模擬結(jié)果

以聯(lián)絡通道中點處截面為例，預計積極凍結(jié)時間45 d時溫度場云圖如圖5所示。

由圖5可以看出，凍結(jié)加固45 d后，通入4種不同溫度冷媒的凍結(jié)管均達到凍結(jié)壁交圈，在聯(lián)絡通道外形成封閉的凍結(jié)帷幕。由于聯(lián)絡通道各側(cè)凍結(jié)管布置數(shù)量、間距有較大差別，上下兩側(cè)凍結(jié)壁厚度明顯厚于左右兩側(cè)，符合設(shè)計思路。對比不同溫度曲線下的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷媒溫度的下降，內(nèi)外圈凍結(jié)壁的厚度明顯增長，凍結(jié)壁溫度明顯下降，凍結(jié)效果顯著提高。

3.1 理論計算值與實測推算對比

選取凍結(jié)加固45 d時左側(cè)凍結(jié)壁進行凍結(jié)壁平均溫度理論計算值與實測推算對比。理論計算值根據(jù)考慮附加溫度的單排管平均溫度“成冰”公式計算[7]，見公式(1)；實測值以測溫孔實測值為依據(jù)，用作圖法推算。

(1)

其中，tcp為凍結(jié)壁平均溫度，℃；tc為凍結(jié)管外壁溫度，℃；l為凍結(jié)管間距，m；E為凍結(jié)壁厚度，m；ts為附加溫度，℃。

圖5 冷媒凍結(jié)溫度云圖對比Fig.5 Temperature nephogram comparison

“成冰”公式計算中，依據(jù)工程實際，凍結(jié)管外壁溫度取-28 ℃，凍結(jié)管間距取0.5 m，左側(cè)凍結(jié)壁厚度參考數(shù)值模擬結(jié)果取2.8 m，附加溫度依據(jù)類似工程經(jīng)驗取-2.0 ℃，計算得到左側(cè)凍結(jié)壁平均溫度為-12.377 ℃。作圖法推算中，選取C1、C2測溫孔作圖計算截面平均溫度，凍結(jié)45 d時，C1實測溫度為-10.7 ℃，C2溫度為-20.6 ℃，推算得出左側(cè)凍結(jié)壁溫度為-12.321 ℃。理論計算值與實測推算值接近，表明工程實測的數(shù)據(jù)是可信的。

3.2 數(shù)值模擬與測溫孔實測對比

在兩側(cè)隧道開孔處截面選取有代表性的3個測溫孔溫度數(shù)據(jù)進行實測與數(shù)值模擬對比，結(jié)果如圖6所示。3個測溫孔的實測值與數(shù)值模擬值溫度曲線走向相同，降溫速率相近，溫差不超過2 ℃，表明本次數(shù)值模擬的結(jié)果是可信的。

圖6 測溫孔實測值與數(shù)值模擬溫度曲線對比Fig.6 Comparison between measured value of temperature measuring hole and numerical simulation temperature curve

3.3 冷媒溫度對聯(lián)絡通道凍結(jié)效果的影響

以聯(lián)絡通道中點處截面為例，比較不同冷媒溫度下4個監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)，如圖7所示。

由圖7可看出，凍結(jié)開始前15 d，溫度曲線接近重合，不同冷媒溫度下的監(jiān)測點溫度差距不大；15 d 以后， 監(jiān)測點溫度曲線間距開始變大， 冷媒溫度對監(jiān)測點處土體溫度有著顯著影響。這是由于在凍結(jié)初期，最終溫度不同的冷媒均從20 ℃開始逐漸下降，前期各冷媒溫差較小，與土體的熱交換程度相近，尤其是在土體達到0 ℃時，土體內(nèi)水相變吸熱，各溫度曲線均較為平緩；在凍結(jié)中后期，冷媒溫差變大，冷媒與土體熱交換劇烈，冷媒溫度越低，土體溫度下降越快，土體最終溫度越低。

圖7 監(jiān)測點溫度對比Fig.7 Temperature comparison of monitoring points

以聯(lián)絡通道中點處截面為例，比較不同冷媒溫度下凍結(jié)壁厚度和平均溫度，如圖8、圖9所示。

由圖8可以看出，凍結(jié)5 d后，聯(lián)絡通道各側(cè)開始形成凍結(jié)壁，凍結(jié)壁形成初期厚度曲線增長較快，中后期趨于平緩。這是由于凍結(jié)管是基于2 200 mm凍結(jié)壁設(shè)計厚度布置的，當凍結(jié)壁厚度發(fā)展超過設(shè)計厚度，凍結(jié)管對設(shè)計厚度以外土體溫度的影響能力減弱。對比不同冷媒溫度下的凍結(jié)壁厚度發(fā)展曲線可知，冷媒溫度越低凍結(jié)壁厚度發(fā)展速率越快。相較于傳統(tǒng)冷媒，新型冷媒凍結(jié)時，各側(cè)凍結(jié)壁厚度達到設(shè)計要求的時間縮短了3～20 d。

由圖9可以看出，凍結(jié)10 d后，凍結(jié)壁溫度變化呈先急后緩的發(fā)展趨勢。這主要是由于凍結(jié)前期冷媒與土體溫差大，熱交換劇烈，土體溫度下降較快；凍結(jié)中后期，溫差減小，凍土溫度下降速率降低。對比不同冷媒溫度下的凍結(jié)壁平均溫度發(fā)展曲線可知，冷媒溫度越低凍結(jié)壁平均溫度下降速率越快。相較于傳統(tǒng)冷媒，新型冷媒凍結(jié)時，各側(cè)凍結(jié)壁平均溫度達到設(shè)計要求的時間縮短了5～13 d。在凍結(jié)后期，傳統(tǒng)冷媒凍結(jié)的凍結(jié)壁溫度已不再下降，而新型冷媒凍結(jié)的凍結(jié)壁溫度仍處于下降的趨勢。根據(jù)相關(guān)試驗獲得的規(guī)律可知[8]，凍結(jié)壁抗壓強度還將進一步增長。

4 結(jié)論

本文以杭州地鐵6號線一期工程之江海洋公園站—振浦路站區(qū)間2# 聯(lián)絡通道凍結(jié)施工為例，建立傳統(tǒng)冷媒和新型冷媒的人工凍結(jié)溫度曲線，利用COMSOL有限元軟件，研究了冷媒溫度對聯(lián)絡通道凍結(jié)效果的影響，得到以下結(jié)論：

圖8 凍結(jié)壁厚度對比Fig.8 Comparison of frozen wall thickness

圖9 凍結(jié)壁平均溫度對比Fig.9 Comparison of average temperature of frozen wall

(1)凍結(jié)加固45 d后，4種不同冷媒溫度凍結(jié)均達到凍結(jié)壁交圈，在聯(lián)絡通道外形成封閉的凍結(jié)帷幕。研究結(jié)果顯示，隨著冷媒溫度的下降，內(nèi)外圈凍結(jié)壁的厚度明顯增長，凍結(jié)壁溫度明顯下降，凍結(jié)效果顯著提高。

(2)凍結(jié)前期，不同冷媒溫度下監(jiān)測點溫度差距不大；凍結(jié)中后期，冷媒溫度對監(jiān)測點處土體溫度具有顯著影響。新型冷媒與土體始終保持著較大溫差，有利于土體溫度的持續(xù)下降。

(3)冷媒溫度越低凍結(jié)壁厚度發(fā)展速率越快。相較于傳統(tǒng)冷媒，新型冷媒凍結(jié)時，各側(cè)凍結(jié)壁厚度達到設(shè)計要求的時間縮短了3～20 d。

(4)相較于傳統(tǒng)冷媒，新型冷媒凍結(jié)時，各側(cè)凍結(jié)壁平均溫度達到設(shè)計要求的時間縮短了5～13 d。且凍結(jié)后期，新型冷媒凍結(jié)的凍結(jié)壁溫度仍在下降，凍結(jié)壁抗壓強度還將進一步增長。