交疊車站下穿段MJS加固溫度場變化規(guī)律研究

戴逸飛， 楊 平， 王 寧， 婁 寅， 馮俊青

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2.南京地鐵集團建設(shè)公司，江蘇 南京 210008； 3.中鐵三局華東分公司，江蘇 南京 210037)

隨著軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，單獨采用MJS(metro jet system)工法或人工凍結(jié)法已在國內(nèi)外各類工程應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗[1-3]，并有大量人工凍土力學(xué)特性及水熱耦合方面的研究[4-9]。但MJS工法與人工凍結(jié)法的聯(lián)合加固在地鐵隧道工程中的應(yīng)用則剛剛開始[10]，其中對于MJS加固體溫度場發(fā)展規(guī)律的研究很少。

MJS工法施工的水泥土?xí)a(chǎn)生大量水化熱，MJS加固體溫度場及溫度高低將直接影響水平凍結(jié)效果。采用此聯(lián)合加固法施工時，MJS加固區(qū)溫度場變化尤為復(fù)雜。盡管目前國內(nèi)外對普通水泥土的特性已有廣泛的研究[11-13]，但有關(guān)MJS加固區(qū)水化熱溫度場變化及其發(fā)展規(guī)律尚不清楚，也缺乏這方面的研究，而加固后水化熱溫度變化情況是確定凍結(jié)法開凍時機的重要依據(jù)，該問題亟待解決。

本文以南京新建地鐵7號線站臺層部分單層段需近距離下穿上部既有車站為背景， 通過實測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究下穿段在此加固方案下溫度場的發(fā)展及變化規(guī)律，為南京地鐵中勝站下穿工程及今后類似工程的施工提供參考。

該工程結(jié)構(gòu)采用地下二層(局部三層)島式車站，近穿段距10號線既有站底底板僅0.6 m，施工風(fēng)險極大?；娱L270 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.9 m，開挖深度標(biāo)準(zhǔn)段約20.96 m。車站主體采用1 000 mm的地下連續(xù)墻(+內(nèi)支撐)進行基坑支護，地連墻入巖1 m，兼做止水帷幕，全封閉疏干降水。地鐵站位于南京河西長江漫灘地區(qū)，地下水主要為潛水及承壓水，承壓水水頭埋深在地面下2.60～3.20 m，承壓含水層常年有水。

為有效防止涌水的同時控制既有車站的沉降，確保10號線既有中勝站營運安全，經(jīng)方案比選確定下穿段采用“山”字形水平MJS加固+水平凍結(jié)止水+CRD暗挖法密貼施工方案。針對該工程在承壓富水砂層交疊車站下穿的情況，擬采用MJS工法+人工水平凍結(jié)法進行聯(lián)合加固施工。

1 下穿段MJS加固方案

下穿暗挖段采用92根水平MJS樁進行加固，以形成一個“山”字形MJS加固區(qū)域，“山”字形兩側(cè)及底部加固區(qū)域厚度為2 m，中部加固區(qū)域厚3.4 m，水平加固長度貫穿整個交疊車站下穿段，為17.0～27.0 m。為了最大限度地形成封閉帷幕，靠近既有線底板位置處采用全圓樁加固(水泥摻量55%，樁徑1.5 m)，共8根。為保證現(xiàn)場實際施工過程中MJS樁位搭接，降低不均勻加固概率，其他部位采用半圓(水泥摻量60%，樁徑2.6 m)，搭接長度2 m，樁心間距0.6 m，共計84根。MJS工法各樁位置如圖1所示，其中粗線表示MJS工法樁設(shè)計加固區(qū)域。在施工過程中共設(shè)計布置9個MJS水化熱測溫孔，其中T1、T2、T3、T4、T5為新布置的MJS水化熱測溫孔，C3、C4、C5、C15為與凍結(jié)測溫共用的測溫孔。

表1 模型材料參數(shù)表Table 1 Model material parameter table

圖1 MJS工法樁位置示意圖Figure 1 Schematic diagram of MJS construction method pile position

2 MJS水化熱溫度場數(shù)值模擬

2.1 三維有限元模型及數(shù)值模擬方法

為模擬MJS先后施工順序，將“山”字形MJS加固區(qū)劃按施工先后劃分為4塊區(qū)域如圖2所示，Ⅰ區(qū)(左側(cè)豎墻)，Ⅱ區(qū)(中間豎墻)，Ⅲ區(qū)(右側(cè)豎墻)和Ⅳ區(qū)(底部橫墻)，并按各分區(qū)內(nèi)MJS樁編號施工順序與開始時間完整地模擬施工順序與時間。采用帶相變瞬態(tài)導(dǎo)熱模型和有限元軟件ADINA 進行溫度場的建模計算。

圖2 MJS加固區(qū)模擬簡化及MJS樁合并劃分Figure 2 Schematic diagram of simplified simulation of MJS reinforcement area and merged division of MJS piles

根據(jù)文獻[14]，溫度變化對土體及材料參數(shù)會有影響，但在模擬的溫度范圍內(nèi)影響微小，因此本工程模擬中假定土體參數(shù)不隨溫度變化。 模型中MJS水泥土和原狀粉細(xì)砂土參數(shù)由室內(nèi)試驗獲得，各參數(shù)如表1所示。

數(shù)值模擬基本假定如下：①假定計算范圍內(nèi)土體和水泥土為均質(zhì)、各向同性熱傳導(dǎo)材料；②假定土體中不同位置初始溫度均為20 ℃，水泥土加固區(qū)溫度與初始地溫(20 ℃)相同；③假定導(dǎo)熱物質(zhì)密度ρ、比熱容C、導(dǎo)熱系數(shù)λ均為常量；④內(nèi)熱源為水泥土中水泥水化產(chǎn)生的水化熱，以生熱率形式施加，單位為kJ/(h·m3)，按水化放熱速率換算；⑤忽略溫度場計算中地下水滲流、水分遷移影響。

根據(jù)文獻[15]，通常將邊界區(qū)域范圍取為隧道截面的3～5倍，考慮到邊界效應(yīng)，模型上邊界取至10號線車站底板，模型整體幾何尺寸為縱向長度(X軸方向)×橫向長度(Y軸方向)×豎向長度(Z軸方向)=52 m×60 m×44 m，模型各部分尺寸均與實際工程保持一致。交疊車站下穿暗挖段大部分處于粉細(xì)砂層中，因此考慮MJS水泥土加固對透水粉細(xì)砂層的影響，擬定除聯(lián)合加固范圍外的土體均為粉細(xì)砂層。由于MJS樁體的打設(shè)時間各不相同，且樁體之間相互交疊，在建立幾何模型時，將各MJS樁體形狀轉(zhuǎn)化為規(guī)則的長方體，并對打設(shè)時間相近的MJS樁體進行合并，以簡化數(shù)值模擬計算，同時可實現(xiàn)模擬現(xiàn)場實際施工順序，MJS加固區(qū)簡化及劃分如圖2所示。

模型邊界條件：對不與空氣接觸且遠(yuǎn)離下穿段加固區(qū)的邊界不進行約束(設(shè)置為絕熱邊界)；對與空氣接觸的邊界，設(shè)置為對流邊界。計算模型的邊界條件如圖3所示。MJS水化熱溫度場數(shù)值模型采用4節(jié)點四面體單元，熱對流邊界采用4節(jié)點四邊形單元。單元網(wǎng)格劃分時對MJS加固區(qū)及其內(nèi)部粉砂層進行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，該處網(wǎng)格劃分密度為0.1 m，既有10號線結(jié)構(gòu)與新建7號線地連墻的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分密度為0.5 m，加固區(qū)外部粉砂層劃分密度為1 m。最終MJS水化熱溫度場數(shù)值模擬有限元模型如圖4所示，模型共劃分28 896 873個單元。

圖3 整體幾何模型及邊界條件圖(mm)Figure 3 Overall geometric model and boundary condition diagram(mm)

圖4 單元網(wǎng)格劃分Figure 4 Model meshing

2.2 數(shù)值模擬與實測對比驗證

為驗證數(shù)值模擬計算的合理性與準(zhǔn)確性，將MJS水化熱的現(xiàn)場實測溫度數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比。為此選取幾何模型中與T1測溫孔中各測點位置對應(yīng)的模型節(jié)點，繪制各節(jié)點溫度時間曲線與實測對比，如圖5所示，其中3、4測點實測值不全是由于監(jiān)測后期3、4測點被現(xiàn)場施工破壞所致。

T1位于山字體邊墻頂部，主要受1#MJS樁體水化熱影響，對自1#樁施工完成后第10天至157天的水化熱溫度進行實測。由圖5可見，T1測溫孔各測點的溫度整體均呈下降趨勢，溫度下降平緩，說明大量水化熱已在MJS樁體施工完成后10 d內(nèi)釋放完畢，故可以推斷MJS樁體水化熱將在施工完成后10 d內(nèi)溫度達到最高。內(nèi)部測點整體呈負(fù)指數(shù)冪函數(shù)形式下降(擬合公式為T=136.6t-0.35，R2=0.951 5)，降溫速率先快后慢。

圖5表明，加固體內(nèi)部實測與模擬值平均溫差基本維持在4 ℃以下，其中T1-2測點前期時段相差不大，且兩者總體降溫趨勢保持一致，故可以推斷數(shù)值模擬結(jié)果與實測規(guī)律吻合性較好。后續(xù)將利用此數(shù)值模擬計算結(jié)果進一步研究MJS水化熱溫度場發(fā)展及變化規(guī)律。

圖5 T1測孔實測與模擬值溫度時間變化曲線對比Figure 5 T1 temperature time curve of measured and simulated values of different temperature measuring holes

2.3 水化熱溫度場數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 溫度場分析剖面與路徑設(shè)定

在計算模型中共設(shè)置5個剖面和5條溫度分析路徑，如圖6、7所示。

圖6 剖面位置示意圖Figure 6 Schematic diagram of the section position

圖7 溫度分析路徑示意圖Figure 7 Schematic diagram of temperature analysis path

2.3.2 溫度空間分布及最高溫度分析

為研究水化熱溫度場最高溫度變化情況，提取剖面4處進行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬時間自第一根MJS樁體施工完成時間開始，模擬時間累計計算，不同數(shù)值模擬時間下剖面4處最高溫度如表2所示。

由表2可知，剖面4處在MJS施工完成后第1天最高溫度為80.01 ℃(Ⅱ區(qū)樁體施工完成后第1天)，而施工完成后第5天最高溫度仍出于同一節(jié)點，故可推斷該點為整個水化熱溫度場所產(chǎn)生的最高溫度點，將此點命名為T-max(如圖2所示)。

表2 不同時間剖面4處水化熱最高溫度Table 2 Maximum temperature of heat of hydration at 4 locations at different time profile

由圖8各節(jié)點溫度時間變化曲線可知，T-max節(jié)點在5#樁開始水化放熱前初始溫度已達59.59 ℃，且其之前溫度呈臺階式上升，這是因為其周圍樁體水化放熱所致，臺階式上升則表示其周圍樁體逐個開始水化放熱。

圖8 各節(jié)點溫度時間變化曲線Figure 8 Temperature time curve of each node

T-max節(jié)點在5#樁開始水化放熱后的第3天達到最高溫度80.07 ℃，即整個MJS水化熱溫度場所產(chǎn)生的最高溫度為80.07 ℃。L1-7和L3-15在其對應(yīng)樁體開始水化放熱前初始溫度均出現(xiàn)不同程度上升：L1-7在其對應(yīng)樁體水化放熱后的第8天達到最高溫度69.98 ℃；L3-15在其對應(yīng)樁體水化放熱后的第7天達到最高溫度69.52 ℃。各點達到最高溫度的時間有一定差異可能是由于各樁體的體積及所處的位置不同所導(dǎo)致，但整體基本均處于3～8 d內(nèi)，這與本次實測(MJS樁體水化熱在施工完成后10 d內(nèi)溫度達到最高)及以往MJS加固經(jīng)驗[16-17]相吻合。

在MJS樁體水化熱達最高溫度后，溫度呈負(fù)指數(shù)冪函數(shù)形式下降，降溫速度先快后慢。由降溫曲線推算降至初始地層溫度20 ℃需要約90 d。為定量分析各時間段溫度下降速率將其分成前、中、后3個階段：前期溫度下降速度較快，因此前期時間相對較短為30 d；30 d后其放熱速度明顯下降， 30 d至90 d定為中期；90 d之后降至初始地層溫度20 ℃，定義為后期。

表3為各節(jié)點實測溫度變化參數(shù)統(tǒng)計表，其中括號內(nèi)數(shù)字為達到表內(nèi)溫度時，水化熱的天數(shù)。由圖8及表3可知，單根MJS樁體前期降溫速率為中期的3倍。Ⅲ區(qū)加固體(L3-15)前期降溫速率約為Ⅱ區(qū)(L1-7)的1.4倍，中后期則基本保持一致，這是因為“山”字形加固體左右兩側(cè)豎墻與外界土體相接觸，熱交換更明顯，而中間豎墻僅與內(nèi)側(cè)開挖區(qū)土體相接觸，且中間豎墻加固區(qū)(4 m)比左右兩側(cè)(2.5 m)厚。Ⅱ、Ⅲ區(qū)加固體中后期降溫速率未保持一致，這是因為受數(shù)值模擬假定影響，實際土體是不均勻非連續(xù)體，且未考慮水分遷移的影響，導(dǎo)致中期降溫速率更高，后期降溫速率更低。

表3 各節(jié)點溫度變化參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Statistics of temperature change parameters of each node

從圖8看出，T-max節(jié)點雖溫度最高，但其降溫速度最快，這是因為T-max節(jié)點位于Ⅱ區(qū)加固體頂部，貼近既有車站底板，此處與外部熱對流明顯，散熱更快，故可以推斷貼近既有車站底板處中期降溫速率為后期的2倍，這與實測結(jié)論一致。且其前期降溫速率為豎向加固區(qū)中部的2.5倍，但其最終降溫速率高于0.11 ℃/d，這是因為在數(shù)值模擬過程中直接將天氣溫度荷載施加在既有車站底板與空氣接觸面上，而在實際工程中此處空氣為有10號線軌道運行處，此處空氣溫度與天氣溫度仍有一定差距。

2.3.3 溫度場豎向溫度變化規(guī)律

選取豎向路徑1和路徑2不同時間的溫度空間分布進行研究，如圖9所示。

由圖9(a)可知，路徑1的溫度變化規(guī)律是水泥加固體內(nèi)溫度最高值逐漸向兩側(cè)遞減，加固體內(nèi)最高溫度位置隨時間推移逐步向下轉(zhuǎn)移，最終移至Ⅱ區(qū)加固體中心位置，且溫度逐漸降低。由圖9中點劃線可以看出：越靠近既有車站底板溫度下降越快，頂部降溫速率約為中部降溫速率的2.5倍。如圖9(b)所示，路徑2土體溫度變化規(guī)律為水泥加固體內(nèi)溫度最高值L2-9(Ⅳ區(qū)加固體豎向中心位置)逐漸向兩側(cè)遞減，且最高溫度位置始終保持不變。這是由于加固體內(nèi)側(cè)開挖區(qū)土體同時受其周圍3部分水泥加固體水化放熱影響，溫度均產(chǎn)生一定程度升高。

圖9 路徑1、2不同時間溫度空間變化曲線Figure 9 Temperature spatial variation curve of paths 1 and 2 at different time

總體來說，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)加固體對下部土體溫度的影響范圍同樣隨時間推移逐步擴大。 但Ⅳ區(qū)較Ⅱ區(qū)同一時間影響范圍更小，故可以推斷MJS加固體對底部外側(cè)土體的溫度影響范圍在90 d后趨于穩(wěn)定(Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)對應(yīng)MJS樁體施工完成約90 d)，且MJS加固范圍越大對周圍土體溫度的影響范圍也越大。

2.3.4 溫度場橫向溫度變化規(guī)律

選取路徑3、4及剖面4對橫向溫度變化規(guī)律進行研究。路徑3和路徑4不同時間的溫度空間分布如圖10所示。

由圖10(a)可知，路徑3土體溫度呈波形分布，兩處波峰均位于“山”字形豎向加固體處，在遠(yuǎn)離右側(cè)豎墻位置溫度逐漸下降。Ⅲ區(qū)加固體對右側(cè)土體溫度的影響范圍隨時間推移逐步擴大，在第209天(即該處MJS完成后105 d)時溫度影響范圍達4.5 m，且基本穩(wěn)定。圖10(b)表明，路徑4土體溫度同樣呈波形分布。在105 d時，未受水化熱影響的土體溫度同步上升。這是因為105 d對應(yīng)實際工程中的8月28日，此時天氣溫度較高，貼近既有車站底板處的土體溫度受外界熱對流影響較大。

圖10 路徑3、4不同時間溫度空間變化曲線Figure 10 Temperature spatial variation curve of paths 3 and 4 at different time

總體來說，MJS加固體對右側(cè)土體的溫度影響范圍在全部樁體施工完成(105 d)后90 d趨于穩(wěn)定，越靠近既有車站底板(路徑4)影響范圍越??；在貼近既有車站底板處，水泥加固體越厚，降至初始地層溫度的時間越長，降溫速率越快(路徑4中間豎墻處)。

為進一步研究貼近既有車站底板處溫度場分布及變化情況，提取剖面2處101、130、159、234 d的溫度分布云圖進行分析，如圖11所示。

由圖11可知，在貼近既有車站底板處最高溫度未出現(xiàn)在中軸線處，而是出現(xiàn)在其兩側(cè)端部，這是因為在既有10號線結(jié)構(gòu)與新建7號線地墻之間存在0.6 m的原狀土夾層。貼近既有車站底板處溫度云圖在101、130、159、234 d(即開始水化放熱后的第50、79、108、183天)的最高溫度分別為71.57、55.83、42.18、22.15 ℃，與中部斷面處的最高溫度溫差各時間段分別為9、13、14、20 ℃，溫差逐漸變大，故可以推斷在靠近既有車站底板處熱對流劇烈，降溫速率更快。

圖11 不同時間剖面2處溫度場分布云圖(℃)Figure 11 Cloud diagram of temperature field distribution at 2 locations at different time profiles(℃)

2.3.5 溫度場縱向溫度變化規(guī)律

選取路徑5及剖面2對縱向溫度變化規(guī)律及地墻與MJS水泥土界面處溫度場分布進行研究。路徑5的不同時間溫度空間分布如圖12所示,其中52、59、 66、81、111、234 d分別對應(yīng)開始水化放熱后的第1、8、15、30、60、183天。

圖12 路徑5不同時間溫度空間變化曲線圖Figure 12 Temperature spatial variation curve of path 5 at different time

由圖12可知，水化熱溫度場沿縱向方向溫度呈對數(shù)函數(shù)形式上升，升溫速度先快后慢，和距地連墻與加固體交界面處距離大于3 m的水泥土溫度基本保持一致。以此可以推斷：外界溫度及熱對流僅對距地連墻0～3 m內(nèi)的水泥土水化熱產(chǎn)生影響，且距交界面越近影響越大，水化熱散熱越快。交界面處的溫度下降速率緩慢且保持穩(wěn)定，約為0.10 ℃/d，與實測數(shù)據(jù)降溫速率(0.12 ℃/d)接近。交界面處與內(nèi)部土體的溫差呈先減小后擴大的趨勢。

為進一步研究地墻與水泥土交界面處溫度變化情況，提取剖面5處101、130、159、189、209、234 d的溫度(即開始水化放熱后的第50、79、108、138、158、183天)分布云圖(圖13)進行分析。

由圖13可知，交界面處溫度最高點最終并未轉(zhuǎn)移至Ⅱ區(qū)加固體中心(即整個加固體中心位置)，而是出現(xiàn)在剛開始水化放熱的樁體位置，全部樁體施工完成后逐漸向最后施工區(qū)域的加固體中心位置轉(zhuǎn)移。這是因為交界面處的溫度散熱條件相同，主要均受外界熱對流影響，且影響遠(yuǎn)大于內(nèi)部加固體與周圍土體的熱交換。

圖13 不同時間剖面5處溫度場分布云圖(℃)Figure 13 Cloud diagram of temperature field distribution at 5 locations at different time profiles(℃)

2.3.6 開凍時機分析

由上述分析可知，MJS群樁加固體溫度在3～8 d內(nèi)達到最高，在此之后呈負(fù)指數(shù)冪函數(shù)形式下降，且在30 d后平均降溫速率基本保持一致，60 d后加固體溫度大概在40 ℃左右，且各位置處降溫速率均保持平緩，而人工凍結(jié)法可以適應(yīng)該溫度。為保證MJS加固效果，并考慮MJS水化熱對其不利的影響、最終凍結(jié)加固效果及縮短整體施工工期，建議在MJS樁體全部施工完成60 d后即可開始進行凍結(jié)加固。

3 結(jié)論

(1)MJS水化熱溫度場數(shù)值模擬溫度結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，總體趨勢一致,且平均溫差基本維持在4 ℃以下，驗證了本文數(shù)值模擬計算的合理性與準(zhǔn)確性。

(2)MJS樁體施工完成后第3天到第8天內(nèi)達到最高溫度，MJS樁體布置越密集、施工完成時間越接近、加固范圍越大，在群樁加固體中心產(chǎn)生的溫度越高、自然降溫條件下前期降溫速率越緩。

(3)MJS樁體水化放熱達最高溫度后，溫度呈負(fù)指數(shù)冪函數(shù)形式下降，降溫速度先快后慢。單根MJS樁體前期降溫速率為中期的3倍；兩側(cè)豎墻前期降溫速率約為中間豎墻的1.4倍，中后期保持一致；貼近既有車站底板處中期降溫速率為后期的2倍，且其前期降溫速率為豎向加固區(qū)中部的2.5倍。

(4)MJS加固體對周圍土體溫度的影響范圍隨時間推移逐步擴大，在各區(qū)樁體施工完成90 d后穩(wěn)定。距水泥土加固區(qū)越近，土體溫度越高；MJS加固范圍越大，對周圍土體溫度的影響范圍越大。

(5)結(jié)合既有MJS加固體水化放熱規(guī)律及強度研究，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果考慮不同時間下水化熱溫度場分布情況，建議今后類似工程MJS加固完成后第60天為最佳開凍時機。