高承壓富含水層人工強制解凍溫度場數(shù)值分析

陳 成，楊 平，張 婷

(南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京210037)

0 引言

盾構法長距離掘進中容易出現(xiàn)盾尾鋼絲刷磨損銹蝕而失去其密封作用，從而需要進行更換.凍結法形式靈活，適應復雜的地質條件，加固體均勻完整［1－4］，對環(huán)境影響小在盾尾刷更換中具有廣闊的應用前景.

凍土自然解凍速度非常緩慢，強制解凍能顯著的加快凍土解凍速度.人工強制解凍利用熱水加熱系統(tǒng)通過熱水和凍土體的溫度交換加快凍土體的解凍，所需設備簡單，施工經濟安全［5－9］.筆者借助大型有限元軟件ADINA建立人工強制解凍三維模型，對杭州慶春路過江隧道更換盾尾刷人工強制解凍溫度場進行計算分析.

1 工程概況

杭州慶春路錢塘江過江隧道采用大型泥水加壓式盾構進行推進，其中右線盾構段長1765.72 m，右線盾構隧道出現(xiàn)漏漿，伴隨油脂、同步注漿漿液和少量砂礫的泥漿被擠出.分析原因系盾尾密封失效，通過對盾尾密封系統(tǒng)進行檢查分析，決定采用更換并增加盾尾刷的措施進行處理，以保證后續(xù)盾構的安全掘進.

盾構隧道上覆層深度22.9 m左右，主要為粉、砂性土層，受錢塘江沖刷作用，呈現(xiàn)中間薄南北兩側略厚.隧道掘進段主要為孔隙承壓水，賦存于下部⑦層、⑧層砂及圓礫、卵石層內，實測承壓水壓力為0.3 MPa，為此采用液氮凍結進行盾尾密封加固，其測溫孔布置見圖1.

圖1 測溫孔布置斷面圖Fig.1 Section and elevation of temperature measurment hole’s laying

2 數(shù)值計算模型

2.1 幾何模型

根據(jù)對稱性，3-D模型取1/4杭州慶春路錢塘江過江隧道的實際尺寸進行計算.根據(jù)受到凍結影響半徑的范圍為凍結圈布置半徑的5倍原則，3-D模型取隧道管片一周厚度5 m的扇形土體，沿隧道走向取6 m(為3環(huán)管片寬度).管片厚度按實際尺寸取0.5 m厚度.實際工程中解凍熱盤管采用內徑為φ40×4的不銹鋼管，解凍管共設5根，在凍結管中心布置1根，兩側分別布設3根和1根，相鄰熱盤管間距為0.3 m，但考慮到解凍熱盤管的保溫，模型中以原凍結孔為中心取寬度1.2 m厚0.1 m的環(huán)形加熱區(qū).幾何模型如圖2所示.

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

2.2 參數(shù)選擇

在人工強制解凍溫度場計算過程中，為了獲取土體等材料的基本熱物理參數(shù)，如土體的導熱系數(shù)、容積熱容量、相變潛熱等，需要在現(xiàn)場取土在實驗室中得出數(shù)據(jù)，本文有限元模型土體導熱系數(shù)和容積熱容量采用了杭州地區(qū)典型土層熱物理參數(shù)的研究結果進行計算.

2.3 數(shù)學模型與邊界條件

傳熱的基本形式有熱傳導、熱對流和熱輻射，液氮凍結土體的過程是非穩(wěn)態(tài)的、沒有內熱源的過程，可以得出模型的三維導熱方程為

人工強制解凍溫度場計算時主要施加的荷載為：

(1)隧道內空氣與管片之間為散熱邊界，液氮解凍期間隧道內的環(huán)境溫度基本維持在28℃左右，取該溫度施加在管片內壁作為溫度荷載，混凝土管片的導熱系數(shù)取2.94 W/(m·℃)，容積熱容量取1 040 J/(kg·℃).

(2)土體及管片采用凍結期間的荷載作為解凍的初始荷載條件.

(3)解凍熱盤管中熱水循環(huán)溫度取70℃作為解凍溫度荷載.

2.4 土層參數(shù)選擇

計算用土層參數(shù)為杭州地區(qū)典型土層熱物理參數(shù)試驗參數(shù)，詳見表1

3 數(shù)值模擬計算結果與分析

3.1 數(shù)值模擬值與實測值比較

杭州慶春路過江隧道液氮凍結工程中，由于解凍時熱水箱溫度不是維持恒定不變的，且盾尾鋼板的傳熱導致解凍實測相變時間比數(shù)值模擬的相變時間要短，現(xiàn)比較測溫孔埋設位置的現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的解凍曲線，如圖3所示，兩者基本一致，數(shù)值模擬相變的時間較長，且拐點更加明顯.主要是由于實際工程中存在著循環(huán)熱水溫度不恒定，土體不是均質的各向同性體，以及地下高承壓水的不穩(wěn)定性等因素.同時數(shù)值模擬中的參數(shù)取值并沒有和凍結位置的土體參數(shù)完全吻合也是主要的影響因素.

表1 盾構穿越土層的主要熱物理指標Tab.1 The main physical and mechanical indicators of soil shield through

圖3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測值對比分析曲線Fig.3 The numerical simulation and actual values contrast analysis curve

3.2 溫度場隨時間變化

沿盾構推進方向，在凍結管兩側各取距離凍結管中心4.5，50和100 cm 3個節(jié)點對管片與土體接觸界面的溫度進行分析，為研究各測點在凍土完全解凍過程中的溫度變化規(guī)律，分別取總時間步長為240 h繪制其降溫曲線如圖4.

圖4 解凍5 d等溫線云圖Fig.4 Isotherms 5 days after thawing

圖5可以得出人工強制解凍的溫度變化主要分為3個階段，第一個階段為快速升溫階段，在軸面附近為48 h，而在凍土壁邊緣為24 h，在這個階段凍結區(qū)和降溫區(qū)的溫度隨著對流邊界和熱水循環(huán)盤管的影響而上升.距離原凍結管中心4.5 cm處(軸面處)初始溫度低，與解凍熱水的溫差大，升溫空間大，解凍期間溫度上升速率最快，表現(xiàn)在升溫曲線前期的斜率較大，在4個時間步內的升溫速率為2.22℃/h;距離凍結管中心50 cm處(即凍結壁邊緣處)節(jié)點溫度上升速率較快，但較之4.5 cm處曲線較平緩，在2個時間步內的升溫速率為0.137℃/h;距離凍結管中心100 cm處因處于非凍結區(qū)，所以節(jié)點溫度上升較慢，在5個時間步內的升溫速率為0.089℃/h.第二個階段為相變階段，圖中溫度維持在－1℃的平臺位置，隨著離軸面距離的增大，管片與土體接觸面的相變階段時間延長，4.5 cm處36 h，50 cm處為60 h;100 cm處因初始溫度處于未凍狀態(tài)，不存在相變階段.第三階段為溫度上升階段，此階段主要是依靠熱水盤管吸收凍土體中的冷量來實現(xiàn)的.

圖6給出了解凍時管片與土體接觸面上不同位置的溫度變化值，在凍結管中心兩側距離軸面越遠溫度越高.隨著解凍時間的延長，各節(jié)點進入正溫后溫度繼續(xù)升高，逐漸接近隧道的環(huán)境溫度.圖中左右兩側的溫度上升值不一致，主要是因為靠近盾尾鋼板前側熱水盤管布設為3根，提供熱量較多;盾尾后方熱水盤管只布設1根，熱量相比較少.

人工強制解凍目的是加速土體解凍，解凍溫度場的變化是一個復雜的問題，受解凍管中熱水溫度的影響，同時也受管片導熱性能的影響，自然解凍相對于人工強制解凍慢(見圖7).人工強制解凍60 h進入相變，相變歷經36 h;自然解凍84 h進入相變，相變歷經72 h.強制解凍大大縮短了解凍時間，有利于盾構機盡早繼續(xù)推進.

4 溫度場敏感性分析

4.1 導熱系數(shù)對溫度場的影響

導熱系數(shù)對人工強制解凍的影響主要反映在相變發(fā)生時和正溫階段，相變時間隨著導熱系數(shù)的增大而延長，相變結束后正溫階段溫度隨著導熱系數(shù)的減小而增大，這與土體中溫度的變化是相反的.主要原因是，盾構機繼續(xù)推進的前提條件是土體與管片接觸面的解凍，而土體導熱系數(shù)越大，土體負溫對管片與土體接觸面上溫度影響越大，因此相變需要時間越長，而相應的相變結束后接觸面上需要吸收更多的熱量來升高溫度，而導熱系數(shù)越大，土體負溫對接觸面的影響也就越大，升溫的阻力也越大，因而接觸面的溫度越低.圖8表現(xiàn)了隨著導熱系數(shù)的增大，解凍完成的時間相應延長，但導熱系數(shù)增大至一定數(shù)值，解凍完成時間穩(wěn)定不變.

4.2 容積熱容量對溫度場的影響

在土體凍結的過程中，隨著容積熱容量增加，熱量傳遞減慢，在解凍過程中，隨著凍土體容積熱容量的增大，土體的儲冷性能隨之提高，熱量傳遞隨之減緩.反映在相變過程中，隨著凍土和融土容積熱容量的增大，土體相變的時間延長，正溫階段的溫度上升減緩，從而導致人工強制解凍的周期變長，如圖9所示.

4.3 循環(huán)熱水溫度對溫度場的影響

圖10反映了解凍完成時間隨循環(huán)熱水溫度的變化曲線，隨著循環(huán)熱水的溫度的提高，解凍完成時間明顯縮短，在循環(huán)熱水到達80℃以上時，對解凍時間的縮短影響已經不大，說明循環(huán)熱水溫度提高到一定數(shù)值，解凍完成時間趨于穩(wěn)定.

4.4 相變潛熱對溫度場的影響

土體的相變潛熱越大，凍土體的相變時間就越長.圖11中隨著相變潛熱的變化，相變過程的時間變化明顯，當相變潛熱增加時，相變過程的時間也相應延長，反之則縮短.相變潛熱減小40%時，相變時間60 h;相變潛熱增加40%時，相變時間96 h，說明相變潛熱的改變對相變時間影響較明顯，管片與土體接觸界面的解凍時間與相變潛熱近似呈線性關系.

圖11 解凍時間隨相變潛熱變化曲線Fig.11 Latent changing curve when thawing

5 結論

通過對杭州慶春路錢塘江過江隧道盾尾刷更換工程的人強制解凍溫度場有限元分析，主要獲得以下幾點結論：

(1)人工強制解凍較自然解凍大大縮短了時間，加速了盾構機的重新推進.

(2)數(shù)值模擬計算值和現(xiàn)場原位實測值進行了對比分析，驗證了模型的適用性.

(3)土體導熱系數(shù)在減小40%至增大20%范圍內，強制解凍所需時間隨土體導熱系數(shù)的增大而延長.

(4)容積熱容量在減小40%至增大40%范圍內，強制解凍所需時間隨土體容積熱容量的增大而延長.

(5)循環(huán)熱水溫度在60℃ ～80℃范圍內，強制解凍所需時間隨循環(huán)熱水溫度升高而縮短.

(6)強制解凍的時間隨土體相變潛熱的增大而延長，且兩者近似為線性關系.

［1］YANG Ping，KE Jie-ming，WANG Jing-ge，et al.Numerical simulation of frost heave with coupled water freezing，temperature and stress fields in tunnel excavation［J］.Computers and Geotechnics，2006，33：6－7.

［2］夏江濤，楊平.盾構出洞水平凍結加固杯型凍土壁溫度場數(shù)值分析［J］.河南科技大學學報，2010，31(3)：58 －62.

［3］胡向東，程燁爾.盾構尾刷凍結法更換的溫度場數(shù)值分析［J］.巖土力學與工程學報，2009，28(S2)：3516－3525.

［4］陳成，楊平.高承壓含水層中更換盾尾刷長距離液氮凍結技術與應用［J］.施工技術，2010(4)：74－76.

［5］邱凡.人工凍土強制解凍基本理論和技術研究［D］.上海：同濟大學土木工程學院，2007.

［6］仇培云，岳豐田.凍結加固工程強制解凍融沉注漿施工技術［J］.施工技術，2007，36(8)：22 －25.

［7］王濤，岳豐田，姜耀東，等.井筒凍結壁強制解凍技術的研究與實踐［J］.煤炭學報，2010，35(6)：918 －922.

［8］袁云輝.盾構進出洞水平凍結凍土帷幕解凍方式及解凍規(guī)律研究［D］.南京：南京林業(yè)大學土木工程學院，2010.

［9］楊平，袁云輝，佘才高，等.南京地鐵集慶門盾構隧道進洞端頭人工凍結法加固溫度實測［J］.解放軍理工大學學報，2009，10(6)：591－596.