盾構隧道端頭垂直凍結板凍結加固溫度場數(shù)值分析

胡 莊，胡 俊，劉文博，陳 璐，王志鑫

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228；2. 海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 ?？?570206)

端頭加固作為盾構法施工的關鍵步驟，關系到盾構始發(fā)與到達的安全問題，其工程風險較大[1].特別是在盾構進出洞時，首要任務是將洞門附近區(qū)域地連墻破除，割掉全部鋼筋，因此破除洞門對施工要求極高，且時間緊迫.破除洞門后需在洞口附近做高密封性和高強度的加固體，若加固效果不理想，盾構隧道與洞門之間就非常容易發(fā)生涌泥涌沙和地表沉降現(xiàn)象，從而對附近地下環(huán)境設施造成損壞.因此，端頭附近地層加固方案必須充分滿足抗?jié)B透性和強度的要求，防止出現(xiàn)以上不良現(xiàn)象.

迄今為止，在盾構隧道端頭加固方向上，國內(nèi)外學者對于其理論分析和技術創(chuàng)新的研究取得了豐碩的成果.注漿加固作為普遍且常規(guī)的方法[2-4]，能夠確保開挖前土體穩(wěn)定，在拆除圍護結構時能夠有效減少施工荷載對土體的擾動.在軟土較多的沿海地區(qū)，尤其端頭地層富含水砂時，用常規(guī)的化學手段來加固端頭附近土體難以達到好的效果，特別是在化學加固后探孔，其漏水漏砂很嚴重.因此，為了保證盾構機進出洞施工安全，提高端頭區(qū)域附近土體的強度以及達到很好的止水效果，一般來說會在軟土地區(qū)的盾構隧道端頭采用水平或垂直凍結法進行土體加固[5-10].但是，無論采用以上哪種方法，都存在許多凍結管的安裝問題，通常需要挨個鉆孔，再一個一個下放凍結管，凍結系統(tǒng)安裝時其管路十分繁瑣，工期較長.

針對上述存在的技術問題，胡俊[11]提出了實用新型專利《盾構隧道端頭垂直凍結板凍結加固結構》，首先通過埋設垂直凍結板于盾構隧道端頭前的土體中，然后在凍結板內(nèi)循環(huán)冷媒介質(zhì)，最終在端頭附近區(qū)域地層中形成垂直加固體，達到節(jié)約工期、施工質(zhì)量控制方便、施工實用性強、加固效果特別是止水效果好、安全可靠等突出優(yōu)點.筆者針對胡俊提出的新的端頭加固方法展開研究，運用有限元軟件ADINA，通過數(shù)值模擬分析該垂直凍結板凍結加固溫度場的發(fā)展規(guī)律，對凍土帷幕的發(fā)展、厚度變化和封閉性等進行分析，通過改變凍結板尺寸、調(diào)整凍結板與地連墻位置距離、凍結板板厚等參數(shù)，從多個角度研究探尋最佳凍結加固方案，論證該加固結構的可行性，研究成果可供今后實際工程參考.

1 凍結加固結構簡介

1.1 概述本文所用的凍結加固結構是將垂直凍結板埋放在盾構隧道端頭前土體中，然后在凍結板內(nèi)循環(huán)冷媒介質(zhì)，最終形成凍結加固體，如圖1所示.垂直凍結板是由殼體、進液口、出液口、起吊點和隔板組成，低溫冷媒介質(zhì)分別通過進液口流入，出液口流出，如此循環(huán)，靠近垂直凍結板區(qū)域附近的物質(zhì)因此被冷媒介質(zhì)傳遞的低溫凍結起來，形成凍土帷幕，利用垂直凍結板上的起吊點對垂直凍結板進行安裝與拔出工作.殼體內(nèi)通過隔板設置U型回路，低溫冷媒介質(zhì)從進液口流入凍結板殼體中在可體內(nèi)U型回路來回流，然后到達出液口留出，通過不斷循環(huán)低溫冷媒介質(zhì)，冷媒介質(zhì)經(jīng)過U型回路充分與凍結板接觸，形成凍土帷幕.殼體的材質(zhì)為鋼材或采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料材質(zhì)，當采用塑料材質(zhì)時，盾構機可以直接穿過垂直凍結板，無需拔出；若采用鋼材材質(zhì)時，則需要先拔出垂直凍結板后盾構機才能進出洞門.推薦使用抗凍性抗壓性滿足要求的塑料材質(zhì)，減少工序節(jié)約成本.

1.2 有益效果本工法能夠有效地解決傳統(tǒng)凍結加固結構安裝凍結系統(tǒng)管路繁瑣，工期長等問題，施工質(zhì)量控制方便、施工實用性強、加固和止水效果好且安全可靠.通過基于盾構隧道端頭垂直凍結板凍結加固結構溫度場數(shù)值分析研究，對溫度場模擬結果進行分析，總結出最佳凍結板板厚和凍結板與地連墻最優(yōu)間距，最大化節(jié)約用材的基礎上保證凍結效果滿足工程要求.

1.3 施工工藝流程如圖2所示，首先施工準備，將一個槽設置在盾構隧道端頭靠近地連墻前方的土體中，槽中放置垂直凍結板，由于凍結板為一個整體，無需鉆孔安裝凍結管，可極大減少工作量.凍結系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)在凍結板安裝好之后進行安裝，然后開始凍結作業(yè).待達到凍結設計強度后，若凍結板有鋼材制成則需拆除凍結板，若為塑料材質(zhì)則無需拆除，然后盾構進出洞，最后進行融沉注漿.

2 溫度場三維數(shù)值模型的建立

2.1 計算基本假定數(shù)值模擬基本假設：

1) 假設實際工程中凍結板位置附近土體為各土層皆水平分布；

2) 土層假設為均質(zhì)，熱各向同性；

3) 土層初始溫度場假設為均勻，初始溫度為18 ℃(地表下10 m內(nèi)土體溫度為16～20 ℃)；

4) 忽略鹽水循環(huán)沿凍結板縱向溫度差的影響，溫度荷載直接加到凍結板上；

5) 忽略水分遷移、地下滲流的影響[12-15].

2.2 確定試驗方案以-10 ℃的凍結厚度為評判標準確定最優(yōu)試驗方案，其影響因素有凍結板板厚(以下簡稱“板厚”)，凍結板與地連墻距離(以下簡稱“距離”)以及凍結板邊長尺寸，凍結板邊長按照經(jīng)驗公式考慮安全儲備與經(jīng)濟效益確定為12.7 m[16].為探究最佳板厚和距離，先假定凍結板與地連墻距離為400 mm，改變凍結板板厚，尋找最佳板厚，然后確定最佳板厚研究不同距離.

2.3 計算模型和參數(shù)選取基于凍結板尺寸邊長為12.7 m來建立三維溫度場數(shù)值模型，取土體幾何尺寸為：縱向長度(X軸方向)×橫向?qū)挾?Y軸方向)×垂直深度(Z軸方向)=15 m×30 m×30 m；盾構機掘進方向(盾構隧道中心軸線)為X軸方向，凍結板位于土體中靠近X=0(即土體與地連墻接觸面)面一側(cè)，凍結板幾何中心與所選土體幾何中心重合，凍結影響區(qū)域未超過建模尺寸范圍.網(wǎng)格劃分為按長度劃分：外面土體單元邊長為1 m，里面凍結板單元邊長為0.2 m.圖3為模型的幾何尺寸及網(wǎng)格劃分示意圖.

模型土體材料具體的相關參數(shù)如表1所示[17-18].

表1 土體材料參數(shù)

凍結前初始地層溫度取18 ℃，計算的垂直凍結板殼體外邊界為熱荷載邊界，鹽水溫度做邊界荷載，表2為鹽水降溫計劃.根據(jù)降溫計劃，取凍結時間步為40 d，每步時間長為24 h.

表2 鹽水溫度降溫計劃

3 溫度場數(shù)值計算結果分析

3.1 凍土帷幕基本情況

3.1.1 距離不變，改變板厚控制距離均為400 mm不變，設置凍結板板厚分別為200 mm、400 mm、600 mm，如圖4和圖5所示.

從圖4可以看出，板厚分別為200 mm、400 mm、600 mm時，溫度場云圖差別甚微.在X=0 m剖面處，溫度場橫向明顯均呈方形分布，且3張圖的26.67 ℃對應區(qū)域方形邊長相等.在Y=0 m剖面處的可以看到溫度場縱沿凍結板板厚方向呈較窄的矩形.

由圖5中-10 ℃等溫線圖可看出，板厚為200 mm時，有效凍結厚度為1.3 m，板厚為400 mm時，有效凍結厚度為1.5 m，板厚為600 mm時有效凍結厚度為1.7 m.而板厚每增加200 mm所耗費的成本增加較大.因此，改變板厚對于最終凍結效果的影響較小，且通過改變板厚來增加最終有效凍結厚度的方法不經(jīng)濟.

3.1.2 板厚不變，改變距離

從圖6中可以看出，各個溫度場云圖之間存在著較大的差異.在X=0 m剖面處，隨著距離的增加，-23.33 ℃對應區(qū)域方形邊長隨著距離增加明顯減少，這說明凍結板與地連墻距離越遠，靠近地連墻部分土體的凍結效果越差.在Y=0 m剖面處，可以較明顯看到，當距離為800 mm時，靠近地連墻位置土體凍結效果開始有所減弱，而當距離增加到1 000 mm時，這種減弱較為明顯.

為檢測是否因為凍結板板厚太薄從而導致距離為1 000 mm時靠近地連墻位置土體凍結效果不佳，設置板厚400 mm距離1 000 mm對照組，如圖8所示.

從圖7中可以看出，距離為400 mm時有效凍結厚度為1.3 m；距離600 mm時有效凍結厚度為1.5 m；距離800mm時有效凍結厚度為1.7 m.

圖7d可知凍結厚度為1.9 m，圖8b可知凍結厚度為2.1 m.分別對比圖7d、圖8b和圖5a、5b、5c，可以得出：距離不變，增加板厚僅僅能較小的提高最終有效凍結厚度(即沒增加200 mm板厚，最終有效凍結厚度增加0.2 m)，但對于靠近地連墻部分土體的影響微乎其微.因此，靠近地連墻部分土體的凍結效果取決于凍結板與地連墻距離大小，與凍結板板厚無關.

當板厚為200 mm距離800 mm時有效凍結厚度為1.7 m，此時為最佳凍結效果，既保證了經(jīng)濟效益，同時又滿足工程需要.

因此，在此鹽水凍結計劃下凍結板與地連墻的最佳距離是800 mm，最經(jīng)濟的板厚為200 mm，欲再提高凍結厚度，則需在距離800mm情況下增加凍結版板厚.

3.2 溫度場規(guī)律分析

3.2.1 路徑設置圖觀測路徑的設置：路徑1是穿過凍結板幾何中心且以土體與地連墻接觸面為起點原理地連墻方向設置的觀測路徑，每0.8 m設置一個觀測點，自右向左為1、2、3、4、5號共5個觀測點，路徑2～4自左向右依次距凍結板2.4 m，1.6 m和0.8 m，路徑5位于凍結板右端0.8 m(即土體與地連墻接觸面上)處，每隔0.8 m設置一個觀測點，各個路徑上均勻取5個觀測點.

3.2.2 路徑2～5如圖10為路徑2～5上各分析點對溫度變化曲線.

從圖10a、10b、10c和10d可知，路徑2～5上各個觀測點的溫度隨時間變化規(guī)律趨近一致，其原因是所選的路徑2～5相互平行，且與凍結板橫截面平行(即每條路徑上各點到凍結板垂直距離分別相等)，凍結板傳遞的溫度在同一距離下大體相同，在云圖和等溫線圖可以直觀表現(xiàn)出.

路徑2、3、4分別距離凍結板2.4 m、1.6 m、0.8 m，從最終凍結效果以及溫度隨時間變化歷程可以看出距離凍結板越遠凍結效果有顯著降低，由最終有效凍結溫度-10 ℃可以分析得到：距凍結板0.8 m左右為有效凍結距離.

3.2.3 路徑1圖11為路徑1各分析點溫度變化曲線，路徑4、路徑5分別位于凍結板左右兩邊，與凍結板距離均為0.8 m，從溫度變化曲線圖可以看到路徑5溫度下降更快且在凍結300 h左右便到達0 ℃，到達有效凍結溫度-10 ℃時間為400 h，路徑4到達0 ℃時間為500 h左右，在鹽水凍結結束時才達到-10 ℃.分析可知：與凍結板距離相同但結果卻差別很大的主要原因在于，路徑5為土體與地連墻接觸面上路徑，在溫度場模擬時設置土體表面為絕熱，故低溫會在路徑5所在表面迅速積累不會擴散；路徑4附近土體并不絕熱.所以造成了以上差別.

從圖11可以看出，1號點溫度下降最快，5號點已經(jīng)幾乎不受到凍結板傳遞溫度的影響，因為5號點距離最遠，而1號點最近.1、2號點最終溫度能達到有效凍結溫度溫度.路徑1整體能夠直觀反映出距離變化對于凍結效果的影響，有效凍結距離為1、2號點所在的距離范圍內(nèi)(即距離凍結板0.8 m左右范圍內(nèi)).

3.2.4 降溫規(guī)律從圖12可知，在凍結開始到凍結5 d時不同距離觀測點溫度變化很小，對比5個不同點發(fā)現(xiàn)：凍結5～10 d溫度開始下降，尤其是有凍結距離效范圍內(nèi)點的溫度下降更快，當凍結時間達到10～20 d時溫度下降趨勢最明顯，后面趨于緩和直到最終凍結完成.雖然受凍結距離影響，距離較遠的點溫度變化不大，但可以明顯看出各個點溫度下降趨勢基本一致.(值得注意：距離為0時即在凍結板上，凍結板溫度與鹽水降溫計劃溫度相同，故在圖12上表現(xiàn)出不連續(xù)的現(xiàn)象.)

4 小 結

運用ADINA有限元軟件對盾構隧道端頭垂直凍結板進行數(shù)值模擬，分析不同凍結板厚度以及不同凍結距離對最終凍結效果的影響，得到如下結論：

1) 凍結板板厚對于最終凍結效果影響較小，增加板厚雖然能在一定程度上增加最終有效凍結厚度，但所耗費成本增加較大.在實際工程中不建議通過增加板厚來提升凍結效果，板厚最佳建議選擇200 mm.

2) 增加凍結板與地連墻距離能夠顯著增加最終有效凍結厚度，且距離越大，最終有效凍結厚度越厚.但距離過大時，靠近地連墻部分土體的凍結效果很差，不能滿足工程需要，最佳距離為800 mm.

3) 距離凍結板越遠凍結效果有顯著降低，由最終有效凍結溫度-10 ℃可以分析得到：距凍結板0.8 m左右為有效凍結距離.與結論2)分析一致.

4) 路徑4、路徑5分別位于凍結板左右兩邊，與凍結板距離均為0.8 m，但2條路徑最終凍結效果和降溫歷程均有較大區(qū)別.分析可知其主要原因在于，路徑5為土體與地連墻接觸面上路徑，在溫度場模擬時設置土體表面為絕熱，故低溫會在路徑5所在表面迅速積累不會擴散；路徑4附近土體并不絕熱，所以造成差別.