盾構(gòu)隧道端頭箱型凍結(jié)壁溫度場演變數(shù)值優(yōu)化分析

林小淇，胡俊*，周禹暄，李珂，曾東靈

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

0 引言

隨著地下空間軌道交通建設(shè)的發(fā)展，許多城市開始建設(shè)地鐵來緩解地上交通的壓力，盾構(gòu)法作為目前我國主要建設(shè)地鐵隧道的方法，有著施工速度快、施工精度高等優(yōu)點[1-2]。盾構(gòu)進出洞施工是盾構(gòu)法修建隧道的施工難點，處理不當(dāng)容易發(fā)生大型工程事故。盾構(gòu)隧道端頭加固是盾構(gòu)進出洞施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于我國地質(zhì)情況差異較大，合理選擇盾構(gòu)隧道端頭加固方式一直是施工現(xiàn)場的技術(shù)難題。特別是富含水的砂層地區(qū)，盾構(gòu)機在該地層中始發(fā)與到達存在著許多安全隱患[3-4]。解決安全隱患的有效方法是在盾構(gòu)隧道端頭進行加固，現(xiàn)在施工現(xiàn)場有許多端頭加固方法，如人工降水加固方法、人工凍結(jié)加固方法和灌注樁加固法等[5]。加固方法應(yīng)結(jié)合實際利用排除法選擇更加經(jīng)濟、安全的方法。根據(jù)許多的工程實例可知，在富含水的砂土層進行盾構(gòu)隧道修建時，常見的化學(xué)加固方法不再適用，原因是使用化學(xué)加固方法后經(jīng)常發(fā)生漏水漏砂現(xiàn)象，依然存在隧道塌方的風(fēng)險[6-7]。人工凍結(jié)加固方法經(jīng)過我國多年的實踐，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，特別是一些地形復(fù)雜、地下水位較高的環(huán)境中擁有較為明顯的優(yōu)勢，是一種可以降低隧道塌方風(fēng)險、減少人員傷亡、技術(shù)可靠的方法[8-10]。國內(nèi)較多為水平杯型凍結(jié)壁的研究[11-12]，關(guān)于新型凍結(jié)方式如箱型凍結(jié)的研究還比較少。

本文結(jié)合國家專利《盾構(gòu)隧道端頭箱型凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)》[13]對該技術(shù)進行研究，通過Adina有限元軟件來分析箱型凍結(jié)壁的溫度場發(fā)展規(guī)律[14]，通過增加凍結(jié)管的間距以減少凍結(jié)管數(shù)量來對箱型凍結(jié)管布設(shè)方案做優(yōu)化分析，以期模擬結(jié)果對類似工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 技術(shù)簡介

1.1 概述

盾構(gòu)隧道端頭箱型凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)，是在工作井中沿洞門外圍隔著一定間距水平布置若干水平凍結(jié)管，在盾構(gòu)機周圍形成矩形截面，在靠近水平凍結(jié)管兩端分別設(shè)置通過地面垂直打入的垂直凍結(jié)管，水平凍結(jié)管和垂直凍結(jié)管通入循環(huán)低溫冷媒介質(zhì)后，在盾構(gòu)機進入的區(qū)域范圍內(nèi)把含水地層凍結(jié)起來，形成一個矩形的密封凍結(jié)帷幕。形成的矩形密封凍結(jié)帷幕尺寸略大于盾構(gòu)機的尺寸，并且在盾構(gòu)掘進過程中因箱型密封容器可保持內(nèi)外壓平衡，降低盾構(gòu)施工風(fēng)險。箱型凍結(jié)壁大致示意圖如圖1所示。水平凍結(jié)管的直徑宜為108 mm，垂直凍結(jié)管的直徑宜為127 mm，凍結(jié)管的材質(zhì)可以采用無縫低碳鋼管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管等。

圖1 箱型凍結(jié)壁大致示意圖

1.2 有益效果

盾構(gòu)隧道端頭箱型凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)是在盾構(gòu)隧道垂直杯型凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，箱型結(jié)構(gòu)凍結(jié)壁不僅同樣適用于軟土地區(qū)富含水砂層端頭的地層加固，同時還具有施工實用性強、施工質(zhì)量控制方便、止水效果好且安全可靠等突出優(yōu)點，具有較大的推廣價值。

1.3 施工工藝流程

首先進行施工準(zhǔn)備，接著為凍結(jié)管的進入土層進行鉆孔，同時安裝凍結(jié)站；然后為及時監(jiān)測凍結(jié)情況和記錄溫度的變化，需要安裝監(jiān)測系統(tǒng)；接下來注入冷凍劑進行凍結(jié)，間隔一段時間要通過探孔觀察凍結(jié)情況，凍結(jié)情況要滿足破除槽壁條件，才可以開始進行洞口槽壁的破除。在盾構(gòu)進出洞前水平凍結(jié)管維持凍結(jié)狀態(tài)，強制解凍垂直凍結(jié)管，同時將垂直凍結(jié)管拔出至盾構(gòu)機上部保持凍結(jié)狀態(tài)。等盾構(gòu)機進出洞后，把所有的凍結(jié)管拔除，進行注漿。如果使用PVC、PPR、ABS和PE等塑料管作為凍結(jié)管，盾構(gòu)機可直接切割凍結(jié)管進行掘進施工。整個施工過程如圖2所示。

圖2 箱型凍結(jié)壁施工流程圖

2 溫度場數(shù)值模型的建立

2.1 計算基本假定

選用的土層為最不利地層，且具有相同的初始溫度，初始溫度設(shè)置為18 ℃(10 m以下的地層假設(shè)為恒溫層，溫度保持在15～20 ℃)。土層為單一土層，視為均質(zhì)，熱各向同性。凍結(jié)管上的荷載來自溫度變化所形成的荷載；土層結(jié)冰溫度取-1 ℃；忽視水分遷移帶來的影響[14-15]。

2.2 三維模型的建立和參數(shù)的選取

以隧道洞口為中心的坐標(biāo)原點來建立三維模型，三維模型幾何尺寸為：取長度(X軸方向)、寬度(Y軸方向)、高度(Z軸方向)相乘，即：15 m×30 m×30 m，沿著洞門處水平放置半徑為0.05 m的凍結(jié)管，凍結(jié)管間距為0.8 m，長度為9 m；為了組成箱型結(jié)構(gòu)，在距離洞門0.4 m處和距離洞門9 m處的位置分別布置一排垂直凍結(jié)管，垂直凍結(jié)管半徑選取0.06 m，凍結(jié)管長度為7.2 m，同樣間隔0.8 m布置。利用ADINA有限元軟件對網(wǎng)格進行劃分，模型邊界采用1 m的網(wǎng)格密度，凍結(jié)管區(qū)域采用0.15 m的網(wǎng)格密度，選取了4節(jié)點網(wǎng)格劃分形式對模型進行劃分。幾何尺寸及網(wǎng)格劃分后模型如圖3所示。為了了解溫度場變化，分別在箱型凍結(jié)結(jié)構(gòu)的橫向和縱向選取2條路徑，如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分后示意圖

根據(jù)之前試驗得出的報告及試驗數(shù)據(jù)[16-17]，土體模型材料選取熱傳導(dǎo)單元，材料參數(shù)見表 1。

表1 土體的材料參數(shù)

開始凍結(jié)前，保證所選取土層的初始地層溫度為18 ℃，在建模過程中，運用布爾運算保證只存在一個計算模型。凍結(jié)管管壁定為熱負(fù)荷邊界，邊界負(fù)荷的大小取值鹽水溫度。鹽水降溫方案見表2。根據(jù)鹽水降溫計劃，劃分了40 d的時間步，每步為24 h。

表2 鹽水溫度降溫計劃

3 溫度場計算結(jié)果與分析

3.1 凍土帷幕基本情況

圖4為X=-4.5 m剖面的不同時間凍結(jié)情況，圖5為Y=0剖面的不同時間凍結(jié)情況。

從圖4可以看出，在X=-4.5 m剖面上，剛開始凍結(jié)時等溫線呈同心圓的形式排布在凍結(jié)管的外圍，等溫線之間未交圈(等溫線相交)。-1 ℃等溫線在第8天時開始交圈，隨著凍結(jié)范圍不斷向凍結(jié)管四周延伸，在第10天時-1 ℃等溫線交圈結(jié)束。隨著凍結(jié)時間不斷增長，在第16天時-10 ℃等溫線相交完畢，之后凍結(jié)范圍不斷向凍結(jié)管2側(cè)延伸，凍結(jié)壁厚度不斷增加，凍結(jié)40 d時形成“口”型的完整凍結(jié)帷幕。

圖4 X=-4.5 m剖面不同時間的凍結(jié)情況

由圖5(a)—圖5(d)可以看出，靠近洞門處的-1 ℃等溫線發(fā)展最快，在第8天時最先形成凍土帷幕，隨著時間的增加凍結(jié)范圍不斷向凍結(jié)管兩側(cè)延伸；第9天時，靠近洞門處的-10 ℃等溫線開始出現(xiàn)，隨著時間的增長，-10 ℃等溫線慢慢向洞門靠近，在第11天時最先完成交圈，Y=0剖面的-10 ℃等溫線在15 d時完成交圈。

由圖5(e)—圖5(f)可以看出，凍結(jié)30 d和凍結(jié)40 d時由垂直凍結(jié)管形成的凍結(jié)帷幕厚度。通過測量，凍結(jié)30 d時凍土帷幕厚度為1.72 m。隨著時間增加凍結(jié)壁厚度略微增加，在凍結(jié)40 d時，通過測量的厚度為1.95 m。由此可見，凍結(jié)40 d后，箱型凍結(jié)壁的平均厚度大于1.6 m，平均溫度也在-10 ℃以下，該箱型凍結(jié)壁滿足破除槽壁的要求。因此，該方法是可行的。

圖5 Y=0 m剖面不同時間的凍結(jié)情況

3.2 路徑分析

3.2.1 路徑1

在X=-4.5 m處沿著Y負(fù)半軸設(shè)置第一條路徑，從起點開始沿著路徑每1 m設(shè)置一個分析點，形成一條長5 m的分析路徑，共有6個分析點，每個分析點的溫度變化如圖6所示。從圖6可以得知：有2個分析點降溫較快，分別是距隧道中心軸3 m和4 m處，不到20 d這2個分析點溫度就降為0 ℃。此時剩余其他各點均在10 ℃以上，并且?guī)缀鯖]有變化。圖7為不同凍結(jié)時間的分析點的空間溫度變化曲線。由圖7可知：水平凍結(jié)管的影響范圍為0～5 m，距離凍結(jié)管越近受凍結(jié)管的影響越大；凍結(jié)30 d時形成的凍結(jié)帷幕厚度大于1.6 m,凍結(jié)40 d時形成完整的凍結(jié)帷幕，水平凍結(jié)管形成的凍結(jié)壁厚度為2.12 m。

圖6 路徑1每個分析點的溫度變化圖

圖7 路徑1不同凍結(jié)時間的分析點空間溫度變化圖

3.2.2 路徑2

從洞門中心向盾構(gòu)機掘進方向設(shè)置路徑2，從起點開始沿著路徑每1 m設(shè)置一個分析點，形成一條長12 m的分析路徑，共有13個分析點，每個分析點的溫度變化如圖8所示，不同凍結(jié)時間的分析點的空間溫度變化曲線如圖9所示。從圖8可以看出，有兩處的分析點溫度變化較快，分別是在洞門處的分析點和距離洞門9 m處的分析點，在凍結(jié)10 d時，這2個分析點均降溫到0 ℃以下，此時其余各點的溫度沒有變化,說明越靠近凍結(jié)管土體溫度變化越快；在凍結(jié)20 d時，距洞門1 m處的分析點降溫到0 ℃，為此可知此時洞門處的凍結(jié)帷幕發(fā)展到了1 m。由圖9可知，垂直凍結(jié)管的影響范圍為0～2 m；凍結(jié)30 d時由垂直凍結(jié)管形成的凍土帷幕厚度大于1.6 m，凍結(jié)40 d時形成的厚度約為1.95 m，垂直凍結(jié)帷幕符合破除的要求。

圖8 路徑2每個分析點的溫度變化圖

圖9 路徑2不同凍結(jié)時間的分析點空間溫度變化圖

4 凍結(jié)管優(yōu)化分析

在原始模型的基礎(chǔ)上，采用增加凍結(jié)管間距的方法來減少凍結(jié)管的根數(shù)，建立不同方案對初始模型的凍結(jié)管數(shù)量進行優(yōu)化，通過對比不同方案選出最佳方案。每個方案的凍結(jié)管數(shù)量見表3。

表3 各方案一覽表

4.1 X=-4.5 m剖面的凍結(jié)方案對比

選取X=-4.5 m剖面，進行不同方案在不同凍結(jié)時間的溫度場變化分析。為了更加直觀方便地比較各個方案的溫度場變化，在每個方案的X=-4.5 m剖面從凍結(jié)管沿著垂直于隧道軸線的方向設(shè)置3個觀測點，3個觀測點間隔1 m。圖10為不同凍結(jié)管間距在X=-4.5 m剖面上觀測點1的溫度變化圖。從圖10可以看出，隨著凍結(jié)時間的增加，不同凍結(jié)管間距的水平凍結(jié)管凍結(jié)效果相似，前期降溫較快，在觀測點1降溫到0 ℃以下后溫度變化趨于平緩；隨著凍結(jié)管間距的增加，觀測點1降溫到0 ℃的時間在增長，且凍結(jié)40 d時觀測點1的溫度也在上升，雖然最低溫度隨著凍結(jié)管間距的增加，但是保持在-10 ℃以下，符合施工開挖的要求。

圖10 不同凍結(jié)管間距在X=-4.5 m剖面上觀測點1的溫度變化圖

圖11為不同方案在X=-4.5 m剖面上3個觀測點溫度變化圖。由圖11可以得出，隨著凍結(jié)管間距的增加，凍結(jié)管對周圍土體的凍結(jié)效果在降低，由水平凍結(jié)管形成的凍土帷幕厚度在不斷減小。可以假設(shè)凍結(jié)管左右的凍土帷幕的厚度一致，可以通過一側(cè)的厚度得到總厚度。因此凍結(jié)管間距0.8、0.9、1.0 m、1.2 m時在X=-4.5 m剖面上的凍土帷幕的厚度分別為2.12、1.94、1.8、1.5 m。凍結(jié)管間距在1.0 m范圍內(nèi)的凍土帷幕厚度呈線性變化，變化范圍為0.14～0.18 m。

圖11 不同方案在X=-4.5 m剖面上3個觀測點溫度變化圖

4.2 Y=0 m剖面的凍結(jié)方案對比

在不同凍結(jié)管間距的模型上，從后排垂直凍結(jié)管沿著盾構(gòu)機打入方向設(shè)置3個觀測點。圖12為不同凍結(jié)管間距在Y=0 m剖面上觀測點1的溫度變化圖。從圖12可以看出，隨著凍結(jié)管的間距增加，垂直凍結(jié)管的凍結(jié)效果在逐漸降低，在凍結(jié)40 d時，凍結(jié)管間距為0.8 m和0.9 m的溫度在-15 ℃以下，其余的也均在-10 ℃以下，符合盾構(gòu)隧道的開挖要求。圖13為不同凍結(jié)管間距在凍結(jié)40 d時3個觀測點的溫度變化，由圖13可以計算出由垂直凍結(jié)管形成的凍土帷幕的厚度，分別為1.95、1.80、1.66、1.40 m，垂直凍結(jié)管形成的凍土帷幕厚度在凍結(jié)管間距1 m以內(nèi)呈線性減小，變化范圍為0.14～0.18 m。

圖12 不同凍結(jié)管間距在Y=0 m剖面上觀測點1的溫度變化圖

圖13 不同方案在Y=0 m剖面上3個觀測點溫度變化圖

4.3 總結(jié)

由以上分析可以得出，水平凍結(jié)管和垂直凍結(jié)管形成的凍土帷幕厚度隨著凍結(jié)管間距的增加而減?。辉诙軜?gòu)隧道施工過程中，由于后排垂直凍結(jié)管距離隧道盾構(gòu)入口較遠，因此由后排的垂直凍結(jié)管所形成的凍土帷幕厚度需要一直保持在一定厚度，為重點觀測位置。圖14為不同凍結(jié)管間距由后排垂直凍結(jié)管所形成的凍土帷幕的厚度變化圖，可以看出凍結(jié)管間距在1.0 m以內(nèi)凍土帷幕厚度呈線性變化，且厚度大于1.6 m，符合施工開挖的要求。

圖14 不同凍結(jié)管間距的凍結(jié)壁厚度變化

對以上3種方案進行ADINA分析，結(jié)果見表4，由表4中3個方案和原模型進行對比可知，3個方案凍結(jié)發(fā)展規(guī)律與原模型相似，只是凍結(jié)帷幕形成時間增加，并且凍結(jié)管數(shù)量減小可以減少凍結(jié)站的制冷量，符合實際工程中的綠色節(jié)能環(huán)保的意識，在保證凍結(jié)壁厚度符合施工要求的前提下，選擇方案2更加經(jīng)濟合適。

表4 3個方案與原模型對比

5 結(jié)束語

本文介紹了盾構(gòu)隧道端頭箱型凍結(jié)壁加固結(jié)構(gòu)，通過Adina軟件建模進行溫度場模擬，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)盾構(gòu)隧道端頭存在富含水砂層時，采用箱型凍結(jié)壁進行地層加固，可有效解決該地層常規(guī)加固方式加固效果不佳的問題，保證盾構(gòu)始發(fā)與到達順利進行。

(2)由溫度場模擬結(jié)果可知：凍結(jié)40 d時，箱型凍結(jié)壁厚度最大約為2.12 m，平均溫度在-10 ℃以下，平均厚度大于1.6 m，該加固方式是可行的。

(3)通過路徑分析可知，越靠近凍結(jié)管的土體在降溫過程中降溫越快，并且凍結(jié)初期溫度變化較快，在形成凍結(jié)帷幕之后溫度變化逐漸趨于平緩。

(4)對原模型進行優(yōu)化分析，通過增大凍結(jié)管間距的方法來減少凍結(jié)管數(shù)量，分析得出，凍結(jié)管間距每增加0.1 m，凍結(jié)壁厚度隨著減少0.14～0.18 m，凍結(jié)管間距為0.8～1.0 m時與凍結(jié)壁厚度呈線性相關(guān)，間距1.2 m時凍結(jié)壁厚度不滿足要求。

(5)通過對比不同方案，方案2在保持凍結(jié)管數(shù)量較少的情況又符合施工開挖的要求，因此選擇方案2(間距1.0 m)最為經(jīng)濟。