地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工凍融全過(guò)程溫度場(chǎng)發(fā)展特性及影響因素分析*

黃 潔 何 亮 陳軍浩

(1.中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，210031，南京; 2.地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，350108，福州∥第一作者，高級(jí)工程師)

為保證地鐵運(yùn)營(yíng)安全，區(qū)間隧道每間隔600 m必須設(shè)置1條聯(lián)絡(luò)通道。常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道處上下行繞路的線間距為10～15 m。凍結(jié)法因具有加固與止水效果良好、提升地層強(qiáng)度明顯、綠色無(wú)污染、能適用在絕大部分地層中等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用[1-3]。自2000年以來(lái)，軟弱地層中的聯(lián)絡(luò)通道普遍采用“水平凍結(jié)法加固+礦山法開(kāi)挖”的施工模式[4-6]。凍結(jié)工法雖加固優(yōu)點(diǎn)突出，但由于軟弱土層具有含水率高、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、壓縮性高等特點(diǎn)，在凍結(jié)加固后土體存在凍脹、融沉、部分區(qū)域凍結(jié)壁薄弱等風(fēng)險(xiǎn)，故采用凍結(jié)法施工的聯(lián)絡(luò)通道加固與開(kāi)挖項(xiàng)目時(shí)有事故發(fā)生[7-9]。針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的安全問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已有眾多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展研究。文獻(xiàn)[10]從去回路鹽水溫度、凍結(jié)帷幕溫度、地表變形3個(gè)方面總結(jié)某線路工程監(jiān)測(cè)的變化規(guī)律，并對(duì)凍結(jié)效果、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[11]考慮了滲流作用影響，采用蟻群優(yōu)化算法對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖人工凍結(jié)方案進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[12-16]通過(guò)有限元計(jì)算開(kāi)展凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律影響研究，并得出一系列與凍結(jié)變化相關(guān)的結(jié)論。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)溫度場(chǎng)發(fā)展的研究大部分都是停留在凍結(jié)加固階段，而對(duì)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖階段以及后期融化階段溫度場(chǎng)發(fā)展變化的研究還較少。本文結(jié)合福州地鐵凍結(jié)法工程實(shí)例，進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)-融化全過(guò)程凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展變化規(guī)律研究，以期進(jìn)一步掌握聯(lián)絡(luò)通道施工全過(guò)程的安全與穩(wěn)定性。

1 工程概況

福州地鐵2號(hào)線金山站—金祥站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道處的中心線間距為17.0 m，聯(lián)絡(luò)通道頂板埋深為10.15 m，其上方的市政道路下埋設(shè)了多條市政管線。聯(lián)絡(luò)通道自上而下土層主要為2-5-2粗中砂(稍密)、2-5-2粗中砂(中密)及2-4-2淤泥質(zhì)土。設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法加固+礦山法開(kāi)挖法施工。聯(lián)絡(luò)通道為直墻半圓拱形狀，凈寬為2.50 m，凈高為2.70 m。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度正常通道段為1.8 m，喇叭口處為1.5 m；平均溫度≤-10 ℃。設(shè)計(jì)凍結(jié)孔數(shù)59個(gè)。聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)及凍結(jié)孔布置情況如圖1和圖2所示。

尺寸單位:mm

2 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

2.1 建立凍結(jié)溫度場(chǎng)模型

采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模分析?？紤]到積極凍結(jié)結(jié)束后溫度場(chǎng)影響范圍為實(shí)際尺寸的2～3倍，本文按3倍影響范圍進(jìn)行分析。結(jié)合工程實(shí)際尺寸，建立40 m×30 m×24 m的計(jì)算模型。由于聯(lián)絡(luò)通道所處的地層以粗中砂(中密)為主，因此本次計(jì)算對(duì)所有地層采用均一化處理，單元類(lèi)型為SOLID70。土體常溫與低溫條件下導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.45 W/(m·K)及1.89 W/(m·K)，其余計(jì)算參數(shù)與地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)保持一致。計(jì)算時(shí)將溫度荷載與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鹽水回路溫度保持一致，并將溫度直接施加在凍結(jié)管上，設(shè)置初始地溫為23 ℃。有限元計(jì)算模型圖見(jiàn)圖3。

a)單元網(wǎng)格劃分

2.2 不同斷面的溫度場(chǎng)發(fā)展對(duì)比

聯(lián)絡(luò)通道喇叭口處與一般通道段為整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道代表性位置，故選取積極凍結(jié)階段該兩處斷面溫度場(chǎng)發(fā)展情況進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4及圖5。

a)凍結(jié)21 d

a)凍結(jié)21 d

由圖4及圖5可以看出：不同斷面受凍結(jié)管布置而影響凍結(jié)壁輪廓線的差異較大，喇叭口處凍結(jié)壁呈馬蹄形，一般通道處凍結(jié)壁呈類(lèi)矩形狀；在凍結(jié)早期，凍結(jié)管內(nèi)外側(cè)相同距離處的土體溫度差異較小。凍結(jié)壁交圈后，凍結(jié)管內(nèi)、外側(cè)水力聯(lián)系隔絕，其中：內(nèi)側(cè)土體因體量小并處于封閉空間，且土體溫度僅受凍結(jié)管冷量的影響，故仍保持較大降溫速率；外側(cè)土體體量大并與大地直接相連，其土體溫度在受凍結(jié)管冷量影響的同時(shí)，還受大地?zé)嵩从绊懀虼送鈧?cè)土體降溫速率較內(nèi)側(cè)土體降溫速率小。

2.3 不同時(shí)段的溫度場(chǎng)發(fā)展對(duì)比

由凍結(jié)溫度場(chǎng)模型，可分別獲得聯(lián)絡(luò)通道一般通道段截面積極凍結(jié)時(shí)段、維護(hù)凍結(jié)時(shí)段、自然解凍時(shí)段的溫度場(chǎng)分布情況，如圖6所示。

a)積極凍結(jié)階段

聯(lián)絡(luò)通道在3個(gè)不同凍結(jié)階段結(jié)束時(shí)溫度分布存在一定差異。在積極凍結(jié)階段結(jié)束時(shí)，斷面凍結(jié)壁的有效厚度平均值達(dá)2.62 m，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)厚度(1.80 m)；平均溫度達(dá)-11.3 ℃，低于設(shè)計(jì)值(-10 ℃)，滿(mǎn)足開(kāi)挖條件要求。在維護(hù)凍結(jié)階段，由于保持-25 ℃的溫度荷載，因此凍結(jié)壁有效厚度平均值進(jìn)一步增加，達(dá)到2.85 m，但凍結(jié)壁平均溫度為-11.5 ℃，近乎保持不變，表明在維護(hù)凍結(jié)階段，凍結(jié)壁強(qiáng)度與穩(wěn)定性都得到進(jìn)一步加強(qiáng)，為施工安全性提供了更大的保障。在自然解凍階段，凍結(jié)管停止供冷，凍結(jié)壁受大地?zé)嵩从绊?，凍結(jié)管內(nèi)外側(cè)土體溫度逐漸回升，且外側(cè)土體溫度回升速率高于內(nèi)側(cè)。

3 凍結(jié)溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析

為掌握聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展情況，在地層中布設(shè)了C1—C8共8個(gè)測(cè)溫孔，其中C1、C2在主凍結(jié)側(cè)，C3—C8在輔凍結(jié)側(cè)，C1、C5、C8在凍結(jié)管外側(cè)，其余測(cè)溫孔在凍結(jié)管內(nèi)側(cè)。每個(gè)測(cè)溫孔均埋設(shè)有3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別為0.9 m、2.0 m、3.0 m。為減小外界對(duì)土體降溫影響，選取孔深為3.0 m的測(cè)點(diǎn)溫度變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖7所示。溫度數(shù)據(jù)采集包括聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)階段(45 d)與維護(hù)凍結(jié)階段(22 d)，其中維護(hù)凍結(jié)階段即聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖構(gòu)筑階段。

圖7 測(cè)溫孔溫度變化曲線

從圖7可以看出：在積極凍結(jié)前期，靠近凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體溫度下降較快；在積極凍結(jié)后期，凍結(jié)管內(nèi)外側(cè)土體降溫速率相當(dāng)；在維護(hù)凍結(jié)階段，土體溫度處于平穩(wěn)狀態(tài)，溫度變化較小。考慮測(cè)點(diǎn)與凍結(jié)管之間距離，以及各測(cè)點(diǎn)溫度降至-1 ℃(土體結(jié)冰溫度)所需要時(shí)間，可獲得測(cè)點(diǎn)處土體降溫速度，計(jì)算得出凍結(jié)管內(nèi)側(cè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)及外側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的降溫速度平均值分別為30.7 mm/d及24.4 mm/d，即凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體降溫速度為外側(cè)土體降溫速度的1.26倍。

為能更好地校核模型的有效性，將C2測(cè)溫孔2.0 m深處溫度模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

由圖8可以看出，C2測(cè)溫孔的模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度皆隨時(shí)間增加而逐漸降低，變化趨勢(shì)保持一致，兩者平均溫度變化速率差值僅為0.03 ℃/d。可見(jiàn)，凍結(jié)溫度場(chǎng)模型能較好地反映工程實(shí)際溫度變化。

圖8 C2測(cè)溫孔2.0 m深處溫度模擬值與實(shí)測(cè)值

4 凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展影響因素

地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展受多種因素影響。從土層埋藏條件來(lái)看，地層初始地溫與土體導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)發(fā)展影響較大?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)變換初始地溫與導(dǎo)熱系數(shù)兩個(gè)參數(shù)，分析對(duì)比C2測(cè)溫孔深2.0 m處測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況?？紤]到本工程施工期間(10月份)實(shí)際平均地溫為23 ℃，故選取初始地溫為20 ℃、23 ℃、26 ℃；導(dǎo)熱系數(shù)按本工程實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)的0.9倍、1.0倍、1.1倍取值。通過(guò)有限元計(jì)算可得測(cè)點(diǎn)溫度變化情況如圖9所示。

從圖9 a)可知，C2測(cè)點(diǎn)2.0 m深處，土體溫度降至結(jié)冰溫度所需時(shí)間與初始地溫呈正相關(guān)的關(guān)系，即初始溫度越高，所需的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)初始溫度為20 ℃、23 ℃、26 ℃時(shí)，土體溫度降至結(jié)冰溫度的時(shí)間分別為16 d、18 d、19 d。隨著凍結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，土體最終降溫趨于一致。主要特點(diǎn)為：地溫越高則初期凍結(jié)管周?chē)鷾夭畲螅枥淞吭酱?，則土體降溫至結(jié)冰溫度時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)降至結(jié)冰溫度后，凍結(jié)管周邊溫差減小，其熱量交換速率減緩，導(dǎo)致不同地溫之間的溫度變化差異逐漸減小，且最終趨于一致。

從圖9 b)可知，C2測(cè)點(diǎn)2.0 m處的土體溫度降至結(jié)冰溫度所需的時(shí)間與導(dǎo)熱系數(shù)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即導(dǎo)熱越大所需時(shí)間越短。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)的0.9倍、1.0倍、1.1倍時(shí)，土體由初始土溫降至結(jié)冰溫度的時(shí)間分別為21 d、18 d、16 d。而且當(dāng)土體溫度降至結(jié)冰溫度后，不同導(dǎo)熱系數(shù)的降溫曲線差值增大，主要原因?yàn)橥馏w溫度降至結(jié)冰溫度后，水受冷凍結(jié)、釋放潛熱，降溫變緩，導(dǎo)熱系數(shù)越大，則相變“階梯”越短，進(jìn)而導(dǎo)致凍結(jié)后期雖然土體降溫趨勢(shì)一致但差值明顯。至凍結(jié)45 d時(shí)，0.9倍與1.0倍實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)影響下的測(cè)點(diǎn)溫度差值為1.96 ℃，而1.0倍與1.1倍實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)影響下的測(cè)點(diǎn)溫度差值為2.28 ℃。

a)初始地溫對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度變化的影響

5 結(jié)論

1)土體溫度變化受凍結(jié)管布置影響較大，凍結(jié)管內(nèi)側(cè)土體降溫速度可達(dá)外側(cè)土體降溫速度的1.26倍。

2)與積極凍結(jié)階段末期相比，維護(hù)凍結(jié)階段溫度場(chǎng)凍結(jié)壁有效厚度進(jìn)一步增大，但平均溫度變化較小，維護(hù)凍結(jié)有利于凍結(jié)壁強(qiáng)度與穩(wěn)定性提升。

3)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展在凍結(jié)早期受地層初始地溫影響較大，在凍結(jié)后期受導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。