盾構隧道端頭垂直凍結加固不同凍結管直徑的溫度場數值分析

胡 俊

(海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228)

盾構隧道端頭常用的加固方式有深層攪拌法、高壓旋噴法、SMW工法、凍結法、注漿法、素混凝土灌注樁法和降水法等。土體加固可以采用一種或多種工法相結合的加固手段。加固方式可以分為以下兩大類:①化學加固方式(高壓旋噴法、深層攪拌法、注漿法、素混凝土灌注樁法等);②物理加固方式(凍結法、降水法等)［1-4］。對于軟土地區，當受地面環境限制無法進行攪拌樁和旋噴樁施工，或是在化學加固后探孔時發現有嚴重的漏水漏砂現象時，可采用垂直凍結工法進行加固。垂直凍結工法采用板狀凍結加固理論設計，在盾構隧道端頭布置一定數量的垂直凍結孔，經凍結后在洞門處形成板狀凍土帷幕來抵抗盾構破壁時的水土壓力，防止土層塌落和泥水涌入工作井內［5-6］。凍結管直徑通常在68～168 mm之間，水平凍結管直徑一般為89和108 mm，而垂直凍結加固凍結管直徑通常為127，146，159和168 mm。本文結合南京地鐵10號線過江隧道盾構始發工程，運用有限元分析軟件，在其它影響因素不變的情況下，凍結管直徑分別取為127，146，159和168 mm，對該四種凍結管直徑所形成的垂直凍土壁進行模擬計算，以研究凍結管直徑對垂直凍土壁溫度場發展的影響。

1 工程背景

南京地鐵10號線過江隧道區間大直徑盾構始發井長21 m，寬19.4 m，底板埋深約30.5 m，圍護結構采用地下連續墻形式。盾構機主機長14.5 m，開挖直徑為12.03 m，東端頭盾構隧道中心埋深為21.052 m。根據勘察資料［7］可知東端盾構始發井處于高水壓砂性地層，該地層具有滲透系數大、地下水壓力高和地層承載能力差等特點。始發端頭所處地層自上而下依次為:①-2素填土層，②-1a2-3黏土層，②-2b-4淤泥質粉質黏土層，②-3d3-4粉砂、細砂層，②-5d1粉砂、細砂層。端頭隧道頂板位于②-2b-4淤泥質粉質黏土層，底板位于②-3d3-4粉砂、細砂層，主要穿越②-3d3-4粉砂、細砂層。盾構始發時所涉及土層主要物理力學參數見表1。在不良地質和高水壓等因素影響下，盾構始發作業有很大風險，應對端頭土體進行加固。

鑒于以上情況，本始發工程采用三軸深層攪拌樁+垂直凍結的加固方式，具體為:采用φ1000@750三軸攪拌樁作為盾構井端頭主要加固方式，加固范圍為盾構隧道兩側5 m，從地面標高加固至拱底6 m，沿盾構掘進方向縱向加固17 m。為提高攪拌樁加固土體與中間風井圍護結構的膠結強度，在東端盾構井圍護結構外側沿掘進方向布置2排垂直凍結管。實際采用的加固方式及范圍如圖1所示。

表1 始發端頭相關土層主要物理力學參數

圖1 實際采用的加固方式及平面范圍(單位:mm)

垂直凍結采用2排凍結孔，插花布置。A排距地連墻0.4 m，B排距A排0.8 m，孔間距為0.8 m。A排布置29個，B排布置28個，總計57個凍結孔。每個凍結孔長度為31.152 m，總鉆孔深度為1 796 m。凍結管采用φ127 mm×4.5 mm無縫鋼管，供液管選用φ48 mm×3.5 mm無縫鋼管。積極凍結期鹽水溫度為－28℃ ～－30℃，維護凍結期鹽水溫度為 －25℃ ～－28℃。積極凍結時間取30 d。

2 溫度場三維數值模型的建立

2.1 基本假定

計算中基本假定如下:①工程所在位置計算范圍內各土層均水平分布;②土層視為均質、熱各向同性體;③土層具有均勻初始溫度場;④忽略鹽水循環的影響，直接將溫度荷載施加到凍結管壁的節點上;⑤熱物理參數分層穩定，忽略水分遷移的影響。

2.2 計算模型和參數選取

溫度場計算模型采用帶相變的瞬態導熱模型。根據建議采用的凍結孔布置方案，考慮到現場問題的對稱性并為了提高計算效率，本模型取一半模擬。以掌子面正上方地表點為坐標原點，取縱向長度(X軸)3 m，橫向寬度(Y軸)12 m，垂直距離(Z軸)32 m。本模型選取了四節點網格劃分格式，對凍結管周圍區域進行局部網格細化處理。計算模型共劃分815 788個單元，149 000個節點。

根據從工程現場取土進行凍土試驗［8］，三軸深層攪拌樁加固后的土體熱物理參數如表2所示。由于該端頭進行了三軸深層攪拌樁加固，根據經驗受水泥水化熱影響后的地層溫度將會提高約10℃，一般地層10 m以下恒溫帶溫度為19℃～20℃，故凍結前水泥改良后地層初始溫度取30℃，并在整體模型邊界面上保持不變。計算區域的外邊界看作絕熱邊界，凍結管表面為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載。根據降溫計劃，取凍結時間步為40 d，每步時間長為24 h。

表2 水泥加固后土體熱物理參數

2.3 數值模擬與現場實測數據對比

為了檢驗有限元計算模型的模擬效果，將現場實測凍結過程的溫度數據與有限元計算數據進行對比，典型溫度時間曲線見圖2。可見實測溫度值和數值計算溫度值變化趨勢基本一致，數值計算溫度曲線相對光滑。數值模擬計算方法及所選模型和參數基本正確，較好地模擬了真實情況，故用該模型來模擬盾構始發時垂直凍結壁溫度場的變化過程是可行的。

圖2 數值模擬值與實測值對比曲線

圖3 凍結管直徑127 mm，z=0剖面不同時間的0℃等溫線

3 溫度場計算結果和分析

基于以上溫度場數值模型，在其它影響因素不變的情況下，凍結管直徑分別取為127，146，159和168 mm進行模擬計算，以研究凍結管直徑對溫度場的影響。

3.1 0℃等溫線

圖3為凍結管直徑127 mm，z=0剖面不同時間的0℃等溫線。

凍結4 d時，不同凍結管直徑0℃等溫線基本以凍結管為圓心呈同心圓分布，A排凍結管形成的凍土圓柱大于B排凍結管形成的凍土圓柱，這主要是因為B排凍結管周圍未凍土多，凍結所需冷量較大。凍結管直徑越大，所形成的0℃等溫線凍土圓柱的直徑也越大。此時，只有凍結管直徑168 mm的凍結管之間即將交圈。凍結5 d時，凍結管直徑168 mm的止水承重凍土墻已經形成。凍結管直徑159 mm的雙排凍結管已經交圈，但是連續的凍土墻還未形成，兩排凍結管之間、A排凍結管與圍護結構之間還存在著未凍區域。凍結管直徑146 mm的A排和B排凍結管已經開始交圈，但是排與排之間并未交圈。凍結管直徑127 mm的各凍土圓柱的半徑不斷地擴大。凍結6 d時，凍結管直徑168 mm所形成的垂直凍結墻繼續向外發展。凍結管直徑146和159 mm的連續的凍土墻已經形成。凍結管直徑127 mm的A排凍結管和B排凍結管開始交圈，并且兩排凍結管也相互交圈。凍結7 d時，凍結管直徑168，146和159 mm所形成的垂直凍結墻繼續向外發展。凍結管直徑127 mm的連續的凍土墻已經形成。此時不同凍結管直徑的連續垂直凍土墻都已經形成，所形成的凍土墻厚度相差不大。從凍結7 d開始一直到凍結40 d為止，不同凍結管直徑的垂直凍結壁繼續發展，交圈后0℃等溫線的弧度逐漸變緩趨于直線，凍土墻的擴展速度也逐漸變緩，凍土墻厚度不斷增大。

由此可知，不同凍結管直徑的凍結壁交圈時間即形成閉合的垂直凍土墻的時間分別為:凍結管直徑127 mm為7 d，凍結管直徑146 mm為6 d，凍結管直徑159 mm為5.5 d，凍結管直徑168 mm為5 d。垂直凍土墻交圈時間與凍結管直徑的關系如圖4所示，凍結管直徑每增加1 cm，凍結壁交圈時間減小約12 h。隨著凍結管直徑的增大，凍結壁交圈時間呈線性減小。

3.2 0℃與－10℃等溫線的對比

圖5為不同凍結管直徑z=0剖面凍結30 d，40 d的0℃和－10℃等溫線。

圖4 垂直凍土墻交圈時間與凍結管直徑的關系

1)凍結30 d時，不同凍結管直徑的0℃和－10℃等溫線的位置基本一致，即－10℃等溫線的凍土墻厚度基本一致，約為1.6 m。凍結管直徑168 mm的－10℃等溫線凍土墻厚度要比凍結管直徑127 mm的大約0.1 m。0℃等溫線的凍土墻厚度比－10℃等溫線還要厚約0.2～0.3 m。

圖5 不同凍結管直徑z=0剖面凍結30，40 d的0℃和－10℃等溫線

2)凍結40 d時，不同凍結管直徑的0℃和－10℃等溫線的位置也基本一致，－10℃等溫線的凍土墻厚度基本為1.8 m。凍結管直徑168 mm的0℃等溫線與－10℃等溫線之間的距離要比凍結管直徑127 mm的大約0.1 m。同樣，凍結管直徑168 mm的－10℃等溫線凍土墻厚度要比凍結管直徑127 mm的大約0.1 m。

由此可知，不同凍結管直徑最終形成的－10℃等溫線的凍土墻厚度相差很小，凍結30 d時約為1.6 m，凍結40 d時約為1.8 m。凍結30 d后，不同凍結管直徑所形成的垂直凍土壁厚度均可＞1.6 m。

4 結語

1)實測溫度值和數值計算溫度值總體變化趨勢基本一致，數值計算溫度曲線相對光滑，用數值模型來模擬盾構始發時垂直凍結壁溫度場的變化過程是可行的。

2)不同凍結管直徑的凍結壁交圈時間即形成閉合的垂直凍土墻的時間分別為:凍結管直徑127 mm為7 d，凍結管直徑146 mm為6 d，凍結管直徑159 mm為5.5 d，凍結管直徑168 mm為5 d。凍結管直徑每增加1 cm，凍結壁交圈時間減小約12 h。隨著凍結管直徑的增大，凍結壁交圈時間呈線性減小。

3)不同凍結管直徑－10℃等溫線的凍土墻厚度相差很小，凍結30 d時約為1.6 m，凍結40 d時約為1.8 m。凍結30 d后，不同凍結管直徑所形成的垂直凍土壁厚度均可＞1.6 m。

［1］胡俊，楊平，董朝文，等.盾構始發端頭化學加固范圍及加固工藝研究［J］.鐵道建筑，2010(2):47-51.

［2］胡俊，楊平，董朝文，等.蘇州地鐵一號線盾構隧道端頭加固方式現場調查研究［J］.鐵道建筑，2010(11):32-35.

［3］曾暉，胡俊，王效賓.蘇州地鐵一號線聯絡通道加固方式比選研究［J］.鐵道建筑，2012(10):58-61.

［4］胡俊.蘇州地鐵盾構隧道端頭加固方式及其關鍵問題研究［D］.南京:南京林業大學，2009.

［5］曾暉，楊平，胡俊.特殊地層下盾構始發端頭加固技術實例研究［J］.鐵道建筑，2011(2):79-81.

［6］胡俊.高水壓砂性土層地鐵大直徑盾構始發端頭加固方式研究［D］.南京:南京林業大學，2012.

［7］江蘇省水文地質工程地質勘察院.南京地鐵十號線(西延線)DW-XK01-0000-1006標江心洲～中間風井區間巖土工程初步勘察報告［R］.南京:江蘇省水文地質工程地質勘察院，2011.

［8］胡俊.水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性試驗研究［J］.鐵道建筑，2013(4):156-159.