新型管幕凍結(jié)法不同管幕填充形式的溫度場數(shù)值對比分析

胡 俊，劉 勇，曾 暉

(1．海南大學土木建筑工程學院，?？?70228;2．新加坡國立大學土木與環(huán)境工程系，肯特崗新加坡117576;3．五邑大學土木建筑學院，廣東江門529020)

管幕法是先利用頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管，鋼管之間采用鎖口等進行止水，形成水密性地下空間，然后在大剛度管幕的保護下，對管幕包圍范圍土體進行開挖并澆筑主體結(jié)構(gòu)的一種方法。由于管幕形成大剛度臨時支護結(jié)構(gòu)，可以減少開挖時引起的地表變形，避免對周邊建筑物產(chǎn)生影響，對于淺埋大斷面軟土、建筑物密集、環(huán)境保護要求高的工程，具有無可比擬的優(yōu)點［1～3］。本文運用有限元軟件，對一種新型管幕凍結(jié)法不同管幕填充形式的溫度場發(fā)展規(guī)律進行數(shù)值對比分析，在此基礎(chǔ)上對凍土帷幕的發(fā)展、厚度變化和封閉性進行研究，論證該新型管幕凍結(jié)法施工的可行性，為今后類似工程設(shè)計提供理論參考依據(jù)。

1 新型管幕凍結(jié)法簡介

1．1 管幕凍結(jié)法

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程采用管幕法與人工地層凍結(jié)技術(shù)相結(jié)合的新工法，即“管幕凍結(jié)法”，充分地結(jié)合了管幕法與人工地層凍結(jié)法的優(yōu)點。該“管幕凍結(jié)法”如圖1所示，其施工工藝主要為:首先采用較為傳統(tǒng)的頂管技術(shù)或盾構(gòu)技術(shù)將一簇大直徑鋼管頂推或牽引至地層中，連綴成設(shè)計預(yù)想的地下結(jié)構(gòu)外輪廓，鋼管間止水不再采用鎖口的方式，而是采用在鋼管內(nèi)部布置“圓形主力凍結(jié)管”使兩管幕間形成凍土封水帷幕;然后在成型支護結(jié)構(gòu)的保護下開挖結(jié)構(gòu)內(nèi)部地層，并施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)［4～6］。

圖1 管幕凍結(jié)法［4］Fig．1 Pipe-roof freezing method［4］

1．2 新型管幕凍結(jié)法

本文研究的是一種新型管幕凍結(jié)法，其形成的支護結(jié)構(gòu)主要由兩個部分組成:第一部分為多個管幕鋼管;第二部分為鋼管之間凍結(jié)管形成的多個凍土帷幕，如圖2所示。其特征在于:所述管幕鋼管與凍結(jié)管交替布置，鋼管與凍土帷幕(凍結(jié)管實施積極凍結(jié)后所形成)一起組合形成大剛度的共同支護受力體系;所述管幕鋼管內(nèi)可填充普通混凝土以提高其剛度。與拱北隧道管幕凍結(jié)法相比，其新意在于將凍結(jié)管布置在鋼管之間而不是鋼管內(nèi)部，這樣使得管幕凍結(jié)法支護結(jié)構(gòu)的形狀更加多樣，可布置成圓形、矩形或其它任意形狀，具體形狀可根據(jù)修筑的地下結(jié)構(gòu)而定。

圖2 新型管幕凍結(jié)法注:1、管幕鋼管 2、凍結(jié)管 3、原狀土4、凍土帷幕 5、填充混凝土后的鋼管Fig．2 New type of pipe-roof freezing method(1．Pipe-roof 2．Frozen pipe 3．Undisturbed soil 4．Permafrost Curtain 5．Pipe-roof fill-in concrete)

2 溫度場數(shù)值模型的建立

2．1 模擬情況簡介

新型管幕凍結(jié)法由兩部分組成，一是管幕鋼管，二是鋼管之間的凍土帷幕。管幕鋼管內(nèi)可填充普通混凝土以提高其剛度，故如圖2所示，共分三種情況:一是管幕鋼管全部未填充混凝土，二是管幕鋼管間隔填充混凝土，三是管幕鋼管全部填充混凝土。管幕鋼管間凍結(jié)管的布置是根據(jù)管幕之間的距離和地下結(jié)構(gòu)的外形而定。

本文新型管幕凍結(jié)法數(shù)值模型分別采用圖2的三種情況，管幕鋼管間布置1根凍結(jié)管。管幕鋼管直徑為1 000 mm，凍結(jié)管直徑為108 mm，凍結(jié)管布置在管幕鋼管之間，距離相鄰的管幕鋼管500 mm，土層厚度為2 000 mm。

2．2 計算基本假定

假定土層具有均勻的初始溫度場，初始溫度取18℃;土層為一層，視為均質(zhì)、熱各向同性體;直接將溫度荷載施加到凍結(jié)管管壁上;忽略水分遷移的影響。

2．3 計算模型和參數(shù)選取

本文運用ADINA建立二維溫度場數(shù)值模型，選取了九節(jié)點網(wǎng)格劃分格式，網(wǎng)格劃分后的計算模型如圖3所示。

模型的材料參數(shù)見表1和表2，依據(jù)為相關(guān)報告及試驗［7～10］。

圖3 網(wǎng)格劃分后模型及研究路徑示意圖Fig 3 Illustratcion of mesh generation and study paths

表1 土體材料參數(shù)Tab．1 Material parameters of soil

表2 鋼管混凝土材料參數(shù)Tab．2 Material parameters of pipe-roof fill-in concrete

表3 鹽水溫度降溫計劃Tab．3 The cooling plan of brine temperature

土體材料參數(shù)見表1;鋼管混凝土材料參數(shù)見表2。凍結(jié)前地層初始溫度取18℃，并在整體模型邊界面上保持不變。管幕鋼管未填充時，鋼管表面設(shè)為空氣對流和輻射熱交換界面，空氣對流系數(shù)取500 kJ/m2·d·℃，空氣溫度恒為20℃。凍結(jié)管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，積極凍結(jié)期間鹽水降溫計劃見表3。根據(jù)降溫計劃，取凍結(jié)時間步為40 d，每步時間長為24 h。采用帶相變的瞬態(tài)導熱模型。

圖4 不同管幕填充形式不同凍結(jié)時間溫度場計算云圖Fig．4 Temperature contours at different freezing time with different fill-in procedures

2．4 研究路徑

為了更好地對比研究此新型管幕凍結(jié)法不同管幕填充形式凍土帷幕的溫度場發(fā)展與分布規(guī)律，分別設(shè)置了3條路徑和在路徑上的22個分析點，如圖3所示。路徑1(1～8號分析點)設(shè)置在管幕鋼管中間，凍結(jié)管之上100 mm開始設(shè)置，每隔100 mm設(shè)置一分析點;路徑2(9～15號分析點)和路徑3(16～22號分析點)設(shè)置于管幕鋼管與土層交界的位置，每隔100 mm(弧長)設(shè)置一分析點。

3 溫度場計算結(jié)果與分析

3．1 凍土帷幕閉合情況

不同管幕填充形式不同凍結(jié)時間溫度場計算結(jié)果云圖如圖4所示。由圖4可以看出:開始凍結(jié)后，凍土帷幕溫度是以凍結(jié)管為圓心呈同心圓分布，離凍結(jié)管越近溫度越低，隨著凍結(jié)時間的增加，凍土帷幕厚度逐漸增加。對于管幕鋼管全部填充的情況，到凍結(jié)30 d時，在管幕鋼管混凝土之間基本形成了封閉的凍土帷幕，其平均溫度達到約-8℃，之后凍土帷幕向管幕鋼管混凝土中發(fā)展，到凍結(jié)40 d時，管幕鋼管混凝土之間的凍土帷幕已經(jīng)形成，平均溫度約-12℃，其與鋼管混凝土一起組合形成了強度較高的支護結(jié)構(gòu)。對于管幕鋼管未填充和間隔填充的情況，由于空管表面空氣對流和輻射的影響，空管表面溫度始終未到0℃以下，說明在靠近空管的土體中極易產(chǎn)生滲水通道，進而影響凍土帷幕的形成，使得鋼管與凍土帷幕不能組合形成大剛度的共同支護受力體系，最終會導致工程事故。建議新型管幕凍結(jié)法宜采用管幕鋼管全部填充的形式，對于采用空管的情況，應(yīng)在空管表面敷設(shè)保溫層，應(yīng)采用導熱系數(shù)和吸水率小、阻燃性好的保溫材料。

3．2 路徑對比分析

3．2．1 路徑 1

路徑1設(shè)置在管幕鋼管中間，凍結(jié)管之上100 mm開始設(shè)置，每隔100 mm設(shè)置一分析點，路徑1上各點不同時間溫度空間分布曲線對比分析如圖5所示?？梢钥闯?隨著凍結(jié)時間的增加，各點溫度越來越低，到凍結(jié)40 d時，離凍結(jié)管最遠的8號分析點也基本降到0℃，說明此時凍土帷幕剛發(fā)展到8號點，距離凍結(jié)管中心800 mm;凍結(jié)30 d以前，管幕鋼管未填充各點溫度最低，管幕鋼管間隔填充其次，管幕鋼管全部填充各點溫度最高，到凍結(jié)40 d時，管幕鋼管全部填充各點溫度最低，說明在凍結(jié)前期(30d以前)，管幕鋼管未填充降溫較快，到凍結(jié)后期，管幕鋼管全部填充降溫較快。

圖5 路徑1上各點不同時間溫度空間分布曲線對比分析Fig．5 Temperature change along Path 1 at different points

3．2．2 路徑 2

路徑2(9～15號分析點)設(shè)置于管幕鋼管與土層交界的位置，每隔100 mm(弧長)設(shè)置一分析點，不同管幕填充形式下其溫度隨時間變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?管幕鋼管全部填充和間隔填充這兩種情況下各點降溫規(guī)律基本一致，越靠近凍結(jié)管溫度降溫越快，凍結(jié)40 d時，鋼材與凍土界面上各點的溫度基本達到0℃以下，界面溫度為0～-5℃;管幕鋼管未填充時各點溫度先下降后升高，溫度始終都在0℃以上，凍結(jié)40 d時，各點溫度約在6～13℃之間。

圖6 9～15號分析點溫度隨時間變化曲線Fig．6 Temperature change along Path 2 at different freezing time

路徑2上各點不同時間溫度空間分布曲線對比分析如圖7所示?？梢钥闯?管幕鋼管未填充時在凍結(jié)前期(20 d以前)降溫最快，凍結(jié)后期各點溫度反而升高;管幕鋼管全部填充和間隔填充這兩種情況下各點降溫規(guī)律基本一致。

圖7 路徑2上各點不同時間溫度空間分布曲線對比分析Fig．7 Temperature change along Path 2 at different points

3．2．3 路徑 3

路徑3(16～22號分析點)設(shè)置于管幕鋼管與土層交界的位置，每隔100 mm(弧長)設(shè)置一分析點，路徑3上各點不同時間溫度空間分布曲線對比分析如圖8所示。

圖8 路徑3上各點不同時間溫度空間分布曲線對比分析Fig．8 Temperature change along Path 3 at different points

可以看出:管幕鋼管未填充和間隔填充這兩種情況下各點降溫規(guī)律基本一致，與管幕鋼管未填充時的路徑2一樣，在凍結(jié)前期(20 d以前)降溫最快，凍結(jié)后期各點溫度反而升高，凍結(jié)40 d時各點溫度約在6～13℃之間;管幕鋼管全部填充時隨著凍結(jié)時間的增加溫度越來越低，凍結(jié)40 d時界面溫度為0～-5℃。

4 結(jié)束語

本文運用有限元軟件，建立二維數(shù)值模型對一種新型管幕凍結(jié)法不同管幕填充形式的溫度場發(fā)展規(guī)律進行了對比分析，通過模型中的3條路徑對凍土帷幕的發(fā)展、厚度變化和封閉性進行了分析，主要得出:

(1)與拱北隧道管幕凍結(jié)法相比，新型管幕凍結(jié)法的新意在于將凍結(jié)管布置在鋼管之間而不是鋼管內(nèi)部，這樣使得管幕凍結(jié)法支護結(jié)構(gòu)的形狀更加多樣，可布置成圓形、矩形或其它任意形狀，具體形狀可根據(jù)修筑的地下結(jié)構(gòu)而定。

(2)管幕鋼管全部填充時，凍結(jié)30 d后管幕鋼管混凝土之間的凍土帷幕已經(jīng)形成，其與鋼管混凝土一起組合形成了強度較高的支護結(jié)構(gòu);管幕鋼管未填充和間隔填充時，在靠近空管的土體中極易產(chǎn)生滲水通道，進而影響凍土帷幕的形成。

(3)新型管幕凍結(jié)法宜采用管幕鋼管全部填充的形式，當采用空管時應(yīng)在空管表面敷設(shè)保溫層，應(yīng)采用導熱系數(shù)和吸水率小、阻燃性好的保溫材料。

(4)在路徑1上，到凍結(jié)40 d時，離凍結(jié)管最遠的8號分析點也基本降到0℃，說明此時凍土帷幕剛發(fā)展到距離凍結(jié)管中心800 mm;在凍結(jié)前期(30 d以前)，管幕鋼管未填充時降溫較快，到了凍結(jié)后期，管幕鋼管全部填充時降溫較快。

(5)在路徑2和3上，空管界面溫度在凍結(jié)前期(20 d以前)降溫最快，凍結(jié)后期各點溫度反而升高，凍結(jié)40 d時各點溫度約在6～13℃之間;實管界面溫度隨著凍結(jié)時間的增加而越來越低，凍結(jié)40 d時各點溫度為0～-5℃。

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