盾構進出洞處地基水平杯型凍結加固的溫度場研究

曾 華

(上海軌道交通十號線發展有限公司,200231,上海∥高級工程師)

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盾構進出洞處地基水平杯型凍結加固的溫度場研究

曾 華

(上海軌道交通十號線發展有限公司,200231,上海∥高級工程師)

上海城市軌道交通某線在凍結法加固盾構進出洞工程在穿越一中間風井時采用水平杯型凍結技術。通過凍結溫度場分析,驗證了該風井處進出洞凍結工程設計中杯身凍結器比杯底凍結器長1.1 m的合理性,同時驗證了水平杯型凍結壁設計在盾構機進出洞凍結工程設計中的科學性,為同類工程設計和施工提供借鑒。

地鐵盾構； 進出洞工程； 水平杯型凍結; 溫度場; 凍結壁

Author′s address Shanghai Rail Transit L 10 Developing Co.,Ltd.,200231,Shanghai,China

隨著城市軌道交通地下線的快速建設,凍結法施工技術成為解決復雜地層中構筑地下結構的常用加固方式之一[1-2]。凍結法施工是通過人工制冷的方法使土中的水凍結并將離散的固體顆粒膠結成整體,從而大幅提高地層強度,形成凍結壁以抵抗水土壓力,進而保障地下結構工程施工安全可靠[3]。

在地鐵盾構工程建設中,盾構隧道端頭是盾構法施工事故多發地帶,其土體加固是盾構機安全始發與接收的重要保障。因此,盾構始發與接收已成為盾構法施工中風險最大的環節。其端頭土體加固的質量好壞直接關系到盾構機能否安全始發、接收。

水平杯型凍結技術在盾構進出洞端頭加固中具有良好的止水性能和施工方便、環保、適應性強等特點,已成為其他地層加固方法難以解決問題時的主要解決方案[4]。但由于盾構進出洞水平凍結工程多采用無縫鋼管作為凍結管,故在盾構推進過程中,為避免凍結管損傷盾構機刀盤,盾構推進范圍內的凍結器需提前關閉并瞬時“解凍”拔出,拔出后的凍結壁亦要保證足夠的強度和厚度,以滿足工程安全施工需要。因此,有必要研究凍結器提前關閉并瞬時“解凍”拔出后的溫度場發展特點。

1 工程概述

上海軌道交通某線采用盾構法施工,其上、下行線隧道盾構推進將穿越一中間風井。在風井西端頭井設置接收進洞,在風井東端頭井設置始發出洞。風井4個洞門分布如圖1所示。洞門圈直徑φ7.1 m,端頭井地面標高約為3.64 m。西端頭井上、下行線中間風井與區間分界里程分別為SK33+370.166、XK33+377.100,中心標高分別為-20.723 m、-20.683 m；東端頭井上、下行線中間風井與區間分界里程分別為 SK33+395.166、XK33+402.102,中心標高分別為-20.849 m、-20.805 m。

圖1 風井洞門平面圖

盾構進(出)洞處采用水泥系和凍結法復合加固工法,并使用鋼套筒進行接收。凍結加固為水泥系加固的輔助措施。地勘資料顯示，盾構接收端頭井主要穿過⑤1灰色黏土層。

洞門凍結設杯身凍結孔35個,孔深4.7 m(以風井地下連續墻內緣處為準),設杯底凍結孔25個,孔深3.6 m(以風井地下連續墻內緣為準)。端頭井每個洞門積極凍結40 d,積極凍結的鹽水溫度為-30 ℃；凍結壁厚2.4 m,平均溫度為-10 ℃。凍結孔采用φ89×8的無縫鋼管,其布置如圖2所示。

圖2 風井洞門處凍結孔布置圖

圖3 凍結溫度場計算模型

2 凍結溫度場的數值模型

凍結溫度場是溫度隨空間和時間的變化過程,是一個有相變、有移動邊界、邊界條件復雜的不穩定瞬態的導熱問題[5-6]。凍結溫度場的研究方法主要有解析計算、物理模擬和數值分析模擬計算等。解析計算方法復雜,且假設條件較多,其計算結果與實際工程偏差較大，僅能定性地解決一些問題,無法從定量上指導施工。基于相似理論的物理試驗模擬方法，其工程量大,且具有較長試驗周期,有一定的試驗誤差。隨著計算機技術的日新月異,運用計算軟件解決工程問題得到廣泛推廣,且ANSYS、FLAC等數值解析軟件非常強大[7],故數值分析模擬計算方法已廣泛應用到工程中指導實際施工生產。

圖4 積極凍結40 d的溫度場云圖

該風井進出洞凍結工程可運用有限元模擬軟件ANSYS建立模型,并依據工程實際實施參數進行計算。首先積極凍結40 d,當凍結壁厚度和強度達到設計要求時,“杯底”凍結器循環50 ℃鹽水30 min后拔出并停凍,研究停凍后“杯體”溫度場的發展特點。

建立數值模型基于以下假設:①地層為各向同性;②凍結管周邊溫度均勻分布,凍結管邊界溫度比凍結管中的鹽水溫度高2℃,且凍結管外邊界為凍結冷源的主要荷載施加位置;③溫度場計算不考慮地下水滲流作用的影響。

以該風井進出洞為原型,采用APDL語言建立參數化三維溫度場有限元模型,并取1/4圓周模型進行計算(如圖3)。計算模型直徑為20 m,長10 m,單元類型為8節點的SOLID70。模型邊界條件為:模型起始溫度10℃,模型外圈邊界溫度10℃,模型其余邊界均為絕熱,凍結器加載溫度-28 ℃。在此條件下積極凍結40 d,則溫度場云圖見圖4,“杯底”凍結器瞬時“解凍”拔出并停凍(解凍后的溫度場云圖見圖5),以此分析“杯底”的溫度變化。瞬時解凍即在凍結器加載30 min 50 ℃溫度荷載。土體熱物理參數見表1,混凝土熱物理參數見表2。從積極凍結30 d測溫點數值模擬與工程實測對比曲線(如圖6)可見,數值模擬測溫點的溫度變化曲線與實測較為吻合,采用模擬的參數得出的計算結果與工程實測接近,可指導施工。水平凍結杯型凍結壁結構示意圖見圖7。

3 結果分析

“杯底”凍結器停凍5 d后的凍結溫度場云圖如圖8所示。可以看出，“杯底”凍結器停凍后,在“杯身”凍結器繼續開啟的作用下,能完全隔絕隧道圓周范圍內地溫對已經凍實且停凍“杯底”凍結壁的影響,且有效保護地溫在“杯口”縱向方向對“杯底”凍結壁的影響范圍,從凍結溫度場變化上驗證了水平杯型凍結壁設計在盾構機進出洞凍結工程設計中的科學性。停凍后的“杯底”溫度場呈中間薄、邊緣厚的形態,即在同一縱切面內,靠近“杯身”凍結器的土層溫度低,越遠溫度越高,在隧道中心點溫度最高。

表1 地層的熱物理參數[8]

表2 混凝土的熱物理參數

圖5 杯底凍結器瞬時循環50℃溫水后的溫度場云圖

圖6 積極凍結30 d測溫點數值模擬與工程實測對比曲線

圖7 水平凍結杯型凍結壁結構示意

從停凍5 d“杯底”上表面溫度場變化云圖(如圖9)來看,“杯底”凍結器循環50 ℃鹽水30 min形成的升溫區范圍非常有限,大約凍結管壁外15 mm范圍形成瞬間溫升區,經過2 d發展凍結壁已完全將溫升區熱量消耗,見圖9 c)。在杯底范圍內,受地溫在“杯口”縱向方向對“杯底”凍結壁的影響,“杯底”上表面應為凍結壁厚度的溫度最高區域,但從圖9 f)來看,停凍5 d時,“杯底”上表面溫度依然低于-10 ℃,滿足平均溫度設計要求。

圖8 “杯底”凍結器停凍5 d凍結云圖

圖9 停凍后5 d內“杯底”上表面溫度場變化云圖

隧道中心線處一定長度范圍內停凍后的溫度變化曲線如圖10所示。從圖中曲線變化上可以看出,停凍后前2 d溫度場的變化較為劇烈,而后受“杯身”凍結器的影響,變化較為緩慢。在風井地下連續墻側做了較好的保溫處理后,杯底凍結壁即使停凍10 d也依然滿足平均溫度低于-10℃的設計要求。這印證了該隧道風井進出洞凍結工程中杯身凍結器比杯底凍結器長1.1 m的合理性。

圖10 隧道中心線處一定長度范圍內停凍后溫度變化

4 結論

(1) 通過分析“杯底”凍結器停凍后的凍結溫度場變化,驗證了水平杯型凍結壁在盾構機進出洞凍結工程設計的科學性。

(2) 在實際施工中,為方便拔出凍結壁中的凍結管,在“杯底”凍結器中循環50 ℃鹽水30 min,凍結管壁外15 mm范圍形成瞬間溫升區,溫升區對凍結壁溫度場影響時間短,影響時間約2 d。

(3) 在地下連續墻面保溫處理后,杯底凍結壁經停凍10 d依然滿足平均溫度低于-10 ℃的設計要求。這印證了該風井進出洞凍結工程中杯身凍結器比杯底凍結器長1.1 m的合理性。

[1] 王杰.盾構進出洞水泥土加固后水平凍結溫度場研究[D].南京：南京林業大學,2012.

[2] 張婷.盾構進出洞水平凍結溫度場及地表凍脹變形研究[D].南京：南京林業大學,2013.

[3] 武亞軍,潘濤,唐軍武.人工凍結技術在城市地下工程中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2006(6):60.

[4] 樊文虎,楊平,姚夢威.盾構始發端頭水平凍結加固方案設計研究[J].鐵道建筑,2015(8):39.

[5] 王暉,李大勇,李健,等.地鐵聯絡通道凍結法施工三維數值模擬分析[J].地下空間與工程學報,2011(S2):1589.

[6] 張濤,齊善忠.局部保溫條件下單管凍結溫度場的研究[J].山西建筑,2006，32(7):137.

[7] 張國智,胡仁喜..ANSYS10.0熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社,2007.

[8] 中國礦業大學,同濟大學.上海地區人工凍土物理力學性能試驗及應用技術研究報告[R].上海：同濟大學,2010.

[9] 敖松,韓圣銘.淺覆土.凍結法加固的凍脹控制技術應用[J].城市軌道交通研究，2014(4)：107.

長沙中低速磁浮快線開通試運營

5月6日，中國首條具有完全自主知識產權的中低速磁懸浮商業運營示范線——長沙磁浮快線開通試運營。長沙磁浮快線全長18.55 km，起于京廣、滬昆高鐵交匯的長沙火車南站，止于黃花機場，全線設3座車站。試運營初期配置5列車體，運營時段為上午9時至下午6時，試行票價全程為每人20元人民幣。 長沙磁浮快線試運營，讓中國成為世界上少數幾個掌握中低速磁懸浮列車技術的國家之一。中低速磁浮列車具有安全、噪聲小、轉彎半徑小、爬坡能力強等特點，多項成果達到國際領先水平。

“磁浮列車是我們奮斗多年的一個愿望、目標，今天快要實現了。”中國工程院院士、鐵道電氣化自動化專家錢清泉說，他很感激有這樣的湖南精神，值得學習。中國工程院院士劉友梅表示，磁浮列車將會給中國帶來一個范例，會成為未來城市公共交通中一種新型交通方式，并將大步走向世界。國防科技大學教授常文森則認為，現在的技術已經成熟，中國大規模發展磁浮列車的時代已經到來。德國磁浮專家Wolfgang Otto說，長沙磁浮列車運行穩定，乘客愉快地享受舒適的乘坐體驗，列車準時準點，對中國、亞洲和全球市場都形成一個良好的信號。

(摘自2016年5月6日中新網，記者 付敬懿報道)

On Frozen Temperature Field of Horizontal Cup-type Freezing Technology in Shield Entry Engineering

ZENG Hua

A certain line project of Shanghai rail transit adopts the horizontal cup-type freezing technology to reinforce tunnel portals in an entry engineering. Through analyzing the frozen temperature field, it is confirmed that the cup-body freezers are 1.1 meter longer than the cup-bottom freezers, and the horizontal cup-type freezing design is verified to be scientific. This research could be used as a reference for similar engineering design and construction.

metro shield; shield entry engineering; horizontal cup-type freezing technology; temperature field; freezing wall

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.06.023

2016-02-24)