盾構隧道端頭半球形凍結壁溫度場發展規律研究

胡俊，衛宏，劉勇，李玉萍，3，姚凱

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 海口 570228；2.新加坡國立大學 土木與環境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學 土木與交通工程學院，南京 210098)

盾構隧道端頭半球形凍結壁溫度場發展規律研究

胡俊1，衛宏1，劉勇2，李玉萍2，3，姚凱2

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 海口 570228；2.新加坡國立大學 土木與環境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學 土木與交通工程學院，南京 210098)

對盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構作簡單介紹，運用有限元軟件數值建模分析了半球形凍結壁溫度場的發展規律。主要得出：半球形凍結壁是一種高效節能的盾構隧道端頭凍結加固方式；凍結初期，凍土帷幕是以凍結管為中心呈柱狀向外擴展，到凍結40d時，可形成厚度約為1.8m的封閉半球形殼體凍土帷幕；可采用增加環形凍結管對數、延長凍結時間和降低鹽水溫度來將半球形凍結壁凍實；半球形凍結壁縱向(X軸)凍結影響范圍約為5m。

半球形凍結壁；端頭加固；凍結法；數值模擬

0 引言

目前，盾構隧道端頭加固是盾構法施工中的關鍵環節，具有很大的工程施工風險[1-8]。在沿海軟土地區，特別是盾構隧道端頭地層為富含水砂層時，采用常規的化學加固手段很難達到工程要求，在探孔時常會有漏水漏砂現象，為了保證盾構進出洞安全，常采用人工凍結法來進行端頭土體加固[9-10]。常規的人工凍結技術采用在端頭地面打入垂直凍結管實施垂直凍結加固，或在工作井內開挖洞門處打入水平凍結管實施水平凍結加固[11-14]，這兩種常規的凍結加固方式都存在著打入土體凍結管過多、凍結需冷量大、整個凍結過程耗電量大、凍脹融沉量大的缺點，如何找到一種高效節能的盾構隧道端頭凍結加固方式是目前亟待解決的關鍵問題。

為了解決上述問題，一種盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構應運而生。本文運用有限元軟件，數值建模分析該半球形凍結壁溫度場的發展規律，對凍土帷幕的發展及厚度變化等進行分析，論證該加固結構的可行性，為今后類似工程設計提供技術參考依據。

1 盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構簡介

1.1 概述

盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構是在盾構隧道端頭工作井內的開挖洞門處向土體中對稱打入三對環形凍結管，通過在環形凍結管中循環冷媒介質，最終在盾構隧道端頭地層中形成半球形凍土帷幕，在半球形凍土帷幕的保護下，盾構順利始發或到達，如圖1所示。環形凍結管直徑一般為108 cm或127 mm；環形尺寸由洞門大小決定，應保證在土體中形成半徑大于洞門半徑的半球形凍土帷幕。凍結管材質通常為低碳無縫鋼管，也可以采用PVC等塑料管。當采用塑料管時，盾構始發或到達無需拔除凍結管，可直接切削推進[15]。

圖1 盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構示意圖Fig.1 Sketches of hemispherical frozen wall reinforcement of the shield tunnel end

1.2 有益效果

采用盾構隧道端頭半球形凍結壁加固方式時凍結管用料大大減少，凍結需冷量也大大減少，凍脹融沉量也相應較小，在保證加固效果特別是止水效果的同時，大大節約了能源，從而有較好的經濟效益，具有較大的推廣應用價值。

1.3 施工工藝流程

首先進行環形凍結孔的鉆孔施工，同時進行凍結站的安裝；環形凍結孔施工完畢后，進行凍結孔串聯管路及保溫工作；然后進行積極凍結，通過測溫孔觀測計算，確定凍結滿足洞門鑿除條件后，開始破除洞口槽壁。如果凍結管是塑料材質，則無需拔除環形凍結管，如果凍結管是低碳無縫鋼管，則需先拔除凍結管，之后進行盾構始發或到達推進。整個施工工藝流程如圖2所示。

2 溫度場數值模型的建立

2.1 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℃(一般地層10 m以下恒溫帶溫度為15～20℃)；土層為一層，視為均質、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到環形凍結管管壁上；忽略水分遷移的影響；土層的凍結溫度取為-1℃。

圖2 半球形凍結壁加固結構施工工藝流程圖Fig.2 Construction technology flowchart of hemispherical frozen wall reinforcement structure

2.2 計算模型和參數選取

本文基于圓形盾構機直徑為6.34 m來建立三維溫度場數值模型，其幾何尺寸為：以暴露掌子面中心點為坐標原點，取縱向長度(X軸方向)×橫向寬度(Y軸方向)×垂直深度(Z軸方向)=20 m×40 m×50 m。洞門處向土體中對稱打入三對環形凍結管，三對環形凍結管平行于XZ平面布置，環形直徑分別為6.47、4.74、1.73 m，分別距Z軸0.865、2.37、3.235 m；凍結管直徑取127 mm；選取了4節點網格劃分格式。幾何尺寸及網格劃分后模型如圖3所示。

圖3 數值模型幾何尺寸及網格劃分示意圖Fig.3 Numerical model geometry size and meshing diagram

依據相關報告及試驗[16-17]，模型土體材料采用熱傳導單元，參數見表1。

表1 土體材料參數

凍結前地層初始溫度取18℃，環形凍結管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，鹽水降溫計劃見表2。根據降溫計劃，取凍結時間步為40 d，每步時間長為24 h。采用帶相變的瞬態導熱模型。

表2 鹽水溫度降溫計劃

3 溫度場計算結果與分析

3.1 凍土帷幕基本情況

圖4為半球形凍結壁X=0剖面(左)及Z=0剖面(右下)不同時間-1 ℃與-10 ℃溫度等值線圖。可以看出：凍結初期，凍土帷幕是以凍結管為中心呈柱狀向外擴展；凍結20 d時，在X=0剖面，離Z軸最遠的那對環形凍結管開始交圈，在Z=0剖面，離Z軸最近的那對環形凍結管開始交圈；凍結30 d時，整個半球形凍土帷幕還未形成，直到凍結40 d時，半球形加固結構形成了一個封閉的半球形殼體凍土帷幕，殼體厚度大約1.8 m。在這個殼體凍土帷幕的保護下，盾構機可進行始發或到達掘進。若想把半球形凍結壁凍實，形成一個半球形凍結壁實體，有以下三個方法：一是增加環形凍結管的對數，可從3對變為4對或5對(即使增加到5對，與常規的垂直或水平凍結相比也極大地減少了凍結管用料)；二是延長凍結時間，增加到50 d左右；三是降低鹽水溫度，從第十天開始可將鹽水溫度降到-40℃。

(a)凍結10 d

(b)凍結20 d

(c)凍結30 d

(d)凍結40 d圖4 半球形凍結壁X=0剖面(左)及Z=0剖面(右下)不同時間-1 ℃與-10 ℃溫度等值線Fig.4 Temperature contours of profile X=0(left)and >profile Z=0(right)at the temperature of-1 ℃ and -10 ℃ at the different freezing time.

圖5為凍結40 d時凍土帷幕總體情況，包括X=0、-1、-2、-3 m這4個剖面的溫度場云圖以及-1、-10℃等溫線圖。可以看出：凍結40 d時，一個封閉的半球形殼體凍土帷幕已經形成，殼體厚度大約1.8 m。

(a)X=0 m

(b)X=-1 m

(c)X=-2 m

(d)X=-3 m圖5 凍結40 d時凍土帷幕總體情況Fig.5 Freezing curtain during 40-day freezing

3.2 路徑分析

從掌子面中心開始，沿著隧道縱向(X軸)開挖方向每隔1 m布設一分析點，形成一條長5m的分析路徑，共6個分析點，各點溫度隨時間變化曲線如圖6所示。可以看出：靠近環形凍結管距掌子面3 m的分析點降溫最快，凍結12 d時溫度降到0℃；其余各點離環形凍結管越遠降溫越慢，凍結40 d時，其余各點溫度均在5℃之上；距掌子面5 m的分析點溫度幾乎不變，說明半球形凍結壁加固結構的縱向(X軸)凍結影響范圍為5 m以內。

圖6 各點溫度隨時間變化圖Fig.6 Temperature changing curves with cooling time at different points

圖7為各點不同時間溫度空間分布曲線圖，可以看出：凍結40 d時，環形凍結管所形成的凍土帷幕厚度約為1.8 m；環形凍結管外側土體溫度回升較快，離凍結管1.8 m以外溫度幾乎不受降溫影響；環形凍結管內側土體由于被包裹在環形凍結管里面，溫度回升較慢。

圖7 各點不同時間溫度空間分布曲線Fig.7 Termperature changing curves with the cooling time at different spatial points

4 結束語

本文對盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構作了簡單介紹，運用有限元軟件數值建模分析了該半球形凍結壁溫度場的發展規律，主要得出：

(1)盾構隧道端頭半球形凍結壁加固方式與傳統端頭凍結加固方式相比，凍結管用料和凍結需冷量大大減少，凍脹融沉量也相應較小，在保證加固效果特別是止水效果的同時，可節約能源，從而有較好的經濟效益。

(2)凍結初期，凍土帷幕是以凍結管為中心呈柱狀向外擴展；凍結40 d時，一個封閉的半球形殼體凍土帷幕已經形成，殼體厚度約為1.8 m。

(3)將半球形凍結壁凍實的措施如下：增加環形凍結管的對數、延長凍結時間、降低鹽水溫度。

(4)通過路徑分析可知：環形凍結管外側土體溫度回升較快，離凍結管1.8 m以外溫度幾乎不受降溫影響；環形凍結管內側土體由于被包裹在環形凍結管里面，溫度回升較慢。

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[15]胡俊.一種盾構隧道端頭半球形凍結壁加固結構：中國，201521026863.2[P]，2015年12月11日.

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Study on Temperature Field Development Law of Hemispherical Frozen Wall at the End of Shield Tunnel

Hu Jun1，Wei Hong1，Liu Yong2，Li Yuping2，3，Yao Kai2

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China； 2.Department of Civil and Environmental Engineering，National University of Singapore，Singapore 117576，Singapore； 3.College of Civil and Transportation Engineering，Hehai University，Nanjing 210098，China)

A brief introduction was given on the reinforcement structure of hemispherical frozen wall at the end of shield tunnel in this paper.The method of Finite Element Numerical Simulation was used to analyze the development of temperature field of the hemispherical frozen wall.The results showed that the hemispherical freeze wall is an energy-efficient freezing reinforcement way for end of shield tunnel.In the initial freezing stage，frozen soil curtain centered at the frozen pipes and extended outwards in a pillar shape.A thickness of about 1.8m closed hemispherical shell frozen soil curtain would be formed when it experienced 40 days freezing.It could uniformly freeze the hemispherical frozen wall to improve the frozen effects by increasing the number of pairs of freezing pipes，prolonging freezing time and lowering the brine temperature.The effect radius of a hemispherical frozen wall was about 5 m along the longitudinal(X-axis)direction.

hemispherical frozen wall；end reinforcement；freezing technique；numerical simulation

2016-09-05

國家自然科學基金項目(51368017)；海南省重點研發計劃科技合作方向項目(ZDYF2016226)；海南省科技項目(ZDXM2015117)；中國博士后科學基金資助項目(2015M580559)；海南省教育廳高等學校科研項目(Hnky2016ZD-7，Hnky2015-10)

胡俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。E-mail：183633299@qq.com

胡俊，衛宏，劉勇，等.盾構隧道端頭半球形凍結壁溫度場發展規律研究[J].森林工程，2017，33(1)：88-91.

U 455.43

A

1001-005X(2017)01-0088-04