濕熱氣候下淺覆土凍結溫度場有限元反演分析

陳智輝 王利軍 陸 路 羅 竹

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000； 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

濕熱氣候下淺覆土凍結溫度場有限元反演分析

陳智輝1王利軍1陸 路2羅 竹2

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000； 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

對濕熱氣候下淺覆土凍結溫度場進行了現場實測及有限元反演分析。結果發現：模擬得到的整個截面上的溫度場分布和實際的較接近。說明土體參數反分析時等效導熱系數取值合理。

濕熱氣候，淺覆土，凍結溫度場，有限元分析，現場實測

0 引言

隨著我國各大城市軌道交通建設的迅猛發展，同一區域修建的地下軌道到交通線路越來越多，越來越多的相鄰線路間形成大型樞紐站，但因受原有規劃設計滯后或是既有地鐵車站、隧道和上方建筑物存在的影響，讓立體交叉線路不得不進行穿越施工。人工凍結法具有良好的封水性能，且地層可復原性好、繞障性強、施工方便，可適用于各種地層條件，特別是在富含水的砂質土層中更具優越性，因此凍結加固土體便成為暗挖隧道安全穿越施工中的一種最可靠的工法被優先考慮[1-3]。長期以來，眾多業內學者及科研工作者進行了大量有關地鐵暗挖隧道人工凍結溫度場的實測及數值研究分析，這些工作對開展凍結土體加固施工有著重要的借鑒意義[4]。但是在我國南方城市(如廣州地區)進行地鐵施工時，由于常年濕熱的氣候，加之凍結邊界距地面較淺，給人工凍結溫度場的發展帶來了影響[5]。為了解濕熱氣候對淺覆土人工凍結溫度場的影響，很有必要依托實際工程開展現場實測，并與數值模擬對比分析，以便獲得相應溫度場發展規律為以后相似工程提供可靠的參考。

1 工程概況

1.1工程概述

廣州市軌道交通6號線大坦沙站—如意坊站盾構區間暗挖段隧道凍結加固工程在大坦沙站一側，與車站對接段隧道為雙線矩形斷面。凍結工程上部地面存在已經先期運營的5號線車站，與車站對接段有約10 m的隧道位于5號線地鐵車站的正下方。工程結構所處的地層為砂性土，含水量高、滲透性強、分布廣泛，且厚度大、連通好，與地表水聯系密切，富水性強。且廣州市地處低緯，由于暖濕氣流的盛行，氣候高溫多雨，年平均氣溫為21.4 ℃～21.9 ℃(廣州市各月平均氣溫見表1)。加之工程凍結地層離地面較近，頂板凍結邊線離地面只有約2.4 m，且廣州的氣溫較高，氣溫對地面的溫度影響對凍結帷幕不利。

表1 廣州市各月平均氣溫表

1.2凍結方案

本工程對接暗挖段隧道采取水平與垂直雙向凍結，凍結帷幕設計厚度2.0 m，凍結孔間距1.3 m，車站內布置水平凍結孔79個，設置13個水平測溫孔，見圖1。

實際鹽水降溫曲線見圖2。

2 有限元反演分析

有限元反演分析即是根據凍結孔的實際成孔現狀，建立凍結溫度場的數值模型，并結合鹽水的實際降溫曲線，開展凍結溫度場的數值模擬，如果所選擇參數使得凍結溫度場的計算值與實測值很接近，則認為所取參數為地層實際情況，從而將此參數作為分析整個溫度場的依據，并預測后期的凍結狀況。本文以水平凍結帷幕3.5 m處截面建立有限元計算模型，采用平面熱分析單元Plane35進行網格劃分，有限元網格劃分圖見圖3。經計算，至7月17日時的凍土帷幕溫度云圖見圖4。

3 有限元分析及實測分析結果對比

溫度場模擬的精確程度主要體現在測溫孔實測溫度與模擬結果的接近程度上，3.5 m處測溫孔實測與反演對比如圖5所示。從圖5可以看出測點的實測與模擬的測點溫度在變化趨勢及數值上均較接近，模擬得到的整個截面上的溫度場分布和實際的較接近。說明土體參數反分析時等效導熱系數取值合理。

為分析比較不同方法各路徑的凍結壁有效厚度和平均溫度，對有限元分析模型選取10個不同路徑進行分析，如表2所示。

表2 有限元法各路徑凍結壁有效厚度和平均溫度

為檢驗有限元分析的準確性，利用成冰公式和CAD作圖法對各路徑的平均溫度和凍結壁厚度進行求解，結果見表3。

表3 成冰公式和CAD作圖法各路徑的凍結壁有效厚度和平均溫度

由表2,表3可知，有限元數值方法得到的各路徑的平均溫度和凍結壁厚度與成冰公式和CAD作圖法計算所得的值比較靠近。

4 結語

本文通過對廣州地鐵6號線大坦沙站—如意坊站區間暗挖隧道凍結溫度場實測及有限元反演分析，得到了濕熱氣候下淺覆土凍結溫度場的凍結特征，主要有以下結論：

1)本工程埋深較淺，而廣州處于亞熱帶，日照充足，熱量豐富，年平均溫度為21.4 ℃～21.9 ℃，凍結工程是在3月份～9月份之間，氣溫對凍結壁的形成有不利的影響，但通過多種方法對凍結二區、三區凍結帷幕的厚度和平均溫度進行計算，計算結果表明至7月17日凍結壁厚度及平均溫度均已達到設計要求。

2)通過對3.5 m處測溫孔實測與反演對比，可以看出測點的實測與模擬的測點溫度在變化趨勢及數值上均較接近，模擬得到的整個截面上的溫度場分布和實際的較接近。說明土體參數反分析時等效導熱系數取值合理，對濕熱氣候淺覆土凍結溫度場的反演分析是切實可行的。

[1] 張 婷，楊 平.人工凍結法在地鐵建設中的應用與發展[J].森林工程，2012(6):74-78.

[2] 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，2006(6)：60-63.

[3] 崔 灝，李棟偉.水平凍結法施工溫度場數值模擬與分析[J].低溫建筑技術，2009，2(3):15-19.

[4] 岳豐田，王 濤.扎賚諾爾礦區白堊系地層凍結溫度場實測與分析[J].河北理工大學學報(自然科學版)，2009，31(2)：119-122.

[5] 黃 輝，岳豐田，張 勇，等.濕熱氣候下淺覆土凍結溫度場實測分析[J].工程技術(引文版)，2016(82):254-256.

Finiteelementinversionanalysisoffreezingfieldinshallowsoilunderhumidclimate

ChenZhihui1WangLijun1LuLu2LuoZhu2

(1.GuangzhouMetroGroupCo.,Ltd,Guangzhou510000,China; 2.SchoolofMechanics&CivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

The field temperature and the finite element inversion analysis were carried out in the shallow soil temperature field under humid climate. It is found that the temperature field distribution on the whole cross section is similar to that of the actual. Indicating that the equivalent thermal conductivity of the soil parameters is reasonable.

climate of warm-moist, shallow overburden soil, freezing temperature field, FEA, field measurement

1009-6825(2017)29-0090-02

2017-08-03

陳智輝(1974- )，男，工程師

TU413

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