凍結鹽水溫度對人工凍結溫度場影響研究★

張生權 霍永鵬 文彥鑫 揭定前 伍 旺 晏啟祥

(1.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司,廣東 深圳 518083; 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

在建設城市地鐵盾構隧道時，需要修建大量聯絡橫通道以滿足安全、逃生和通風等要求[1]。聯絡通道是城市地鐵中的重要結構，具有施工難度大、風險高等特點。所以，進行聯絡通道開挖前需要對周圍土體進行加固處理，在高溫氣候地區常用旋噴樁加固，在砂質地層常用注漿法加固，而對于富水松軟地層常用凍結法加固[2]。凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行井筒或地下工程掘進施工的特殊施工技術。由于施工方便、防水效果好、凍土強度高、對周邊環境影響小等優點，凍結法已經被廣泛應用于城市地鐵隧道工程[3-5]。許多學者結合現場和數值模擬手段分析了凍結法溫度場的發展規律，驗證了數值分析的可靠性[6,7]。凍結鹽水溫度是凍結工程中最重要的參數之一，本文依托成都地鐵10號線雙流西站—空港二站區間1號聯絡通道凍結工程，建立三維實體模型，研究凍結鹽水溫度對凍結溫度場的影響。

1 工程概況

成都地鐵10號線雙流西站—空港二站區間隧道為穿越停機坪區段，線路經過機場內的停機坪、航油管線、G指廊、滑行跑道、維修基地后到達2號風井后，沿大件路到達雙流西站明挖區間盾構井。區間隧道設計長8.23 km，左右線隧道中心線距離13.0 m。區間聯絡通道有2座采用凍結法施工，本文以風險較大、沉降控制要求較高的1號聯絡通道為研究對象。1號聯絡通道位于成都雙流機場停機坪下方，區間里程YDK11+444.000，埋深為20.7 m。聯絡通道處于中密卵石土層，巖性較為單一，地基土穩定性整體較好，但地下水豐富，滲透系數大(k=20 m/d)，且水源補給充沛，聯絡通道縱斷面以及土層情況如圖1所示。

2 凍結加固方案設計

聯絡通道周圍共有61個凍結孔，采用φ89×10 mm低碳鋼無縫鋼管作為凍結管，凍結孔開孔位置誤差不宜大于100 mm，凍結孔允許偏斜不大于150 mm。按上仰、水平、下俯三個方向布置在聯絡通道周邊，具體位置如圖1所示。

圖1中設有4個透孔用于對側凍結管路及冷凍排管供冷，8個測溫孔和4個泄壓孔監測凍結加固動態信息，虛線表示C1～C8測溫孔，X1～X4為布置的4個卸壓孔。單孔鹽水流量為5 m3/h～7 m3/h，聯絡通道需冷量為4.6×104Kcal/h。聯絡通道凍結壁設計厚度為2.0 m，凍土平均發展速度按22 mm/d～26 mm/d計算，交圈時間在20 d～25 d；凍結壁平均溫度為-10 ℃，積極凍結時間為45 d。設計鹽水溫度在積極凍結5 d后降至-18 ℃以下，10 d后降到-22 ℃以下；開挖時鹽水溫度-22 ℃～-25 ℃左右，去、回路鹽水溫差不大于2 ℃。

3 不同凍結鹽水溫度影響分析

利用ABAQUS建立三維數值模型，其中盾構隧道、聯絡通道、凍結管和二次襯砌等結構均按實際尺寸設計，為了減小模型的邊界效應，最終模型整體尺寸定為30 m×40 m×20 m。土體、隧道襯砌、凍結管均選擇C3D8RT單元，即溫度—位移耦合的單元。考慮的荷載有：重力荷載、溫度荷載，其中溫度荷載按照實測的現場鹽水溫度進行加載。其邊界分為兩類：溫度初始條件，初始溫度設定為20 ℃；位移邊界條件，約束凍結管U1,U2,U3三個方向的位移、土體左右兩個側面U1方向位移、土體前后面U2方向位移以及土體底部在U1,U2,U3三個方向的位移。凍結管和土體之間采用tie連接。模型的建立如圖2所示。

本工程中聯絡通道所處的土層為人工填土、粉質粘土、砂卵石地層，根據相關地質資料和熱物理試驗結果，有限元計算模型中各土層的物理力學性能和熱物理參數隨溫度非線性變化，具體取值見表1。

表1 土體物理力學性能和熱物理參數表

凍結管內壁溫度荷載如圖3所示。荷載曲線分別設置為實測鹽水溫度曲線，實測鹽水溫度+2 ℃和實測鹽水溫度-2 ℃，其余參數保持不變。分別計算模型溫度場，監測截面及監測點如圖4所示，選取8個監測點分析凍結效果，各模型溫度場計算結果如圖5所示。

從圖5可以發現如下規律：監測點2、點3、點6、點7的溫度下降速度明顯快于監測點1、點4、點5、點8。監測點2、點3距離凍結管為0.35 m，監測點6、點7距離凍結管為0.5 m，監測點1、點4、點5、點8凍結管的距離為1 m。在凍結13 d～18 d左右，監測點2，點3，點6，點7的溫度曲線有個明顯的拐點，這是由于此時土體正處于相變狀態，土體中的水開始結冰，溫度變化劇烈。上下兩側的雙管凍結的速度稍快于左右兩側的單管凍結，在凍結14 d左右，監測點2、點3溫度低于-2 ℃，上下兩側凍結帷幕此時厚度達到1 m，在凍結18 d左右，監測點6、點7溫度低于-2 ℃，左右兩側凍結帷幕此時厚度達到1 m。監測點1、點5的溫度一直在緩慢地下降，在凍結45 d之后，尚未達到凍結溫度-2 ℃。監測點4、點8在凍結前15 d溫度下降速度較快，迅速降溫至0 ℃，之后一直保持在0 ℃左右，甚至有緩慢上升的趨勢，在凍結42 d時，土體開始凍結，之后溫度繼續下降。在凍結時間為15 d～40 d時，監測點4、點8溫度不再下降是因為距離凍結管較近的區域正在開始結冰，此時相變釋放的潛熱中和了大量冷量。

從表2可以得出，當溫度荷載比實測鹽水溫度高2 ℃時，在凍結45 d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為1.90 m，上下兩側平均厚度約為2.04 m，不滿足設計厚度(2 m)，不能達到開挖要求。當溫度荷載為實測鹽水溫度時，在凍結10 d之后，凍結帷幕已經交圈，形成閉合環。在凍結45 d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為2.05 m，上下兩側平均厚度約為2.2 m，滿足設計要求。當溫度荷載比實測鹽水溫度低2 ℃時，在凍結45 d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為2.08 m，上下兩側平均厚度約為2.24 m，滿足設計要求。

表2 凍結45 d后監測點溫度及凍結壁厚度

從研究結果可知：溫度荷載比實測鹽水溫度高2 ℃時，不能滿足設計要求。當溫度荷載為實測鹽水溫度時，在滿足設計要求的同時，合理的利用了資源與空間。當溫度荷載比實測鹽水溫度低2 ℃時，凍結壁厚度偏大，會侵入聯絡通道開挖界限。故在現場凍結工程中，凍結鹽水溫度控制較為合理，能夠滿足聯絡通道開挖施工要求，同時不會過多侵入聯絡通道開挖界限。

4 結論

本文以成都地鐵10號線區間聯絡通道的凍結工程為背景，建了三維實體模型，研究了不同凍結鹽水溫度對人工凍結法溫度場的影響，得到以下結論：

1)將凍結鹽水溫度分別設置為比實測溫度高2 ℃、實測溫度、比實測溫度低2 ℃，通過數值模擬，可以得出凍結半徑隨著鹽水溫度的降低而增加，對應的左右兩側凍結半徑分別為1.9 m，2.02 m，2.08 m。對應的監測點溫度也隨著鹽水溫度的降低而減小，監測點1的溫度依次為-1 ℃，-1.4 ℃，-3 ℃，監測點2的溫度依次為-15 ℃，-16.7 ℃，-18.4 ℃，監測點3的溫度依次為-16.7 ℃，-18.5 ℃，-20.2 ℃，監測點4的溫度依次為-4.4 ℃，-5.9 ℃，-7.4 ℃，監測點5的溫度依次為0.55 ℃，-0.1 ℃，-0.7 ℃，監測點6的溫度依次為-12.2 ℃，-13.9 ℃，-15.5 ℃，監測點7的溫度依次為-15.3 ℃,-17.2 ℃，-19 ℃，監測點8的溫度依次為-3.4 ℃，-5.4 ℃，-7.1 ℃。

2)溫度荷載比實測鹽水溫度高2 ℃時，不能滿足設計要求。當溫度荷載為實測鹽水溫度時，在滿足設計要求的同時，合理的利用了資源與空間。當溫度荷載比實測鹽水溫度低2 ℃時，凍結壁厚度偏大，會侵入聯絡通道開挖界限。故現場凍結工程中，鹽水溫度控制較為合理，能夠滿足聯絡通道開挖施工要求，同時不會過多侵入開挖界限。