凍結管直徑對聯絡通道人工凍結溫度場影響分析

宋修元， 霍永鵬， 文彥鑫， 蔣 輝， 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 518000; 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 610000; 3. 成都軌道建設管理有限公司, 四川成都 610000)

聯絡通道是地鐵工程中的重要結構，開挖時具有施工技術難大、風險高等特點。所以，通常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地面旋噴樁加固，在砂質地層、砂礫層常用注漿加固，而對于富水松軟地層常用凍結法加固[1-2]。凍結法實質是利用人工制冷技術臨時改變巖土的狀態，使固結的地層形成凍結壁，從而達到止水和承載的作用。由于施工方便、防水性能好、土體強度高、對周邊環境影響小等優點，凍結法在城市地下工程的施工中越來越受到重視，已經被廣泛應用于地基基礎工程、城市地鐵、隧道工程、水利工程以及市政工程中[3-5]。王志良、陳長臻等分析了單管凍結溫度場的發展規律，并且提出凍結管間相互作用的重要性[6-7]。蔡海兵以實際工程為背景，建立三維數值計算耦合模型，對聯絡通道積極凍結期的溫度場分布規律進行系統分析，驗證了數值分析的可靠性[8]。本文依托成都地鐵10號線雙流西站～空港二站區間1#聯絡通道凍結工程，建立三維實體模型，研究凍結管直徑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8.23km，左右線隧道中心線距離13.0m。區間聯絡通道總共6座，其中2座采用凍結法施工，本文以風險較大、沉降控制要求高的1#聯絡通道為研究對象，位于成都雙流機場停機坪下方，區間里程YDK11+444.000(ZDK11+444.000)，埋深為20.7m。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=20m/d)，且水源補給充沛，對本工程影響較大的主要為第四系砂、卵石層的孔隙潛水和基巖裂隙水，聯絡通道縱斷面以及土層情況如圖1所示。

圖1 聯絡通道凍結孔布置

2 凍結加固方案設計

聯絡通道周圍共有61個凍結孔，采用φ89×10mm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100mm，凍結孔允許偏斜不大于150mm。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。其中，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，紅色虛線表示C1～C8測溫孔，X1～X4為布置的4個卸壓孔。單孔鹽水流量為5～7m3/h，聯絡通道需冷量為1.925×105kJ/h(多考慮5 %冷量損失)。聯絡通道凍結壁設計厚度為2.0m，凍土平均發展速度按22～26mm/d計算，交圈時間在20～25d；凍結壁平均溫度為-10 ℃，積極凍結時間為45d。設計鹽水溫度在積極凍結5d后降至-18 ℃以下，10d后降到-22 ℃以下；開挖時鹽水溫度-22～-25 ℃，去、回路鹽水溫差不大于2 ℃。

3 不同凍結管直徑模擬研究

利用ABAQUS建立三維數值模型，其中盾構隧道、聯絡通道及凍結管和二次襯砌等結構均按設計尺寸考慮，根據圣維南原理，為了減小模型的邊界效應，最終模型整體尺寸定為30m×40m×20m。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去路鹽水溫度數據加載，如圖4所示。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。

圖2 三維模型和凍結管網格

本工程中聯絡通道所處的土層為人工填土、粉質黏土、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。凍結管內壁溫度荷載為實測鹽水溫度曲線，如圖3所示。

表1 土體物理力學性能和熱物理參數

圖3 凍結溫度荷載曲線

將凍結管直徑分別設置為60mm，90mm，120mm和150mm，壁厚為10mm，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，各模型溫度場計算結果如圖5所示。

圖4 監測面及監測點示意(單位：mm)

圖5 溫度場監測點溫度

從圖5可以發現如下規律：監測點1的溫度下降速度明顯慢于監測點2～4。監測點2和監測點3距離凍結管的距離為0.5m，這兩點最終的溫度也低于監測點1、4。在凍結10d后，監測點2、3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。在凍結16d左右，監測點2、3溫度低于-2 ℃，凍結帷幕此時厚度達到1m。監測點4在凍結12d左右，溫度不再下降，此時達到熱交換平衡，雖然凍結管在不斷施加冷量荷載，但是由于土體相變，水結冰時釋放大量熱量，導致凍結管的冷量不能傳遞到距離凍結管1m的土體。在凍結40d左右，監測點4處的土體開始凍結。凍結帷幕內部的監測點溫度低于外部的監測點，內部的凍結范圍大于外部。

從表2可以得出，凍結管直徑為60mm時，在凍結45d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為1.92m，上下兩側平均厚度約為2.04m，不滿足設計厚度(2m)，不能達到開挖要求。凍結管直徑為90mm時，在凍結10d之后，凍結帷幕已經交圈，形成閉合環。在凍結45d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為2.00m，上下兩側平均厚度約為2.11m，滿足設計要求。凍結管直徑為120mm時，在凍結45d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為2.05m，上下兩側平均厚度約為2.2m，滿足設計要求。凍結管直徑為150mm時，在凍結45d以后，凍結帷幕左右兩側平均厚度約為2.09m，上下兩側平均厚度約為2.27m，滿足設計要求。

從研究結果可知：凍結管直徑為60mm時，不能滿足設計要求，直徑為90～120mm時，在滿足設計要求的同時，合理的利用了資源與空間。直徑達到150mm時，凍結壁厚度偏大，會侵入聯絡通道開挖界限，故凍結管直徑應控制在90～120mm。

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，建立三維實體模型，研究了不同凍結管直徑對人工凍結法溫度場的影響，得到以下結論：

(1)將凍結管直徑分別設置為60mm、90mm、120mm、150mm，通過數值模擬，可以得出凍結半徑隨著凍結管直徑的增加而增加，對應的左右兩側凍結半徑分別為1.92m、2.00m、2.05m、2.09m。對應的監測點溫度也隨著凍結管直徑的增加而減小，監測點1的溫度依次為0.4 ℃、-0.1 ℃、-1.0 ℃，-1.4 ℃，監測點2的溫度依次為-13.5 ℃、-13.9 ℃、-15.3 ℃、-16.7 ℃，監測點3的溫度依次為-16.5 ℃、-17.2 ℃、-18.5 ℃、-18.5 ℃，監測點4的溫度依次為-3.1 ℃、-5.4 ℃、-5.9 ℃、-6.4 ℃。

(2)凍結管直徑為60mm時，不滿足設計厚度(2m)，不能達到開挖要求。直徑為90～120mm時，在滿足設計要求的同時，合理的利用了資源與空間。直徑達到150mm時，凍結壁厚度偏大，會侵入聯絡通道開挖界限，故凍結管直徑應控制在90～120mm左右。