下穿車站交疊區域MJS+水平凍結加固解凍溫度場研究

趙宇輝，楊平*，王寧，張玉武

(1. 南京林業大學土木工程學院，南京 210037； 2. 南京地鐵建設有限公司，南京 210017)

隨著我國城市地下工程建設快速發展，人工凍結技術已被成功應用于地鐵盾構端頭、聯絡通道加固以及盾尾刷更換等工程。近幾年凍結法更是得到了廣泛認可，但凍結土體易受到后期解凍時凍融作用影響，其內部結構與力學性能會發生相應改變，進而導致既有構筑物產生不同程度的沉降與變形，這直接影響到工程的質量、工期及安全營運。為此，國內學者對凍結土體解凍規律進行了一系列研究[1-7]。

在自然解凍研究方面，楊平等[8]分析軟弱地層聯絡通道凍結壁自然解凍全過程，認為其中部分土體溫度解凍15 d時達到0 ℃附近，相繼進入相變階段，相變期持續時間隨入土深度增大而加長；鄭盛等[9]根據冬、夏季原狀土與水泥土各自自然解凍規律，得到凍土在不同環境溫度條件下完全解凍時間和解凍速率；李寧[10]對井筒凍結帷幕自然解凍過程進行模擬計算，得出凍土融化時內側凍結壁完全解凍約需170 d，解凍速率約1.4 cm/d，外側凍結壁完全解凍約需280 d，凍土溶解速率為1.1 cm/d。在強制解凍研究方面，鄭鐵騎[11]對白堊系地層泥巖進行強制解凍無量綱正交回歸試驗，得到在單圈凍結條件下的凍結壁解凍時間與解凍范圍公式；趙飛等[12]研究了在混凝土水化熱與內表面熱對流雙重作用下，上海長江隧道1號聯絡通道解凍的規律；商厚勝[13]基于相似理論物理模擬試驗，得到淺覆土條件下強制解凍溫度場發展變化規律；胡向東等[14]采用現場原型試驗研究了拱北隧道管幕凍結法強制解凍規律。

前人對盾構端頭及聯通道凍結加固解凍規律已取得了一定成果，但針對MJS與凍結法聯合加固，特別是下穿車站交疊區凍結加固解凍規律尚不清楚。南京地鐵7號線下穿既有10號線中勝站擬采用MJS+人工凍結法加固，其后期融沉控制是關鍵，本研究通過數值模擬對該工程不同氣候環境條件下凍結加固解凍過程進行研究，把握其解凍規律，以便優化后續跟蹤注漿孔位布置、注漿時間與順序，可為今后類似工程設計與施工提供參考。

1 工程概況

施工場地位于南京河西漫灘地區，地質條件差，地層以②-3d3+c3(稍密透水粉砂夾粉土)和②-4d2(中密透水粉細砂)為主；下穿段為全斷面含水層，地下水主要為潛水及承壓水，承壓水頭埋深在地面以下2.60～3.20 m。7號線與10號線中勝站交疊區結構凈距僅0.6 m，需進行零覆土、密貼式下穿，工程施工風險極高。

基于本工程水文地質條件及支護結構形式等，擬采用MJS+人工凍結法聯合加固止水。MJS加固范圍位于地下-21～-11 m，下穿隧道左右兩線底部及兩側設計厚度2 m，兩線中間設計厚度4 m；水平凍結施工在MJS加固后進行，其凍結范圍在MJS加固區范圍內，凍結孔共布設64個，中心間距800 mm，凍結管采用Φ89 mm×10 mm的20#無縫鋼管，縱向長度22 m，最終形成穩定的“山”字形橫向加固體。凍結管具體布置形式見圖1。

圖1 下穿隧道凍結管平面布置圖

2 數值模擬方法

2.1 基本假定

1)模型計算范圍內各土層水平分布、土質均勻，加固區域內水泥土加固均勻；

2)土層和水泥土各熱物理參數分層穩定，忽略地下水滲流、水分遷移影響；

3)土體為各向同性的熱傳導材料參數為常量，凍結水泥土體熱物理參數均與-10 ℃凍結水泥土一致；

4)解凍周期內模型對流面溫度荷載根據季節不同設為常量，忽略隧道開挖對初始溫度場的影響；

5)忽略鋼筋混凝土結構層中鋼筋的熱傳導作用影響。

2.2 幾何模型

模型以左邊界和下邊界交點為坐標原點，上邊界取至地表。根據凍結壁融化影響區域為3～5倍凍結區域[15]，幾何模型擬定長度(X軸)×寬度(Y軸)×垂直距離(Z軸)=22 m×58 m×38 m。模型中左右隧道中心間距13 m，土體在Z軸方向按實際工程經過簡化后分為2個地層和1個結構層，從地表往下第1層為人工填土層，厚4.2 m，第2層為既有車站鋼筋混凝土結構層，厚7.8 m，第3層為粉砂土層，厚26 m，其中第2、3層為承壓含水層。幾何模型見圖2a。

在解凍幾何模型圖2a C-C剖面處(X=11 m)設置3條溫度分析路徑，如圖2b所示。路徑P1設在左線隧道洞門左側水泥土加固區域，從上往下第2和第3根凍結管中間位置水平軸線上。從水泥土加固區與混凝土襯砌界面起共5個分析點，相鄰點間隔1 m，由左至右依次為P1-1～P1-5；路徑P2設在左線隧道開挖洞門中間底部共5個分析點，最高點位于水泥土加固區域與混凝土襯砌交界處，相鄰分析點間隔1 m，從上至下依次為P2-1～P2-5；路徑P3設在兩洞門中間水泥土加固區，從上至下第5與第6根凍結管中間共5個分析點，相鄰點間隔0.5 m，從左到右依次為P3-1～P3-5。

圖2 下穿車站解凍幾何模型與溫度分析路徑

2.3 計算參數及邊界條件處理

分別對南京地區近5年夏季與冬季溫度數據進行擬合，如圖3所示。所得擬合曲線相關系數均在0.90以上，可靠性較高，故依此設置解凍溫度場外部環境氣溫荷載。與空氣相接觸的對流面溫度荷載取值見表1。

圖3 南京夏季與冬季環境氣溫變化曲線

表1 夏季與冬季解凍模型對流面溫度荷載

不同土層各熱物理參數由實驗室直接測得，其余參數依據文獻[16]給出，結果見表2。

表2 車站所在地層參數表

由于解凍開始時下穿段隧道已施工完畢，模型中與空氣接觸的界面主要采用熱對流及熱輻射的方式進行熱傳遞；與土體接觸的邊界采用熱傳導方式進行熱傳遞。對不與空氣接觸遠離凍結壁的邊界設為絕熱邊界；對與空氣接觸的邊界，在邊界上施加熱對流和熱輻射荷載，沿下穿隧道方向的兩端均為對流邊界(圖2a)。同時根據現場實際設置夏季原始地溫18 ℃，隧道內平均溫度為20 ℃；冬季原始地溫為13 ℃，隧道平均溫度為5 ℃。

提取夏季與冬季凍結40 d時凍結溫度場各個節點溫度數據，初始解凍溫度場各節點溫度為凍結40 d時對應各節點溫度。在解凍溫度場數值計算時導入解凍模型，作為初始解凍溫度場(圖4)。

圖4 解凍初始溫度場分布云圖

2.4 有限元單元劃分

解凍溫度場數值模型采用4節點四面體單元，熱對流、熱輻射邊界數值模型采用4節點四邊形單元。模型在單元網格劃分時對凍結加固區域凍結管周圍土體進行局部網格細化處理，其他區域適當加粗。

3 自然解凍溫度場規律分析

3.1 X=11 m剖面處自然解凍過程分析

在解凍幾何模型圖2a C-C剖面處(X=11 m)選取3條不同溫度路徑，路徑1～3各點解凍規律如圖5所示。

圖5 不同路徑各分析點自然解凍溫度變化曲線

由分析點P1-4～P1-5、P2-2～P2-3、P3-3～P3-5可知，解凍初始溫度越低解凍初期溫度回升越快，可大致分為3個階段：1)迅速升溫階段，土體內部不同位置處溫度差異較大，解凍時受土體間的熱傳導及與空氣接觸面熱對流熱輻射作用影響，凍結土體溫度快速回升。2)相變階段，初始溫度在0 ℃以下的土體，升溫接近0 ℃時，溫度變化明顯減緩，土體進入相變期，由于土中冰融化成水吸收熱量溫度不變，從而導致土體溫度保持在0 ℃附近。距凍結管越遠，解凍初始溫度越高，凍土體進入相變期越早，相變階段持續時間越短。3)相變后穩定升溫階段，凍結土體完全融化，土體溫度回升至0 ℃以上后溫度持續穩步上升，且越靠近開挖隧道洞門的土體，相變結束后溫度升高越快，而后逐漸趨于穩定。此外，其余各點在自然解凍時溫度先稍微下降之后緩慢回升，這是因為存在凍結慣性，土體受到靠近凍結管一側溫度更低處土體影響，而另一側混凝土襯砌表面空氣熱對流尚未發展至此處，因此在解凍階段開始時溫度并沒有回升，反而先略微降低。

3.2 Y=29 m及Z=17.2 m處自然解凍過程分析

在解凍幾何模型圖2a A-A剖面處(Y=29 m)解凍速率兩側端頭>中部土體，上部土體>下部土體，如圖6所示。這是因為凍結管上部為既有車站鋼筋混凝土層存在熱對流，而下方土體只能通過熱傳導和兩隧道內熱對流共同作用對其進行解凍，凍結壁厚度大解凍所需能量大，所以解凍緩慢。

圖6 Y=29 m剖面0 ℃等溫線發展變化曲線

在解凍幾何模型圖2a B-B剖面處(Z=17.2 m)同樣因熱對流、熱傳導共同作用，凍土從四周和下穿隧道底部逐漸開始解凍，解凍60 d后主要剩兩側和中間加固區底部凍土，兩側土體因為厚度較薄先于中間土體解凍，如圖7所示。水泥土加固區土體最終解凍完全時間主要取決于隧道中部水泥土加固區底部土體，因為該處是全斷面凍結解凍速率最慢的部位。

圖7 Z=17.2 m剖面0 ℃等溫線發展變化曲線

4 冬夏季自然解凍溫度場對比

根據數值模擬計算結果，沿圖2a C-C剖面取Z=22.5 m處加固區內及附近土體進行分析，取分析點繪制冬夏季不同解凍時間的解凍溫度斷面曲線(圖8)。

注：界面1為凍土與襯砌邊界；界面2為水泥土和粉砂層交界。

由圖8可知，冬夏季凍結結束時，越靠近凍結管區域土體溫度越低、溫差越小，凍結管附近溫度基本相近；冬季土體平均升溫速率比夏季慢，處于相變期的時間較夏季長。

1)兩側凍結加固區溫度變化。

①解凍初期，凍結區域與外界環境溫差較大，混凝土襯砌界面上的熱對流起主要作用，故凍結管靠近洞門一側的土體比靠近粉砂層一側的升溫快。

②解凍后期，當土體溫度升至0 ℃以上時，冬夏季凍結區土體升溫有明顯區別。冬季由于隧道內環境溫度低，當土體溫度升至0 ℃以上后，熱傳導成為土體升溫的主要作用，隧道外部環境反而逐漸成為抑制土體升溫因素，解凍230 d土體溫度由洞門向粉砂層方向呈階梯上升趨勢；夏季環境溫度高，混凝土襯砌的熱對流仍起主要作用，解凍180 d土體溫度由洞門向粉砂層方向呈階梯下降趨勢，到粉砂層時溫度趨于平緩。

2)中間凍結加固區，冬夏季解凍規律一致，形成以凍結管處溫度最低兩側溫度相應升高的溫度分布曲線。解凍前期溫度梯度較大，解凍后期靠近混凝土襯砌的土體溫度逐漸穩定，溫度梯度逐漸變小，凍結管周圍土體升溫最慢，最終土體溫度趨于外界環境溫度。冬季因為隧道內環境溫度較夏季低，其整體解凍后期溫度梯度比夏季小。

5 強制解凍溫度場規律分析

在強制解凍過程中循環熱水的溫度荷載直接施加在凍結管壁上，且忽略熱水循環過程中的熱量消耗，假設解凍過程中熱水溫度恒定。對圖2a C-C剖面處0 ℃等溫線變化情況進行分析，熱水溫度60 ℃條件下解凍溫度部分云圖如圖9所示。

圖9 60 ℃熱水環境C-C剖面0 ℃等溫線變化圖

由圖9可知，強制解凍極大縮短了解凍時間，解凍48 h，解凍圓柱逐漸開始交圈。強制解凍開始后凍土中存在3個解凍鋒面：一是由于隧道內空氣與混凝土襯砌結構直接產生的空氣對流換熱引起的解凍鋒面；二是由于在凍結管中循環60 ℃的熱水引起的解凍鋒面，其發展與凍結過程的凍土柱鋒面類似；三是由于水平“山”字形凍土帷幕周圍土體的地溫較高，從而不斷向凍土區傳遞熱量產生的解凍鋒面。

1)加固區兩側及中間頂部水泥土先解凍，因為該部分土體處于3種介質的交界處，上部鋼筋混凝土層溫度高，比熱容小，與水泥土的熱傳導快，頂部水泥土率先解凍完全；

2)凍結管周圍靠近隧道一側的土體先解凍，因為該部分土體同時受到凍結管形成的解凍圓柱鋒面和隧道內空氣與混凝土襯砌熱對流散熱解凍鋒面共同作用。但是中間水泥土加固區土體較厚，凍結管與混凝土襯砌間距離為2 m，所以解凍時間較長；

3)兩側和底部凍結管外側水泥土解凍較凍結管內側稍慢，這部分土體在凍結管解凍鋒面和粉砂層熱傳遞鋒面的共同作用下解凍完全；

4)最后是中間水泥土加固區凍結管和底部凍結管交界處附近的土體完全解凍。因此，采用60 ℃循環熱水強制解凍需要時間約為18 d。

6 冬夏季強制解凍溫度場對比

選取分析點P2-3、P3-2、P3-3、P3-4在夏季70 ℃、80 ℃與冬季70 ℃、80 ℃強制解凍條件下，對計算結果進行對比分析，結果見圖10。

圖10 冬夏季不同循環水溫強制解凍溫度變化曲線

對比各分析點不同循環水溫下解凍溫度曲線可知：

1)剛開始解凍階段，相同熱水溫度在夏季與冬季對土體升溫作用效果基本相同，土體進入相變階段所用時間相同，解凍后期相同水溫在冬季與夏季對土體的升溫作用效果差異取決于土體距離解凍管所在位置。

2)冬季比夏季在相變階段持續時間長，且隨著距離的增大差異性越明顯。這是因為離解凍管較近時，土體的解凍主要受解凍管解凍鋒面影響，外部環境對土體解凍影響相對較小，土體溫度升高后，外部環境對土體升溫制約作用才顯現出來；當土體距離解凍管越來越遠時，外部環境對土體升溫作用影響所占比重增大，而冬夏季土體外部環境差異性明顯。

冬夏季不同解凍溫度下各部位完全解凍時間與完全解凍時間差值見表3。

表3 冬夏季各部位完全解凍時間與時間差值

對比分析各部位完全解凍所需時間與時間差值可知：

1)相同循環熱水溫度下，冬季與夏季相比，各部位完全解凍所需時間皆有所增加，冬夏季對解凍管解凍鋒面的交圈基本無影響，但對各部位完全解凍所用時間影響不同。因為在強制解凍過程中，越靠近解凍管區域，冬夏季相同循環熱水溫度解凍效果越相近，越遠差距越明顯。

2)不同熱水溫度對冬夏季各部位完全解凍所需時間有一定影響，熱水溫度越高，各部位冬夏季解凍完全所需時間的差值越小。這是因為，熱水溫度越高，解凍管對周圍土體的升溫作用越明顯，外部環境的升溫作用效果相對減弱，冬夏季強制解凍的差異性變小。

7 結 論

1)凍結水泥土進入自然解凍初期，因受到凍結體低溫慣性影響，凍結壁會進一步向外側土體擴展。自然解凍可大致分為3個階段：迅速升溫階段、相變階段、相變結束土體溫度穩定升高階段。

2)凍結水泥土自然解凍完成時間主要取決于下穿隧道兩線中間加固區底部，該處是全斷面解凍速率最慢的部位。

3)加固區內各部位凍結水泥土，自然解凍順序為：先兩側后中間，先頂部后底部，先端頭后中部。強制解凍順序為：先是隧道兩側和底部凍結管內側，其次為兩側邊及底部凍結管外側，最后是兩線中間加固區底部。

4)相同循環鹽水溫度下，強制解凍前期，冬、夏季凍結土體進入相變階段所用時間基本相同；強制解凍后期，冬、夏季凍結土體進入相變階段所用時間取決于土體與解凍管間的距離。距離越近，土體進入相變期越早，相反則越晚。

5)同一循環鹽水溫度下，冬季強制解凍完成時間比夏季長約72 h；循環鹽水每升高10 ℃，時間差縮小約24 h。