凍結管布置形式對凍結范圍的影響研究

張曉濤

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450001）

1 工程概況

洛陽地鐵1號線啟明南路～塔灣站區(qū)間聯(lián)絡通道工程范圍內上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Qml/4），第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qal+l/4）黃土狀粉質黏土、黃土狀粉土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Qal+l/3）粉細砂和卵石，聯(lián)絡通道位置所處地層主要為②92卵石、③93卵石層，地層富水性強，透水性好，施工時有較大的涌水涌沙風險。

聯(lián)絡通道采用凍結法加固地層，凍結管采用直徑89mm的低碳鋼無縫管。凍結管布置立面透視圖如圖1所示，聯(lián)絡通道兩側的布置側視圖分別如圖2所示。

圖1 凍結管布置立面透視圖

圖2 左右線兩側凍結孔布置圖

在聯(lián)絡通道上部和下部水平布置多排凍結管，平均間距為0.9m，凍結管傾斜角度為10.8°；左右兩側在同一水平上僅布置一排凍結管，豎向平均間距為0.47m，同時，因為中部的凍結管從聯(lián)絡通道左端貫穿到右端，故右線中部無凍結孔布置。

2 計算模型

2.1 計算參數

根據區(qū)間聯(lián)絡通道所處地層地質情況，建模中將其分為五個土層。在計算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性材料，參數參見區(qū)間巖土工程詳細勘察報告進行分析確定，具體取值見表1。

表1 地層材料參數

2.2 計算工況

在凍結時間及凍結鹽水溫度相同的情況下，以實際工程施工設計的凍結管布置參數最上面一排凍結管傾斜角度10.8°、水平間距0.9m為基準，通過調整聯(lián)絡通道左右線凍結管的傾斜角度，來探究凍結管角度對凍結范圍的影響規(guī)律[1-2]。

設計工況如表2所示，凍結管傾斜角度變化在10.8°～30°范圍內。

表2 數值模擬計算工況

凍結降溫溫度變化按照工程實際凍結施工方案進行，鹽水降溫曲線如圖3所示，凍結第1天鹽水初始溫度為-11.7℃，凍結7天后降至-19.2℃，凍結15天后降至-24.2℃以下。

圖3 鹽水降溫曲線

3 數值模擬結果分析

3.1 溫度場云圖分析

分別提取各工況下聯(lián)絡通道附近地層在凍結17天、30天、51天以及59天時的溫度云圖[3]，如圖4—圖9所示。

圖4 工況1凍結溫度云圖

圖5 工況2凍結溫度云圖

圖6 工況3凍結溫度云圖

圖7 工況4凍結溫度云圖

圖9 工況6凍結溫度云圖

圖8 工況5凍結溫度云圖

由圖4—圖9可知，在同一工況下，當凍結管的傾斜角度一定時，隨著凍結時間的增加，土體和凍結管不斷進行熱交換，凍結管周圍的土層溫度在逐漸降低，降溫區(qū)域面積逐漸增大。溫度擴散規(guī)律是以凍結管為中心呈圓形擴散。除此之外，與凍結管距離越近的土體溫度越低，與凍結管距離越遠的土體溫度越高[4]。

從圖4—圖9還可以看出，凍結時間相同，凍結管的傾斜角度越大，聯(lián)絡通道加固區(qū)上部分低溫區(qū)域面積越大，溫度越低。17天的溫度云圖中，凍結管傾斜角度為10.8°時，左側加固區(qū)-20℃以下的溫度區(qū)域還未完全交圈，但其余幾個工況在凍結17天時，-20℃以下的低溫區(qū)已完全交圈。

3.2 凍結壁厚度分析

提取各工況在凍結17天、30天、51天及59天時聯(lián)絡通道四周平均溫度小于-10℃的土體厚度作為凍結壁厚度，凍結壁厚度如表3—表6所示。

表3 凍結17天時各工況凍結壁厚度

表4 凍結30天時各工況凍結壁厚度

表5 凍結51天時各工況凍結壁厚度

表6 凍結59天時各工況凍結壁厚度

為了清晰得到各工況下聯(lián)絡通道四周凍結壁厚度的變化規(guī)律，根據表3—表6的數據繪制不同凍結時間各工況下聯(lián)絡通道四周凍結壁厚度變化曲線圖，如圖10所示。

圖10 不同凍結時間各工況下聯(lián)絡通道四周凍結壁厚度變化曲線圖

由圖10可以看出，凍結管傾斜角度從10.8°增加到30°的過程中，聯(lián)絡通道上側凍結壁厚度變化較大，17天、30天、51天、59天凍結壁厚度的增幅分別為0.64m、0.50m、0.50m、0.51m，而下側和左右兩側的凍結壁厚度幾乎保持不變。凍結第17天到第38天之間，凍結管溫度一直在下降，直到降至38天的-29.2℃，從第38天起到第59天為止，凍結管溫度一直維持在-29.2℃，聯(lián)絡通道四周凍結壁厚度的增加速率在降低[5]。

在凍結相同天數下，隨著凍結管傾斜角度的增大，聯(lián)絡通道上側凍結壁厚度增大，該區(qū)域的溫度也越低；聯(lián)絡通道下側、左側和右側的凍結壁厚度只有很小的波動，幾乎保持不變，凍結管角度的變化只對聯(lián)絡通道上側的凍結范圍影響較大，對下側和左右兩側影響較小。此外，凍結管傾斜角度從10.8°增加到30°的過程中，17天、30天、51天、59天聯(lián)絡通道上側凍結壁厚度的增值分別為0.64m、0.50m、0.50m、0.51m，凍結管傾斜角度的變化對凍結加固范圍的影響較大。

在相同凍結管傾斜角度下，隨著凍結時間的增加，凍結壁厚度越來越大。其中，當凍結時間從17d增加到30d時，各工況下聯(lián)絡通道上、下、左、右側的凍結壁厚度增值分別為0.45～0.59m、0.29～0.42m、1.34～1.40m、1.03～1.09m；而凍結時間從30天增加到51天時，增值明顯減小，分別為0.20～0.29m、0.22～0.26m、0.37～0.43m、0.48～0.52m；凍結時間從51天增加到59天時，聯(lián)絡通道四周的凍結壁厚度增值分別為0～0.11m、0.04～0.11m、0.07～0.12m、0.08～0.13m。比較凍結17～30天和凍結30～51天可以發(fā)現，后者的時間增量為21d，前者13d，但后者的凍結壁厚度增值僅僅為前者的1/2左右，凍結51～59天的凍結壁厚度增值更是降低到0.10m左右。凍結第17天到第38天之間，凍結管溫度一直在下降，直到降至38天的-29.2℃。從第38天起到第59天為止，凍結管溫度一直維持在-29.2℃，聯(lián)絡通道四周凍結壁厚度的增加速率在降低。凍結到50天聯(lián)絡通道開挖時，所有工況下聯(lián)絡通道四周的凍結壁厚度均滿足凍結設計要求。

4 結論

利用有限元軟件模擬計算不同凍結管傾斜角度和間距下的土體凍結范圍變化，分析凍結管布置形式對凍結范圍的影響，可以得到以下結論：

（1）凍結時間相同時，凍結管的傾斜角度越大，聯(lián)絡通道加固區(qū)上部分低溫區(qū)域面積越大，溫度越低，凍結壁越厚；

（2）凍結管傾斜角度的改變，對凍結范圍的影響主要體現在凍結前期，在凍結后期，由于鹽水溫度穩(wěn)定、凍結時間增長，不同工況下的凍結范圍差別逐漸縮小。