地鐵盾構(gòu)洞門(mén)水泥土加固垂直凍結(jié)溫度場(chǎng)分析

王承晶

摘要 文章以南通地鐵某盾構(gòu)洞門(mén)接收水泥土凍結(jié)加固為例，通過(guò)工程實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬，參照前人粉砂土層熱物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了水泥摻量對(duì)粉砂地層水泥土加固凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，水泥土加固的水泥摻量越大，凍結(jié)初期降溫越快，但水泥摻量對(duì)最終的凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度影響較小。研究結(jié)果以期為類(lèi)似的工程實(shí)踐提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞 水泥土凍結(jié)加固；水泥摻量；凍結(jié)溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) TU411.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0107-04

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程問(wèn)題也涌現(xiàn)出來(lái)，沿海城市的軟弱土層普遍存在，盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)遇到軟弱土層就必須進(jìn)行地基加固處理。常見(jiàn)的地基加固處理方法有攪拌樁、旋噴樁等水泥土加固法和人工凍結(jié)法。

攪拌樁和旋噴樁應(yīng)用較為廣泛，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)加固體效果不滿足要求的情況，凍結(jié)法增加了土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕了地下水和地下工程的聯(lián)系，但如果凍脹融沉控制不好容易造成周?chē)ㄖ飪A斜、產(chǎn)生裂縫等。近年來(lái)，隨著遇到的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，有時(shí)會(huì)綜合兩種或多種加固方法進(jìn)行處理。

南通地處長(zhǎng)江入海口，因江海沖刷沉積作用，地基土以軟土為主，該文以南通地鐵某盾構(gòu)水泥土凍結(jié)加固為例，運(yùn)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析不同水泥摻量對(duì)凍結(jié)效果的影響，以期為類(lèi)似工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

盾構(gòu)洞門(mén)接收所處地層自上而下依次為：①人工填土、②砂質(zhì)粉土、③-1砂質(zhì)粉土夾粉砂、③-2粉砂、④-2粉質(zhì)黏土夾粉土，端頭隧道主要位于③-2粉砂層，該土層透水性中層，滲透系數(shù)K=4.39E-3 cm/s。盾構(gòu)接收端端頭預(yù)先采用850@600三軸攪拌樁加固，加固一區(qū)的水泥摻量為7%，加固二區(qū)的水泥摻量為20%。盾構(gòu)接收端剖面圖如圖1所示。

水泥土加固完成150 d后，考慮粉砂層盾構(gòu)接收的風(fēng)險(xiǎn)較大，另增加了垂直凍結(jié)，共設(shè)23個(gè)垂直凍結(jié)孔，A排12個(gè)凍結(jié)孔，B排11個(gè)凍結(jié)孔，每孔深度均為19.732 m（有效凍結(jié)段11.7 m），排間距為1.1 m，測(cè)溫孔4個(gè)。凍結(jié)孔和測(cè)溫孔布置如圖2所示。

2 數(shù)值模型建立

該文運(yùn)用Comsol有限元軟件固體傳熱模塊建立盾構(gòu)接收垂直凍結(jié)模型。

2.1 材料參數(shù)

垂直凍結(jié)數(shù)值模擬中主要用到密度、凍結(jié)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容4個(gè)參數(shù)。

（1）密度。楊平等提出，粉砂層水泥摻量小于50%時(shí)，水泥熟料和水化物填充土體孔隙，水泥土密度隨著水泥土摻量的增加而線性增加，水泥土密度與水泥摻量的關(guān)系式為[1]：

式中，ρ——水泥土的密度（kg/m3）；x——水泥土摻量。

根據(jù)勘察報(bào)告，本端頭盾構(gòu)隧道所處主要地層③-2粉砂層，密度為2 080 kg/m3。

推導(dǎo)出該土層水泥土密度與水泥摻量的關(guān)系式為：

（2）凍結(jié)溫度。按同樣方法推導(dǎo)出該土層水泥土凍結(jié)溫度與水泥摻量的關(guān)系式為：

式中，y——水泥土的凍結(jié)溫度（℃）。

（3）導(dǎo)熱系數(shù)。胡俊等提出，常溫和凍結(jié)粉砂水泥土均隨著水泥摻量的增大而減小，且凍土的下降幅度更大，并得出水泥土導(dǎo)熱系數(shù)和水泥摻量的關(guān)系式為[2]：

式中，λ——水泥土的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]。

根據(jù)勘察報(bào)告，③-2粉砂層常溫導(dǎo)熱系數(shù)為1.99 W/（m·K），凍土導(dǎo)熱系數(shù)為2.57 W/（m·K）。

推導(dǎo)出該土層水泥土導(dǎo)熱系數(shù)與水泥摻量的關(guān)系式為：

（4）容積熱容。按同樣方法推導(dǎo)出該土層水泥土容積熱容與水泥摻量的關(guān)系式為：

式中，c——水泥土的容積熱容[×106 J/（m3·k）]。

數(shù)值計(jì)算擬對(duì)水泥摻量分別為0、4%、8%、12%、16%、20%的水泥土進(jìn)行模擬，其相應(yīng)的熱物理參數(shù)利用上式計(jì)算得出。

2.2 建立模型

大量的凍結(jié)經(jīng)驗(yàn)表明，凍結(jié)地層時(shí)凍結(jié)管對(duì)周?chē)貙拥挠绊懛秶话銥閮鼋Y(jié)管一側(cè)凍結(jié)壁厚度的3～5倍，根據(jù)該工程盾構(gòu)接收的凍結(jié)管布置、盾構(gòu)埋深、凍結(jié)影響半徑綜合確定模型的長(zhǎng)度、寬度為60 m，深度為35 m。模型中的各個(gè)結(jié)構(gòu)都采用四面體單元，單元體數(shù)量約為150 672個(gè)，有限元模型如圖3所示。

2.2.1 基本假設(shè)

在進(jìn)行盾構(gòu)接收凍結(jié)數(shù)值模擬時(shí)，進(jìn)行以下假設(shè)：

（1）土體在凍結(jié)過(guò)程中均質(zhì)且連續(xù)。

（2）土體凍結(jié)時(shí)，潛熱集中在凍結(jié)界面連續(xù)放出。

（3）假設(shè)土中水分全部?jī)鼋Y(jié)，未凍水含量為0。

（4）不考慮凍結(jié)管內(nèi)外復(fù)雜的熱交換過(guò)程，直接在凍結(jié)管外管壁上施加溫度變化的荷載。

（5）盾構(gòu)接收端墻處保溫效果良好，端墻熱絕緣。

2.2.2 邊界條件

模型的表面都設(shè)置為絕熱邊界，凍結(jié)管壁施加實(shí)際的鹽水溫度，模型初始溫度設(shè)置為33 ℃。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 測(cè)溫孔實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比

選取4個(gè)測(cè)溫孔處的實(shí)測(cè)溫度與數(shù)值模擬對(duì)比，如圖4所示，從圖中可以看出T1和T2測(cè)溫孔實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值吻合較好，T3和T4測(cè)溫孔實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值較T1和T2吻合稍差，但在大部分凍結(jié)時(shí)間內(nèi)差值都在2 ℃之內(nèi)，原因可能是因?yàn)門(mén)1和T2測(cè)溫孔在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)，受周?chē)h(huán)境影響較小，T3和T4測(cè)溫孔在凍結(jié)壁外側(cè)，受周?chē)h(huán)境影響大，對(duì)比結(jié)果可以驗(yàn)證該次模擬的結(jié)果是可信的。

3.2 水泥摻量對(duì)凍結(jié)效果的影響分析

對(duì)不同水泥摻量的加固體進(jìn)行凍結(jié)計(jì)算，選取凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的T1和凍結(jié)壁外側(cè)的T3測(cè)溫孔進(jìn)行分析，不同水泥摻量與沒(méi)有水泥土加固時(shí)的差值隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)加固體水泥摻量增加時(shí)，凍結(jié)初期測(cè)溫孔溫度下降加快，隨著凍結(jié)的進(jìn)行，時(shí)間越長(zhǎng)水泥摻量對(duì)測(cè)溫孔溫度的影響越小。

不同水泥摻量對(duì)凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度的影響如圖6和圖7所示。

從圖6圖7中可以看出，不同水泥摻量對(duì)凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度的影響較小，這是因?yàn)椴煌鄵搅肯拢S著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，凍土溫度趨于一致。

結(jié)合以上數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，隨著水泥摻量的增加，凍土和土的導(dǎo)熱系數(shù)減小，即傳遞冷量的能力減小，凍土和土的比熱容減小，即對(duì)冷熱反應(yīng)更靈敏，且水泥摻量對(duì)土的比熱容影響較大，對(duì)凍土的比熱容影響較小。由此導(dǎo)致，加固體水泥摻量越大，凍結(jié)初期降溫越快，但最終的凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度基本趨于一致。

4 結(jié)論

該文以南通地鐵某盾構(gòu)洞門(mén)接收水泥土凍結(jié)加固為例，利用Comsol有限元軟件研究了水泥摻量對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響，得到以下主要結(jié)論：

（1）加固體水泥摻量越大，凍結(jié)初期降溫越快。

（2）水泥摻量對(duì)最終凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度的影響較小。

參考文獻(xiàn)

[1]楊平， 陳馳， 張存， 等. MJS加固水泥土熱物理特性研究[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2020（4）： 661-669.

[2]胡俊， 唐益群， 張皖湘. 水泥改良前后土體熱物理參數(shù)試驗(yàn)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2016（5）： 1198-1204.