盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道T接頭局部凍結(jié)加固效果及影響因素研究

程雪松, 徐連坤, 耿 佳, 李曉凡, 宋彥杰, 逯建棟, 王書雄

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院, 天津 300072; 2. 天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;天津 300072; 3. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300308;4. 天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司, 天津 300392)

0 引言

近年來,采用機(jī)械法開挖地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的工法逐漸興起[1-3]。盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道作為機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的一種,已經(jīng)形成了“弱加固、強(qiáng)支護(hù)、可切削、全封閉、保平衡、嚴(yán)防水、集約化”的關(guān)鍵技術(shù),其中的“弱加固”技術(shù)包括拆除鋼套筒前T接頭處的洞門止水加固措施[4]。T 接頭處易出現(xiàn)突涌水等嚴(yán)重安全事故[5],在以往的施工案例中,多采用注漿法確保T接頭洞門間隙處在拆除鋼套筒和洞門澆筑過程中的止水效果[4]。但注漿漿液的穩(wěn)定性較差,在泥水中易被稀釋,加固范圍不易控制,加固強(qiáng)度也不均勻,易使封堵效果不佳[6]。天津地鐵10號(hào)線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道所處軟土地層存在粉土粉砂承壓含水層,因而相對(duì)于以往處于深厚黏土層的聯(lián)絡(luò)通道,施工過程中出現(xiàn)涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)更大。為解決上述注漿法“弱加固”的不足,該聯(lián)絡(luò)通道T接頭止水加固工程采用注漿改良地層后對(duì)T接頭局部凍結(jié)的加固方案,以防止鋼套筒拆除及焊接封堵鋼板過程中主隧道洞門與聯(lián)絡(luò)通道間隙漏水漏砂,確保洞門止水加固的安全有效。

相關(guān)學(xué)者對(duì)凍結(jié)法加固地層的溫度場(chǎng)分布規(guī)律和影響因素已展開了許多不同的研究[7-10],但目前主要涉及的是開挖隧道前大范圍土體的凍結(jié)加固,凍結(jié)管直接埋置在土體中,凍結(jié)區(qū)域絕大部分遠(yuǎn)離地下建筑結(jié)構(gòu),因而很少考慮建筑結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道T接頭局部凍結(jié)加固是近年來新出現(xiàn)的工法,凍結(jié)區(qū)域很小,且凍結(jié)管預(yù)置于聯(lián)絡(luò)通道鋼管片中,已有地下建筑結(jié)構(gòu)的形狀和材料成為影響溫度場(chǎng)發(fā)展和分布的重要因素。但目前已有地下建筑結(jié)構(gòu)的形狀和材料對(duì)凍結(jié)影響的研究較少,對(duì)局部凍結(jié)加固方案凍結(jié)區(qū)域的薄弱位置和凍結(jié)影響因素研究也很少,因此本文依托天津地鐵10號(hào)線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道T接頭局部凍結(jié)加固工程對(duì)局部凍結(jié)加固效果及影響因素展開研究,以期為今后T接頭局部凍結(jié)加固工程提供參考。

1 工程概況

天津地鐵10號(hào)線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程在天津市首次采用盾構(gòu)法施工,該聯(lián)絡(luò)通道覆土厚度為21.7～22.1 m,主要位于粉質(zhì)黏土層,部分位于粉土粉砂承壓含水層。施工過程中存在較大的涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn),危及隧道結(jié)構(gòu)安全,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

本工程主隧道外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,標(biāo)準(zhǔn)管片采用鋼筋混凝土管片,洞門周圍部分管片采用鋼管片。聯(lián)絡(luò)通道外徑為3.35 m,內(nèi)徑為2.85 m,聯(lián)絡(luò)通道與主隧道T接頭位置設(shè)置3環(huán)鋼管片,每環(huán)寬0.5 m。 在聯(lián)絡(luò)通道的每環(huán)鋼管片內(nèi)預(yù)設(shè)2環(huán)凍結(jié)管路,管路采用40 mm×60 mm的無縫方管,同時(shí)在管片上預(yù)埋鹽水進(jìn)、出口,每環(huán)凍結(jié)管路在相鄰管片之間采用軟管相連。凍結(jié)前對(duì)通道壁后0.5 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿改良。主隧道洞門與聯(lián)絡(luò)通道之間的間隙(簡稱洞門間隙)寬度為12.5 cm,凍結(jié)前已通過通道管片預(yù)留的注漿孔多次注漿填充密實(shí)。凍結(jié)管布置實(shí)物如圖1所示。

圖1 凍結(jié)管布置實(shí)物圖

T接頭局部凍結(jié)加固方案溫度設(shè)計(jì)要求如下: 通道外圍凍土帷幕有效厚度不小于0.5 m,凍土帷幕平均溫度≤-10 ℃。局部凍結(jié)效果示意如圖2所示。

圖2 局部凍結(jié)效果示意圖

實(shí)際工程中凍結(jié)12 d后達(dá)到設(shè)計(jì)要求,繼續(xù)積極凍結(jié)至封堵鋼板焊接完成,累計(jì)凍結(jié)19 d。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),此過程無滲漏水現(xiàn)象,局部凍結(jié)施工效果良好,可有效控制施工風(fēng)險(xiǎn),滿足施工要求。

2 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 模型介紹與網(wǎng)格劃分

本文采用 ABAQUS 有限元軟件對(duì)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道T接頭局部凍結(jié)過程進(jìn)行模擬分析,考慮凍結(jié)溫度場(chǎng)影響范圍[11],模型尺寸x、y向各20 m,z向16 m,坐標(biāo)原點(diǎn)位于主隧道和聯(lián)絡(luò)通道中心軸線的交點(diǎn)。模型共劃分為 103 302個(gè)單元,其中主隧道鋼管片中鋼骨架、聯(lián)絡(luò)通道鋼管片和凍結(jié)管采用DS4單元,其余部分采用 DC3D8單元進(jìn)行劃分,對(duì)凍結(jié)主要影響范圍內(nèi)的土體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。有限元模型網(wǎng)格如圖3所示。T接頭結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。主隧道鋼管片中鋼骨架示意如圖5所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格(單位: m)

圖4 T接頭結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 沿主隧道軸向觀察 (b)沿聯(lián)絡(luò)通道軸向觀察

與土體直接接觸并向土體傳遞冷量的是聯(lián)絡(luò)通道鋼管片而非其內(nèi)預(yù)埋的凍結(jié)管。為方便下文敘述,定義聯(lián)絡(luò)通道鋼管片外表面與土體和洞門間隙水泥砂漿直接接觸的范圍為“有效凍結(jié)接觸范圍”,如圖6所示。

圖6 有效凍結(jié)接觸范圍示意圖

假定模型土體各向同性,初始溫度場(chǎng)均勻分布,以凍結(jié)管邊界作為冷源荷載施加位置,土體相態(tài)不變時(shí),不考慮溫度對(duì)土體熱參數(shù)的影響,忽略地下水滲流的影響,忽略聯(lián)絡(luò)通道鋼管片隔腔中填充的混凝土的影響。

2.2 邊界條件及模型參數(shù)

模型頂?shù)酌婧蛡?cè)面為絕熱邊界,初始地溫取實(shí)際工程測(cè)量平均值14.9 ℃。洞門附近位于聯(lián)絡(luò)通道徑向0.5 m范圍內(nèi)的主隧道內(nèi)壁、負(fù)環(huán)、聯(lián)絡(luò)通道鋼管片內(nèi)壁設(shè)置保溫層,模型中設(shè)置為絕熱邊界,主隧道和聯(lián)絡(luò)通道其他管片與空氣的接觸面為對(duì)流換熱邊界,對(duì)流換熱系數(shù)取2.1 W/(m2·℃)[11]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和前人已有的研究結(jié)果[11-16],選取各材料所用熱物理參數(shù),如表1所示。

表1 熱物理參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并參考已有工程經(jīng)驗(yàn),冷凍鹽水降溫方案如表2所示。

表2 冷凍鹽水降溫方案

2.3 原工況模擬結(jié)果分析

2.3.1 凍結(jié)時(shí)間和各處凍結(jié)效果分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)溫孔和分析路徑布設(shè)如圖7所示。選取①—⑧(沿洞門處和距洞門0.5 m處各4點(diǎn))作為判斷是否滿足凍結(jié)要求的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。A、B2點(diǎn)為實(shí)際工程中部分測(cè)溫孔。C1-1、C2-1、C3-1和C1-2、C2-2、C3-2路徑為6條1/2環(huán)向路徑,分別位于通道壁后0.3 m和0.5 m處,其中C1-1和C1-2路徑所在截面與主隧道相切。L1和L2 2條沿通道的縱向路徑分別位于通道頂部壁后0.3 m和0.5 m處。

(a) 沿主隧道軸向觀察 (b) 沿聯(lián)絡(luò)通道軸向觀察

通道外圍凍土帷幕有效厚度是否到達(dá)0.5 m可以通過通道壁后0.5 m深處是否達(dá)到土體凍結(jié)溫度判斷。凍結(jié)17 d后,①—⑧號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)通道壁后0.5 m深處溫度和0.5 m厚度范圍內(nèi)平均溫度如圖8所示,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 原工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)(17 d)

由圖8可知: 1)①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后的凍結(jié)壁均溫為凍結(jié)時(shí)間的控制因素,其次為①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍結(jié)壁厚度。2)在靠近有效凍結(jié)接觸左邊緣的洞門處(①、③、⑤、⑦號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)),聯(lián)絡(luò)通道的頂?shù)撞?⑦號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))壁后土體的凍結(jié)效果比聯(lián)絡(luò)通道的側(cè)面(⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))壁后土體要差。3)聯(lián)絡(luò)通道的底部(①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))壁后土體的凍結(jié)效果略差于聯(lián)絡(luò)通道的頂部(⑦號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))壁后土體。

造成上述情況的原因主要有: 1)⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后0.5 m范圍內(nèi)的土體均緊貼主隧道,而①(⑦)號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后土體與主隧道之間還有土體,即通道洞口處頂?shù)撞勘葌?cè)面需要凍結(jié)的土體更多。2)主隧道鋼管片可以將⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后近處土體的冷量傳遞至壁后遠(yuǎn)處土體,而①(⑦)號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后近處土體的冷量則沿主隧道鋼管片被傳遞至遠(yuǎn)離洞門間隙的主隧道頂?shù)撞?造成凍結(jié)冷量的流失。主隧道鋼管片向主隧道底部延伸比向頂部延伸的更長,因而通道底部(①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))冷量流失較頂部(⑦號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))更多。

2.3.2 主隧道鋼管片的導(dǎo)熱“橋梁”作用

原工況凍結(jié)17 d后,過通道軸線水平截面的溫度分布云圖如圖9所示。提取⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑥號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通道壁后0.5 m范圍內(nèi)土體的溫度數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖9和圖10可知,由于主隧道鋼管片的熱導(dǎo)率較大,起到聯(lián)系通道壁后遠(yuǎn)近土體導(dǎo)熱“橋梁”的作用,路徑Ⅰ上的通道壁后較近處土體的大量凍結(jié)冷量沿主隧道鋼管片傳遞至距離通道較遠(yuǎn)處,因而⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后近處土體溫度高于⑥號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后近處土體,在主隧道鋼管片所在深度范圍內(nèi),路徑Ⅰ土體的溫差比路徑Ⅱ土體的溫差小。

圖9 過通道軸線水平截面(17 d)溫度分布云圖(單位: ℃)

提取凍結(jié)17 d后沿C1-1、C2-1、C3-1和C1-2、C2-2、C3-2路徑(見圖7)的溫度數(shù)據(jù),如圖11所示。由沿C1-2、C2-2和C3-2 3條路徑的溫度曲線可知,雖然聯(lián)絡(luò)通道側(cè)面(即測(cè)溫孔與水平方向夾角為0°時(shí))有效凍結(jié)接觸面積更小,但由于主隧道鋼管片導(dǎo)熱“橋梁”的作用,凍結(jié)17 d后在0.5 m厚度處,通道側(cè)面溫度低于頂?shù)酌?且距主隧道越近溫度越低。在凍結(jié)17 d后,隨著C1-1、C2-1、C3-1路徑和C1-2、C2-2、C3-2路徑距主隧道漸遠(yuǎn),受其影響逐漸減弱,通道壁后0.3 m和0.5 m路徑上的溫度均趨于相同,聯(lián)絡(luò)通道側(cè)面的0.3 m與0.5 m處溫差逐漸變大。

圖10 路徑Ⅰ和Ⅱ上溫度數(shù)據(jù)(17 d)

圖11 沿環(huán)向路徑(17 d)的溫度曲線圖

2.4 實(shí)測(cè)成果數(shù)據(jù)對(duì)照

為驗(yàn)證數(shù)值模型對(duì)局部凍結(jié)溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性,在數(shù)值模型上選取A、B2點(diǎn)壁后0.3 m和0.5 m處溫度數(shù)據(jù),與實(shí)際工程相同位置處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,如圖12所示。由圖可知: 1)通道壁后0.3 m處的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所獲得的土層降溫曲線擬合程度較高; 2)對(duì)于通道壁后0.5 m處測(cè)點(diǎn),模擬結(jié)果較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)降溫偏緩慢。

造成上述現(xiàn)象的原因可能是: 1)模擬采用的土體參數(shù)部分為經(jīng)驗(yàn)值,與現(xiàn)場(chǎng)土體參數(shù)會(huì)有一定區(qū)別; 2)現(xiàn)場(chǎng)土體經(jīng)過開挖隧道和注漿改良等的影響,土質(zhì)很可能是不均勻的; 3)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)溫的方式可能對(duì)測(cè)溫孔處土體的溫度場(chǎng)發(fā)展產(chǎn)生影響。

圖12 模擬值與實(shí)測(cè)值溫度曲線對(duì)比

綜上所述,模擬值與實(shí)測(cè)值的降溫趨勢(shì)基本相同,兩者之間存在誤差但在合理范圍內(nèi),這說明數(shù)值模型較為準(zhǔn)確地揭示了溫度場(chǎng)整體的發(fā)展規(guī)律,能為實(shí)際工程提供一定的參考。

3 不同工況下凍結(jié)溫度場(chǎng)對(duì)比分析

3.1 主隧道洞門采用部分鋼管片(原工況)和全部采用鋼筋混凝土管片的對(duì)比

當(dāng)主隧道洞門周圍全部采用鋼筋混凝土管片時(shí),凍結(jié)14 d后①—⑧號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)通道壁后0.5 m深處溫度和0.5 m厚度范圍內(nèi)平均溫度如圖13所示,滿足設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)時(shí)間比主隧道洞門采用部分鋼管片工況(見2.3.1節(jié))時(shí)縮短3 d。

圖13 鋼筋混凝土管片工況(14 d)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

提取主隧道采用不同管片工況下凍結(jié)14 d后沿通道頂部縱向L1和L2 2條路徑(見圖7)的溫度數(shù)據(jù),如圖14所示。

相比于主隧道全部采用混凝土管片,主隧道在洞門部分采用鋼管片工況達(dá)到的設(shè)計(jì)要求凍結(jié)時(shí)長較大,這是由于此時(shí)洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率較低(0.93 W/(m·K)),不能及時(shí)向主隧道鋼管片輸送冷量,在鋼管片導(dǎo)熱“橋梁”的作用下,聯(lián)絡(luò)通道壁后近處土體中大量凍結(jié)冷量沿主隧道傳遞到遠(yuǎn)處土體,使①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后土體尤其是壁后較近處土體溫度較高。但主隧道在洞門部分采用鋼管片,能保證密封套筒的可焊性及打孔便利性。主隧道采用2種管片工況下,凍結(jié)17 d后過通道軸線豎直截面的土體和主隧道溫度分布云圖如圖15所示。由圖可知,對(duì)于主隧道部分采用鋼管片工況,洞門間隙左側(cè)土體凍結(jié)效果更好,能減小主隧道附近土體凍結(jié)不良引起漏水漏砂的可能。

圖14 沿L1和L2路徑(14 d)的溫度曲線圖

(a) 主隧道全部采用混凝土管片

(b) 主隧道洞門部分采用鋼管片

3.2 洞門間隙注漿體在不同熱導(dǎo)率下的對(duì)比

提升洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率,能提升凍結(jié)管冷量經(jīng)由洞門間隙注漿體傳遞至主隧道管片的能力,進(jìn)而提升主隧道附近土體的凍結(jié)效果,縮短凍結(jié)時(shí)間。下文將分別介紹洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率的提升對(duì)主隧道洞門部分采用鋼管片工況和主隧道全部采用鋼筋混凝土管片工況的影響。

3.2.1 對(duì)主隧道洞門部分采用鋼管片工況的影響

在主隧道洞門部分采用鋼管片工況時(shí),將洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率從0.93 W/(m·K)(原工況)提升至1.8 W/(m·K)和3 W/(m·K),達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需凍結(jié)時(shí)間由17 d縮短為12 d和12 d。在1.8 W/(m·K)和3 W/(m·K)工況下,達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),①—⑧號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)通道壁后0.5 m深處溫度和0.5 m厚度范圍內(nèi)的平均溫度如圖16所示。

(a) 注漿體熱導(dǎo)率為1.8 W/(m·K)

(b) 注漿體熱導(dǎo)率為3 W/(m·K)

提取不同熱導(dǎo)率工況下凍結(jié)12 d后沿L1和L2 2條路徑(見圖7)的溫度數(shù)據(jù),如圖17所示。由圖可知: 1)在聯(lián)絡(luò)通道頂?shù)酌?②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在截面與主隧道之間的土體受洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率因素的影響較大。2)②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在截面右側(cè)土體基本不受洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率因素的影響。3)提高洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率,能提升其向主隧道鋼管片輸送冷量的效率,會(huì)顯著改善主隧道附近土體的凍結(jié)質(zhì)量。

圖17 不同工況下沿L1和L2路徑的溫度曲線圖(12 d)

由圖8和圖16可知: 1)隨著間隙注漿體熱導(dǎo)率的增大,凍結(jié)時(shí)間的控制點(diǎn)逐漸由①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變?yōu)棰谔?hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2)當(dāng)間隙注漿體熱導(dǎo)率提升至1.8 W/(m·K)時(shí),①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后土體均在凍結(jié)12 d后達(dá)到設(shè)計(jì)要求,此熱導(dǎo)率為凍結(jié)時(shí)間控制點(diǎn)轉(zhuǎn)變的臨界熱導(dǎo)率。此時(shí),凍結(jié)所需時(shí)間得到較大幅度的縮短。3)由于間隙注漿體熱導(dǎo)率提高對(duì)②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁后土體影響較小,間隙注漿體熱導(dǎo)率繼續(xù)增大至3 W/(m·K),凍結(jié)所需時(shí)間仍為12 d,而此時(shí)③號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)等離主隧道較近的點(diǎn)溫度已遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求,造成了凍結(jié)冷量的浪費(fèi)。

通過在洞門間隙注漿材料中添加鐵屑或使用導(dǎo)熱性能較為良好的注漿填充材料,使間隙注漿體熱導(dǎo)率提升至1.8 W/(m·K)左右,可以較大幅度縮短凍結(jié)所需時(shí)間,也能保證凍結(jié)冷量較高的利用率。

3.2.2 對(duì)主隧道全部采用鋼筋混凝土管片工況的影響

在主隧道全部采用鋼筋混凝土管片工況時(shí),將洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率從0.93 W/(m·K)提升至1.8 W/(m·K)和3 W/(m·K)時(shí),達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需凍結(jié)時(shí)間由原工況的14 d縮短為13 d和13 d。達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),①—⑧號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)通道壁后0.5 m深處溫度和0.5 m厚度范圍內(nèi)平均溫度如圖18所示。由圖可知,當(dāng)洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率從0.93 W/(m·K)逐漸增大時(shí),凍結(jié)時(shí)間的控制點(diǎn)由①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和⑦號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸變?yōu)檫h(yuǎn)離主隧道的⑥號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這說明: 隨著間隙注漿體熱導(dǎo)率的提升,主隧道洞門附近土體凍結(jié)效果得到一定程度的提升。

(a) 注漿體熱導(dǎo)率為0.93 W/(m·K) (14 d)

(c) 注漿體熱導(dǎo)率為3 W/(m·K) (13 d)

3.2.3 洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率的影響小結(jié)

1)在主隧道采用不同材料的2種工況下,隨著洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率的增大,主隧道附近土體的凍結(jié)效果均得到改善,凍結(jié)時(shí)長均有所縮短。

2)主隧道部分采用鋼管片工況的局部凍結(jié)對(duì)洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率的改變更為敏感。

3)通過提升洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率,主隧道洞門采用管片材料對(duì)凍結(jié)時(shí)長的影響發(fā)生轉(zhuǎn)變。具體表現(xiàn)如下: 在洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率為0.93 W/(m·K)(原工況熱導(dǎo)率)時(shí),主隧道部分采用鋼管片工況所需凍結(jié)時(shí)間比全部采用鋼筋混凝土管片工況更長(長3 d); 洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率提升至1.8 W/(m·K)和3 W/(m·K)時(shí),主隧道部分采用鋼管片工況所需凍結(jié)時(shí)間更短(均短1 d)。

3.3 通道壁后是否注漿改良土體的對(duì)比

當(dāng)通道壁后不進(jìn)行土體的注漿改良時(shí),凍結(jié)16 d后,①—⑧號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)通道壁后0.5 m深處溫度和0.5 m厚度范圍內(nèi)平均溫度如圖19所示,滿足設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)時(shí)間比進(jìn)行注漿改良土體工況(即原工況,見2.3.1節(jié))時(shí)僅縮短1 d。通道壁后是否注漿改良土體對(duì)凍結(jié)時(shí)間影響不大,但如果在凍結(jié)法施工前,對(duì)凍結(jié)區(qū)土體先進(jìn)行水泥土改良,可有效減小凍結(jié)法施工引起的凍脹融沉[17],所以建議注漿處理。

圖19 不進(jìn)行注漿改良凍結(jié)16 d監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

3.4 每環(huán)鋼管片中設(shè)置不同凍結(jié)管環(huán)數(shù)的對(duì)比

當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道的每環(huán)鋼管片中僅設(shè)置單環(huán)凍結(jié)管時(shí),凍結(jié)18 d后,①—⑧號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)通道壁后0.5 m深處溫度和0.5 m厚度范圍內(nèi)平均溫度如圖20所示,滿足設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)時(shí)間比每環(huán)鋼管片中設(shè)置雙環(huán)凍結(jié)管工況(即原工況,見2.3.1節(jié))時(shí)僅延長1 d。

圖20 設(shè)置單環(huán)凍結(jié)管時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)(18 d)

聯(lián)絡(luò)通道的每環(huán)鋼管片中設(shè)置單環(huán)和雙環(huán)凍結(jié)管時(shí),凍結(jié)6 d后,鋼管片溫度分布云圖如圖21所示(此時(shí)凍結(jié)管溫度剛好下降到-30 ℃)。由圖可知: 由于鋼的熱導(dǎo)率較大且遠(yuǎn)大于土體熱導(dǎo)率,聯(lián)絡(luò)通道的每環(huán)鋼管片中無論預(yù)埋單環(huán)還是雙環(huán)凍結(jié)管,與土體直接接觸的鋼管片外表面的大部分區(qū)域在較短時(shí)間內(nèi)均能近似達(dá)到凍結(jié)管溫度,即凍結(jié)壁均能迅速交圈。相比于凍結(jié)管直接埋置在土體中的常規(guī)凍結(jié)方法,本工程中每環(huán)鋼管片中設(shè)置的凍結(jié)管環(huán)數(shù)對(duì)凍結(jié)時(shí)間的影響顯著減小。

(a) 每環(huán)鋼管片中設(shè)置雙環(huán)凍結(jié)管

(b) 每環(huán)鋼管片中設(shè)置單環(huán)凍結(jié)管

減少凍結(jié)管環(huán)數(shù)能降低管片設(shè)計(jì)施工的復(fù)雜程度,減少對(duì)鋼管片開孔的削弱。但同時(shí)為保持鹽水溫度,保證凍結(jié)功率,對(duì)凍結(jié)管內(nèi)鹽水流速等提出更高的要求。

4 結(jié)論與討論

1)洞口處頂?shù)撞啃鑳鼋Y(jié)土體比側(cè)面更多,且主隧道鋼管片造成頂?shù)撞績鼋Y(jié)冷量的流失,因而該處凍結(jié)效果差于聯(lián)絡(luò)通道側(cè)面。由于主隧道鋼管片向主隧道底部比向頂部延伸的更長,因而聯(lián)絡(luò)通道底半環(huán)凍結(jié)效果略差于頂半環(huán)。

2)影響局部凍結(jié)時(shí)間的主要因素為主隧道管片材料和洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率。通道壁后是否注漿改良土體對(duì)凍結(jié)時(shí)間影響不大,兩者凍結(jié)完成時(shí)間僅相差1 d,考慮到凍結(jié)區(qū)土體進(jìn)行注漿改良可以有效減小凍結(jié)法施工引起的凍脹融沉,所以建議注漿處理。在凍結(jié)管冷量輸送效率較高的情況下,由于鋼管片寬度較小且其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于土體,每環(huán)鋼管片中設(shè)置單環(huán)凍結(jié)管的凍結(jié)完成時(shí)間比設(shè)置雙環(huán)凍結(jié)管僅延長1 d。

3)主隧道部分采用鋼管片工況下,鋼管片起到通道壁后遠(yuǎn)近土體導(dǎo)熱“橋梁”的作用。當(dāng)洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率較低(如0.93 W/(m·K))時(shí),注漿體不能及時(shí)地向主隧道鋼管片輸送冷量,聯(lián)絡(luò)通道壁后近處土體中大量凍結(jié)冷量沿鋼管片傳遞至遠(yuǎn)處土體,使通道壁后較近處土體溫度較高,因而比主隧道全部采用鋼筋混凝土管片工況凍結(jié)時(shí)間長。

4)隨著洞門間隙中注漿體的熱導(dǎo)率的增大,其向主隧道管片輸送冷量的效率得到提升,主隧道附近土體的凍結(jié)效果得到改善,凍結(jié)時(shí)長有所縮短。間隙注漿體由0.93 W/(m·K)提升至1.8 W/(m·K)時(shí),可以將主隧道部分采用鋼管片工況凍結(jié)時(shí)間由17 d縮短至12 d,所需凍結(jié)時(shí)長相比主隧道全部采用鋼筋混凝土管片的工況反而縮短1 d,即主隧道部分采用鋼管片工況的凍結(jié)時(shí)間對(duì)洞門間隙注漿體熱導(dǎo)率的改變更為敏感。建議在主隧道部分采用鋼管片的工程中,向洞門間隙注漿體中添加鐵屑等,使其熱導(dǎo)率提升至1.8 W/(m·K)左右。

目前,本文僅提出通過添加鐵屑可以提高洞門間隙注漿體的熱導(dǎo)率,但尚未對(duì)注漿材料中鐵屑與水泥砂漿的配比進(jìn)行試驗(yàn)研究,后續(xù)將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行這方面的研究。