龔 旭

(鎮(zhèn)江新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量中心，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)許多大中城市出現(xiàn)了地面交通擁堵及城市用地的危機。地鐵作為一種快捷便利的地下交通運輸工具在解決交通擁堵問題的過程中具有重要作用。然而地鐵在建造過程中也存在著一定的風(fēng)險，主要是在盾構(gòu)到達過程中洞門后土體穩(wěn)定的問題。因此需對盾構(gòu)到達或始發(fā)區(qū)域內(nèi)洞門土體作一定的加固。凍結(jié)法作為一種形式靈活、適應(yīng)性強、施工無污染、對環(huán)境影響小的土體加固方法在盾構(gòu)進出洞施工應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)于凍結(jié)地層加固技術(shù)在城市隧道建設(shè)中的應(yīng)用已經(jīng)獲得了一些有益的施工經(jīng)驗[1-6]。

本文根據(jù)某車站盾構(gòu)到達人工水平凍結(jié)加固工程為例，運用數(shù)值計算對此展開理論研究，并據(jù)此為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程、水文地質(zhì)

根據(jù)詳勘報告，盾構(gòu)到達施工場地內(nèi)工程、水文地質(zhì)較為復(fù)雜，且地下水具有承壓性，地下水與秦淮河及長江均存在水力聯(lián)系。

場地內(nèi)土層自上而下依次為:雜填土(①-1)、粉質(zhì)粘土()、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)、粉砂()、粉土()以及粉砂)。

1.2 盾構(gòu)到達加固方案

盾構(gòu)機外徑為6.34 m，為保證盾構(gòu)機到達過程中洞門范圍內(nèi)土層的穩(wěn)定性和周邊建筑物、管線的安全，采用三圈凍結(jié)管的加固方案，最終形成水平杯狀凍結(jié)壁，防止盾構(gòu)到達過程中水土涌入車站北端頭的盾構(gòu)井內(nèi)，如圖1所示。

2 自然解凍數(shù)值分析

2.1 計算模型

盾構(gòu)到達后，僅留下最外層1.8 m厚凍土帷幕，其自然解凍數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 凍結(jié)管布置圖

圖2 數(shù)學(xué)模型圖

邊界2存在著未凍土與凍土間的三維熱傳導(dǎo)，其數(shù)學(xué)表達式:

其中，Ti為凍土中溫度，i=s時為凍結(jié)區(qū)溫度，i=l時為未凍區(qū)溫度;αi為導(dǎo)溫系數(shù)，i=s，l。

邊界1存在著隧道內(nèi)的空氣與混凝土管片之間的熱對流:

其中，q為熱流密度，W/m;h為表面對流換熱系數(shù)，W/(m·K);ts為邊界溫度;tf為溫度在邊界面上的給定值。

管片內(nèi)熱傳導(dǎo)方程同式(1)，當(dāng)通過熱傳導(dǎo)后管片與凍土壁交界面處溫度達到解凍溫度后，相變就開始自邊界1以環(huán)狀向四周擴展，在相變界面上有:

其中，X(t)為相界面位置;Tf為凍結(jié)溫度;L為相變潛熱;Ks，Kl分別為固相區(qū)和液相區(qū)導(dǎo)熱系數(shù);Ts，Tl分別為固相區(qū)和液相區(qū)溫度。

2.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

2.3 有限元模型

三維有限元模型采用8結(jié)點單元，對洞門附近進行網(wǎng)格細分處理，凍結(jié)過程計算60 d，自然解凍計算120 d。三維有限元模型見圖3。

3 計算結(jié)果分析

由凍結(jié)計算結(jié)果可以看出，盾構(gòu)達到后在洞門上方形成了3 m長的水平凍土帷幕，在洞門下方形成了6 m長的水平凍土帷幕，如圖4所示。將該溫度場作為自然解凍溫度場初始條件進行進一步分析。

圖3 盾構(gòu)到達水平凍結(jié)加固有限元模型

圖4 盾構(gòu)到達后水平凍結(jié)溫度場

3.1 與實測數(shù)據(jù)對比

為確保工程的安全性，在進行數(shù)值計算的同時，筆者也對洞門處凍結(jié)與自然解凍溫度場進行了全場監(jiān)控量測，將處于相同位置的實測與計算結(jié)果進行對比，如圖5所示，兩者基本吻合。說明所提出的數(shù)學(xué)模型和采用的數(shù)值計算模型是合理可行的。

圖5 計算值與實測值對比曲線圖

3.2 凍土帷幕自然解凍時間分析

根據(jù)自然解凍0℃等值線圖判斷，3 m長的水平凍土帷幕自然解凍時間為40 d左右，6 m長的水平凍土帷幕自然解凍時間為60 d左右。

3.3 凍土帷幕自然解凍速率分析

自然解凍過程中相變界面位置及解凍鋒面推進速率曲線如圖6，圖7所示。

由圖6，圖7可以看出，隨著停止凍結(jié)后自然解凍時間的延長，解凍速率逐漸減緩。這主要是由于解凍前期，凍土壁內(nèi)溫度梯度較大導(dǎo)致熱傳導(dǎo)較為迅速，而解凍后期隨著凍土壁內(nèi)溫度梯度的減小，熱量傳導(dǎo)也隨之減緩引起的。

圖6 相界面距離軸面隨時間關(guān)系曲線

圖7 解凍速率隨時間關(guān)系曲線

4 結(jié)語

通過對有限元數(shù)值計算結(jié)果的分析和與實測結(jié)果的對比，得到以下幾點結(jié)論:

1)盾構(gòu)到達水平凍結(jié)加固形成的凍土帷幕自然解凍時間約為60 d。

2)人工凍結(jié)壁自然解凍速率隨著解凍時間的增加而減慢。

3)影響盾構(gòu)達到人工水平凍土帷幕自然解凍的主要因素為隧道空氣散熱及未凍土的熱傳導(dǎo)。

[1]Ping Yang，Jie-ming Ke，J.G.Wang，et al.Numerical simulation of frost heave with coupled water freezing，temperature and stress fields in tunnel excavation[J].Computers and Geotechnics，2006(33):6-7.

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