胡 俊

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南海口 570228)

盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有深層攪拌法、高壓旋噴法、SMW工法、凍結(jié)法、注漿法、素混凝土灌注樁法和降水法等。土體加固可以采用一種或多種工法相結(jié)合的加固手段。加固方式可以分為以下兩大類:①化學(xué)加固方式(高壓旋噴法、深層攪拌法、注漿法、素混凝土灌注樁法等);②物理加固方式(凍結(jié)法、降水法等)［1-4］。對(duì)于軟土地區(qū)，當(dāng)受地面環(huán)境限制無法進(jìn)行攪拌樁和旋噴樁施工，或是在化學(xué)加固后探孔時(shí)發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的漏水漏砂現(xiàn)象時(shí)，可采用垂直凍結(jié)工法進(jìn)行加固。垂直凍結(jié)工法采用板狀凍結(jié)加固理論設(shè)計(jì)，在盾構(gòu)隧道端頭布置一定數(shù)量的垂直凍結(jié)孔，經(jīng)凍結(jié)后在洞門處形成板狀凍土帷幕來抵抗盾構(gòu)破壁時(shí)的水土壓力，防止土層塌落和泥水涌入工作井內(nèi)［5-6］。凍結(jié)管直徑通常在68～168 mm之間，水平凍結(jié)管直徑一般為89和108 mm，而垂直凍結(jié)加固凍結(jié)管直徑通常為127，146，159和168 mm。本文結(jié)合南京地鐵10號(hào)線過江隧道盾構(gòu)始發(fā)工程，運(yùn)用有限元分析軟件，在其它影響因素不變的情況下，凍結(jié)管直徑分別取為127，146，159和168 mm，對(duì)該四種凍結(jié)管直徑所形成的垂直凍土壁進(jìn)行模擬計(jì)算，以研究?jī)鼋Y(jié)管直徑對(duì)垂直凍土壁溫度場(chǎng)發(fā)展的影響。

1 工程背景

南京地鐵10號(hào)線過江隧道區(qū)間大直徑盾構(gòu)始發(fā)井長(zhǎng)21 m，寬19.4 m，底板埋深約30.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式。盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)14.5 m，開挖直徑為12.03 m，東端頭盾構(gòu)隧道中心埋深為21.052 m。根據(jù)勘察資料［7］可知東端盾構(gòu)始發(fā)井處于高水壓砂性地層，該地層具有滲透系數(shù)大、地下水壓力高和地層承載能力差等特點(diǎn)。始發(fā)端頭所處地層自上而下依次為:①-2素填土層，②-1a2-3黏土層，②-2b-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，②-3d3-4粉砂、細(xì)砂層，②-5d1粉砂、細(xì)砂層。端頭隧道頂板位于②-2b-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，底板位于②-3d3-4粉砂、細(xì)砂層，主要穿越②-3d3-4粉砂、細(xì)砂層。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)所涉及土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。在不良地質(zhì)和高水壓等因素影響下，盾構(gòu)始發(fā)作業(yè)有很大風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)端頭土體進(jìn)行加固。

鑒于以上情況，本始發(fā)工程采用三軸深層攪拌樁+垂直凍結(jié)的加固方式，具體為:采用φ1000@750三軸攪拌樁作為盾構(gòu)井端頭主要加固方式，加固范圍為盾構(gòu)隧道兩側(cè)5 m，從地面標(biāo)高加固至拱底6 m，沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向縱向加固17 m。為提高攪拌樁加固土體與中間風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的膠結(jié)強(qiáng)度，在東端盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)沿掘進(jìn)方向布置2排垂直凍結(jié)管。實(shí)際采用的加固方式及范圍如圖1所示。

表1 始發(fā)端頭相關(guān)土層主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 實(shí)際采用的加固方式及平面范圍(單位:mm)

垂直凍結(jié)采用2排凍結(jié)孔，插花布置。A排距地連墻0.4 m，B排距A排0.8 m，孔間距為0.8 m。A排布置29個(gè)，B排布置28個(gè)，總計(jì)57個(gè)凍結(jié)孔。每個(gè)凍結(jié)孔長(zhǎng)度為31.152 m，總鉆孔深度為1 796 m。凍結(jié)管采用φ127 mm×4.5 mm無縫鋼管，供液管選用φ48 mm×3.5 mm無縫鋼管。積極凍結(jié)期鹽水溫度為－28℃ ～－30℃，維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為 －25℃ ～－28℃。積極凍結(jié)時(shí)間取30 d。

2 溫度場(chǎng)三維數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定

計(jì)算中基本假定如下:①工程所在位置計(jì)算范圍內(nèi)各土層均水平分布;②土層視為均質(zhì)、熱各向同性體;③土層具有均勻初始溫度場(chǎng);④忽略鹽水循環(huán)的影響，直接將溫度荷載施加到凍結(jié)管壁的節(jié)點(diǎn)上;⑤熱物理參數(shù)分層穩(wěn)定，忽略水分遷移的影響。

2.2 計(jì)算模型和參數(shù)選取

溫度場(chǎng)計(jì)算模型采用帶相變的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型。根據(jù)建議采用的凍結(jié)孔布置方案，考慮到現(xiàn)場(chǎng)問題的對(duì)稱性并為了提高計(jì)算效率，本模型取一半模擬。以掌子面正上方地表點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取縱向長(zhǎng)度(X軸)3 m，橫向?qū)挾?Y軸)12 m，垂直距離(Z軸)32 m。本模型選取了四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分格式，對(duì)凍結(jié)管周圍區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理。計(jì)算模型共劃分815 788個(gè)單元，149 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)從工程現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行凍土試驗(yàn)［8］，三軸深層攪拌樁加固后的土體熱物理參數(shù)如表2所示。由于該端頭進(jìn)行了三軸深層攪拌樁加固，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)受水泥水化熱影響后的地層溫度將會(huì)提高約10℃，一般地層10 m以下恒溫帶溫度為19℃～20℃，故凍結(jié)前水泥改良后地層初始溫度取30℃，并在整體模型邊界面上保持不變。計(jì)算區(qū)域的外邊界看作絕熱邊界，凍結(jié)管表面為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載。根據(jù)降溫計(jì)劃，取凍結(jié)時(shí)間步為40 d，每步時(shí)間長(zhǎng)為24 h。

表2 水泥加固后土體熱物理參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為了檢驗(yàn)有限元計(jì)算模型的模擬效果，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)凍結(jié)過程的溫度數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，典型溫度時(shí)間曲線見圖2?？梢妼?shí)測(cè)溫度值和數(shù)值計(jì)算溫度值變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值計(jì)算溫度曲線相對(duì)光滑。數(shù)值模擬計(jì)算方法及所選模型和參數(shù)基本正確，較好地模擬了真實(shí)情況，故用該模型來模擬盾構(gòu)始發(fā)時(shí)垂直凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的變化過程是可行的。

圖2 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

圖3 凍結(jié)管直徑127 mm，z=0剖面不同時(shí)間的0℃等溫線

3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果和分析

基于以上溫度場(chǎng)數(shù)值模型，在其它影響因素不變的情況下，凍結(jié)管直徑分別取為127，146，159和168 mm進(jìn)行模擬計(jì)算，以研究?jī)鼋Y(jié)管直徑對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

3.1 0℃等溫線

圖3為凍結(jié)管直徑127 mm，z=0剖面不同時(shí)間的0℃等溫線。

凍結(jié)4 d時(shí)，不同凍結(jié)管直徑0℃等溫線基本以凍結(jié)管為圓心呈同心圓分布，A排凍結(jié)管形成的凍土圓柱大于B排凍結(jié)管形成的凍土圓柱，這主要是因?yàn)锽排凍結(jié)管周圍未凍土多，凍結(jié)所需冷量較大。凍結(jié)管直徑越大，所形成的0℃等溫線凍土圓柱的直徑也越大。此時(shí)，只有凍結(jié)管直徑168 mm的凍結(jié)管之間即將交圈。凍結(jié)5 d時(shí)，凍結(jié)管直徑168 mm的止水承重凍土墻已經(jīng)形成。凍結(jié)管直徑159 mm的雙排凍結(jié)管已經(jīng)交圈，但是連續(xù)的凍土墻還未形成，兩排凍結(jié)管之間、A排凍結(jié)管與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間還存在著未凍區(qū)域。凍結(jié)管直徑146 mm的A排和B排凍結(jié)管已經(jīng)開始交圈，但是排與排之間并未交圈。凍結(jié)管直徑127 mm的各凍土圓柱的半徑不斷地?cái)U(kuò)大。凍結(jié)6 d時(shí)，凍結(jié)管直徑168 mm所形成的垂直凍結(jié)墻繼續(xù)向外發(fā)展。凍結(jié)管直徑146和159 mm的連續(xù)的凍土墻已經(jīng)形成。凍結(jié)管直徑127 mm的A排凍結(jié)管和B排凍結(jié)管開始交圈，并且兩排凍結(jié)管也相互交圈。凍結(jié)7 d時(shí)，凍結(jié)管直徑168，146和159 mm所形成的垂直凍結(jié)墻繼續(xù)向外發(fā)展。凍結(jié)管直徑127 mm的連續(xù)的凍土墻已經(jīng)形成。此時(shí)不同凍結(jié)管直徑的連續(xù)垂直凍土墻都已經(jīng)形成，所形成的凍土墻厚度相差不大。從凍結(jié)7 d開始一直到凍結(jié)40 d為止，不同凍結(jié)管直徑的垂直凍結(jié)壁繼續(xù)發(fā)展，交圈后0℃等溫線的弧度逐漸變緩趨于直線，凍土墻的擴(kuò)展速度也逐漸變緩，凍土墻厚度不斷增大。

由此可知，不同凍結(jié)管直徑的凍結(jié)壁交圈時(shí)間即形成閉合的垂直凍土墻的時(shí)間分別為:凍結(jié)管直徑127 mm為7 d，凍結(jié)管直徑146 mm為6 d，凍結(jié)管直徑159 mm為5.5 d，凍結(jié)管直徑168 mm為5 d。垂直凍土墻交圈時(shí)間與凍結(jié)管直徑的關(guān)系如圖4所示，凍結(jié)管直徑每增加1 cm，凍結(jié)壁交圈時(shí)間減小約12 h。隨著凍結(jié)管直徑的增大，凍結(jié)壁交圈時(shí)間呈線性減小。

3.2 0℃與－10℃等溫線的對(duì)比

圖5為不同凍結(jié)管直徑z=0剖面凍結(jié)30 d，40 d的0℃和－10℃等溫線。

圖4 垂直凍土墻交圈時(shí)間與凍結(jié)管直徑的關(guān)系

1)凍結(jié)30 d時(shí)，不同凍結(jié)管直徑的0℃和－10℃等溫線的位置基本一致，即－10℃等溫線的凍土墻厚度基本一致，約為1.6 m。凍結(jié)管直徑168 mm的－10℃等溫線凍土墻厚度要比凍結(jié)管直徑127 mm的大約0.1 m。0℃等溫線的凍土墻厚度比－10℃等溫線還要厚約0.2～0.3 m。

圖5 不同凍結(jié)管直徑z=0剖面凍結(jié)30，40 d的0℃和－10℃等溫線

2)凍結(jié)40 d時(shí)，不同凍結(jié)管直徑的0℃和－10℃等溫線的位置也基本一致，－10℃等溫線的凍土墻厚度基本為1.8 m。凍結(jié)管直徑168 mm的0℃等溫線與－10℃等溫線之間的距離要比凍結(jié)管直徑127 mm的大約0.1 m。同樣，凍結(jié)管直徑168 mm的－10℃等溫線凍土墻厚度要比凍結(jié)管直徑127 mm的大約0.1 m。

由此可知，不同凍結(jié)管直徑最終形成的－10℃等溫線的凍土墻厚度相差很小，凍結(jié)30 d時(shí)約為1.6 m，凍結(jié)40 d時(shí)約為1.8 m。凍結(jié)30 d后，不同凍結(jié)管直徑所形成的垂直凍土壁厚度均可＞1.6 m。

4 結(jié)語

1)實(shí)測(cè)溫度值和數(shù)值計(jì)算溫度值總體變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值計(jì)算溫度曲線相對(duì)光滑，用數(shù)值模型來模擬盾構(gòu)始發(fā)時(shí)垂直凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的變化過程是可行的。

2)不同凍結(jié)管直徑的凍結(jié)壁交圈時(shí)間即形成閉合的垂直凍土墻的時(shí)間分別為:凍結(jié)管直徑127 mm為7 d，凍結(jié)管直徑146 mm為6 d，凍結(jié)管直徑159 mm為5.5 d，凍結(jié)管直徑168 mm為5 d。凍結(jié)管直徑每增加1 cm，凍結(jié)壁交圈時(shí)間減小約12 h。隨著凍結(jié)管直徑的增大，凍結(jié)壁交圈時(shí)間呈線性減小。

3)不同凍結(jié)管直徑－10℃等溫線的凍土墻厚度相差很小，凍結(jié)30 d時(shí)約為1.6 m，凍結(jié)40 d時(shí)約為1.8 m。凍結(jié)30 d后，不同凍結(jié)管直徑所形成的垂直凍土壁厚度均可＞1.6 m。

［1］胡俊，楊平，董朝文，等.盾構(gòu)始發(fā)端頭化學(xué)加固范圍及加固工藝研究［J］.鐵道建筑，2010(2):47-51.

［2］胡俊，楊平，董朝文，等.蘇州地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道端頭加固方式現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究［J］.鐵道建筑，2010(11):32-35.

［3］曾暉，胡俊，王效賓.蘇州地鐵一號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道加固方式比選研究［J］.鐵道建筑，2012(10):58-61.

［4］胡俊.蘇州地鐵盾構(gòu)隧道端頭加固方式及其關(guān)鍵問題研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2009.

［5］曾暉，楊平，胡俊.特殊地層下盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)實(shí)例研究［J］.鐵道建筑，2011(2):79-81.

［6］胡俊.高水壓砂性土層地鐵大直徑盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方式研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2012.

［7］江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.南京地鐵十號(hào)線(西延線)DW-XK01-0000-1006標(biāo)江心洲～中間風(fēng)井區(qū)間巖土工程初步勘察報(bào)告［R］.南京:江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2011.

［8］胡俊.水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013(4):156-159.