官?gòu)?qiáng)

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

凍結(jié)法施工中凍土帷幕數(shù)值模擬分析

官?gòu)?qiáng)

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

以某市軌道交通工程越江區(qū)間隧道1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為背景，運(yùn)用數(shù)值模擬手段，深入研究越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過(guò)程中各個(gè)工況下凍土帷幕的受力變形規(guī)律，得出在拉開鋼管片以及開挖土體過(guò)程對(duì)凍土帷幕受力變形影響最為明顯。此研究對(duì)越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)的凍土帷幕的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)保證此類越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程的安全具有重要的參考價(jià)值。

凍結(jié)施工;凍土帷幕;受力變形

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1 工程概況

某市軌道交通工程越江區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，其中1#聯(lián)絡(luò)通道設(shè)于長(zhǎng)江下，聯(lián)絡(luò)通道線間距13.0m，聯(lián)絡(luò)通道位置隧道中心標(biāo)高左線為－15.037m，右線為－15.018，江底標(biāo)高為1.53m。聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)圖見(圖1)，聯(lián)絡(luò)通道采用洞內(nèi)凍結(jié)法加固地層，采用礦山法施工。

聯(lián)絡(luò)通道所在位置的隧道管片為鋼管片，隧道內(nèi)徑為φ5.5m，管片厚度350mm。襯砌采用二次襯砌方式:初次支護(hù)工字鋼支架和C25網(wǎng)噴混凝土結(jié)構(gòu)，厚度250mm;二次襯砌為厚度拱頂500mm漸變至側(cè)墻600mm，底板位置為800mm(C40，P12)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 1#聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察資料顯示，聯(lián)絡(luò)通道主要處于4－1粉細(xì)砂和8－1粉細(xì)砂中，其土層性質(zhì)如(表1)所示。

表1 1#聯(lián)絡(luò)通道所處地層概況

本文采用ANSYS大型有限元分析軟件模擬人工凍結(jié)法施工過(guò)程。由于實(shí)際工況十分復(fù)雜，用數(shù)值分析的方法分析所有的確定或不確定的因素是不可能的，也是不必要的，因此，在有限元分析中做了如下的簡(jiǎn)化假設(shè):

(1)假定原型工程穿越通道所處土層自上而下依次為:4－1粉細(xì)砂、8－1粉細(xì)砂，且各土層呈水平分布，將原型視為在橫向?yàn)楦飨蛲詫訝罘植嫉耐翆舆M(jìn)行分析研究。

(2)不考慮鋼管片每環(huán)之間的螺栓連接，將鋼管片視為一整體的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

(3)數(shù)值模擬中的材料為型鋼、鋼筋混凝土、土和凍土四種，假設(shè)模型材料均為線彈性介質(zhì)。

(4)數(shù)值計(jì)算中，把土體的凍脹轉(zhuǎn)變成材料隨溫度的膨脹，使溫度場(chǎng)和應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)耦合進(jìn)行分析。

2 實(shí)際工況凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)地鐵旁通道凍結(jié)施工的經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)施工的影響范圍通常僅限于距離凍結(jié)區(qū)域中心線5～8倍的凍結(jié)半徑范圍，超過(guò)此范圍將基本上不受凍結(jié)施工的影響［1］［2］［3］。根據(jù)某市軌道交通工程越江區(qū)間隧道的具體情況，按三維問(wèn)題建立求解的數(shù)值計(jì)算模型［4］，沿隧道掘進(jìn)方向(縱向)，確定尺寸為40m(相當(dāng)于25環(huán)管片，每環(huán)1.6m);沿隧道斷面橫向，確定寬度尺寸為30m;而沿豎直方向，根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道實(shí)際埋深，確定上覆土層厚度，向下則從計(jì)算影響范圍角度考慮，選取厚度為35m的地層。

由于隧道是一三維對(duì)稱問(wèn)題，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用1/2模型計(jì)算，三維立體模型溫度場(chǎng)計(jì)算中土體、混凝土以及型鋼統(tǒng)一采用三維瞬態(tài)靜態(tài)或熱分析的SOLID90單元，結(jié)構(gòu)分析時(shí)土體、混凝土以及型鋼統(tǒng)一采用等價(jià)的SOLID95單元，劃分單元總數(shù)為125294個(gè)。鑒于數(shù)值計(jì)算的目的與計(jì)算的精度和時(shí)間，在凍結(jié)管區(qū)域網(wǎng)格密度最大，在遠(yuǎn)離凍結(jié)影響范圍外區(qū)域，適當(dāng)降低網(wǎng)格密度。

有限元模型的凍結(jié)管分布圖以及模型網(wǎng)格圖見(圖2、圖3)。

模型中主要包括未凍土、凍土、鋼筋混凝土和型鋼材料。主隧道管片為C60混凝土管片和鋼管片(Q345鋼，位于聯(lián)絡(luò)通道處)，聯(lián)絡(luò)通道初次支護(hù)為C25混凝土和二次襯砌為C40混凝土。

溫度場(chǎng)邊界條件:模型的前方界面(Z=0處截面)為對(duì)稱邊界;隧道管片凍結(jié)部分界面為絕熱邊界，其余隧道管片界面為對(duì)流換熱界面;模型其余面為恒溫邊界，取地溫初始值。

為了將凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，根據(jù)某市軌道交通工程越江區(qū)間隧道1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固實(shí)際工程，研究1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)變化規(guī)律。1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管具體分布見(圖2)，布置參數(shù)見(表2)。

圖2 凍結(jié)管分布圖

圖3 模型網(wǎng)格圖

表2 凍結(jié)管布置參數(shù)

考慮到凍結(jié)管外壁溫度與鹽水溫度、流速、周圍土層的性質(zhì)等因素有關(guān)，參考1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固工程干路鹽水溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，凍結(jié)管外壁溫度的選取如(表3)所示。

表3 凍結(jié)時(shí)凍結(jié)管外壁溫度取值

凍結(jié)區(qū)域內(nèi)土層為粉細(xì)砂，凍結(jié)溫度取為－0.6℃。模型計(jì)算中熱物理參數(shù)取值如(表4)所示。

表4 土體熱物理參數(shù)

不同凍結(jié)時(shí)間下，凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖和凍結(jié)鋒面位置如(圖4)所示。

圖4 凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖和凍結(jié)鋒面位置圖

從(圖4)可以看出，在凍結(jié)初期，各凍結(jié)管之間的土體與低溫鹽水開始劇烈熱交換，凍結(jié)管周圍土體溫度下降明顯，在凍結(jié)管附近形成凍土柱;隨著凍結(jié)時(shí)間的增加凍土柱不斷向周圍擴(kuò)大發(fā)展，凍結(jié)10天時(shí)，部分相鄰凍土已經(jīng)開始交圈，凍結(jié)到30天時(shí)，凍結(jié)孔周圍的土體均已全部交圈，凍結(jié)50天時(shí)，凍結(jié)壁特征參數(shù)已經(jīng)基本穩(wěn)定，形成內(nèi)外兩個(gè)橢圓狀凍結(jié)鋒面，分別向內(nèi)外圈發(fā)展并趨于穩(wěn)定。

3 凍脹及施工過(guò)程數(shù)值計(jì)算

3.1 施工工況模擬

采用Ansys大型數(shù)值分析軟件通過(guò)建立溫度場(chǎng)、力場(chǎng)兩種不同的物理場(chǎng)分析環(huán)境，再進(jìn)行順序耦合計(jì)算，最后提取并分析所得出的結(jié)果。

(1)首先進(jìn)行凍結(jié)溫度場(chǎng)模擬計(jì)算。

(2)其次施加重力場(chǎng)和力場(chǎng)邊界條件，進(jìn)行實(shí)體模型的自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，并進(jìn)行消除由于自重應(yīng)力所引起的位移計(jì)算。

(3)再進(jìn)行進(jìn)行熱－應(yīng)力耦合場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算由于土體凍脹引起的凍土帷幕受力狀態(tài)及位移的變化。

(4)最后進(jìn)行拉開鋼管片以及聯(lián)絡(luò)通道開挖、支護(hù)施工過(guò)程的模擬計(jì)算，計(jì)算整個(gè)施工過(guò)程引起的隧凍土帷幕受力變形狀態(tài)。

應(yīng)力場(chǎng)邊界條件:模型中，左右兩個(gè)邊界面(X=－8.5、X=21.5 m處截面)施加垂直于該面方向的約束位移，前后兩個(gè)邊界面(Z=0、Z=－20 m處截面)施加法向位移約束，模型底面施加固端約束。

根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)施工過(guò)程，選取主要的施工步驟進(jìn)行研究，為了簡(jiǎn)化工況的名稱，將各個(gè)主要的施工步驟定義為五個(gè)工況，見(表5)。

表5 施工工況定義表

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 工況一(聯(lián)絡(luò)通道開挖前，凍結(jié)45天)

在聯(lián)絡(luò)通道開挖前，由于土體凍脹的作用，引起凍土帷幕的受力變形，凍土帷幕表面的應(yīng)力分布情況如(圖5)。

圖5 凍土帷幕應(yīng)力分布云圖

從(圖5)中可以看出，在凍脹作用下，凍土帷幕第一主應(yīng)力介于－0.32MPa～0.02MPa之間，最大拉應(yīng)力為 0.02MPa，凍土帷幕第三主應(yīng)力介于 －1.08MPa～－0.04MPa之間，最大壓應(yīng)力為1.08MPa，凍土帷幕等效應(yīng)力介于0.21MPa～0.77MPa，由于土體凍脹受兩邊隧道管片約束作用，凍土帷幕與管片相交處的土體應(yīng)力大于土體中間部分的應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在凍土帷幕與管片交接處。

3.2.2 工況二(打開左線隧道鋼管片)

聯(lián)絡(luò)通道開始開挖時(shí)，首先要打開隧道鋼管片，此時(shí)凍土帷幕表面的受力變形情況如(圖6)。

圖6 打開鋼管片后凍土帷幕應(yīng)力分布云圖

從(圖6)可知，在維護(hù)凍結(jié)狀態(tài)，打開左線鋼管片后，凍土帷幕第一主應(yīng)力介于 －0.42MPa～0.45MPa之間，最大拉應(yīng)力為0.45MPa，第三主應(yīng)力介于 －1.69MPa～0.06MPa之間，最大壓應(yīng)力為1.69MPa，等效應(yīng)力介于0.07MPa～1.31MPa之間，凍土帷幕等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管片開口與凍土帷幕交接處，此處由于鋼管片的打開，邊緣處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

從(圖7)可知，打開左線鋼管片之后，在開口處土體約束消失，此處應(yīng)力得到釋放，從而在此處凍土帷幕出現(xiàn)－X方向最大位移值，達(dá)到－4.8mm，土體有向外偏移的現(xiàn)象;凍土帷幕Y方向最大位移值出現(xiàn)在管片開口處。如果在土體加固效果較差情況下打開鋼管片，隧道會(huì)存在較大的破壞危險(xiǎn)情況。

3.2.3 工況三(開挖至聯(lián)絡(luò)通道中部，構(gòu)筑前半部分的初次襯砌)

開挖深度至聯(lián)絡(luò)通道一半后，進(jìn)行前半段混凝土的初次襯砌支護(hù)，研究完成初次襯砌支護(hù)后凍土帷幕表面的受力變形情況。

圖7 打開鋼管片后凍土帷幕位移分布云圖

圖8 初次襯砌完成后凍土帷幕應(yīng)力分布云圖

從(圖8)可知，在完成混凝土初次襯砌之后，凍土帷幕第一主應(yīng)力介于－0.79MPa～0.24MPa之間，凍土帷幕第三主應(yīng)力介于－3.16MPa～0.003MPa之間，凍土帷幕等效應(yīng)力介于0.03MPa～2.33MPa之間，拉應(yīng)力最大值由0.45MPa減小為0.24MPa，變化幅度較大，減小幅度將近50%;壓應(yīng)力最大值達(dá)到3.16MPa，較上一工況明顯增大，最大增大幅度超過(guò)一倍，這是由于聯(lián)絡(luò)通道土體開挖后土體應(yīng)力得到釋放，凍土帷幕土體承受很大的土體自重，表現(xiàn)為受壓狀態(tài);凍土帷幕等效應(yīng)力最大值達(dá)到2.33MPa，較上一工況也有明顯增大，凍土帷幕等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在通道土體邊緣處，這是由于土體邊緣與管片相交處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9 初次襯砌完成后凍土帷幕位移分布云圖

從(圖9)可知，開挖深度至聯(lián)絡(luò)通道一半時(shí)，通道未開挖段土體出現(xiàn) －X方向最大位移值，達(dá)到－6.7mm;通道開挖段頂部土體出現(xiàn)－Y方向的位移最大值，達(dá)到9.3mm，土體有下沉的趨勢(shì)，開挖段底部出現(xiàn)土體+Y方向的位移最大值，達(dá)到8.3mm，土體有向上隆起的趨勢(shì)，這是由于盾構(gòu)管片的部分打開及聯(lián)絡(luò)通道的開挖使得土體應(yīng)力得到釋放，使周圍土體產(chǎn)生了較大的變形，在開挖面上土體有較明顯往外偏移的趨勢(shì)。由于土體凍結(jié)效果較好，已達(dá)到一定的強(qiáng)度要求，使得土體具有較好的自立能力，維持了開挖面的穩(wěn)定狀態(tài)。如果土體加固強(qiáng)度不夠存在缺陷，則此時(shí)可能出現(xiàn)泥沙涌入的危險(xiǎn)情況。

3.2.4 工況四(開挖結(jié)束，打開對(duì)面鋼管片，完成聯(lián)絡(luò)通道的初次襯砌)

本工況研究聯(lián)絡(luò)通道開挖完成，并打開對(duì)面鋼管片以及完成聯(lián)絡(luò)通道混凝土初次襯砌支護(hù)后，凍土帷幕表面的受力變形情況。

圖10 構(gòu)筑初次襯砌后凍土帷幕應(yīng)力分布云圖

從(圖10)可以看出，整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道初次襯砌結(jié)構(gòu)完成后，凍土帷幕第一主應(yīng)力介于－0.91MPa～0.49MPa之間，較上一工況，最大拉應(yīng)力由0.24MPa增大為 0.49MPa，凍土帷幕第三主應(yīng)力介于－3.73MPa～0.03MPa之間，較上一工況，最大壓應(yīng)力由3.16MPa增大為3.73MPa，凍土帷幕等效應(yīng)力介于0.04MPa～2.86MPa之間，較上一工況，凍土帷幕應(yīng)力有所增大，這是因?yàn)殡S著另一半土體的開挖，土體應(yīng)力得到釋放，凍土帷幕土體承受很大的土體自重。

圖11 構(gòu)筑初次襯砌后凍土帷幕位移分布云圖

從(圖11)可以看出，整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道構(gòu)筑完初次襯砌后，土體帷幕頂部和底部位置在+X方向出現(xiàn)最大位移值達(dá)到3.3mm;由于凍土帷幕右半部分初次襯砌結(jié)構(gòu)還未施工，在凍土帷幕頂部和底部表現(xiàn)出的Y方向最大位移值的范圍明顯大于左半部分凍土帷幕，在頂部出現(xiàn) －Y方向下沉位移值，最大達(dá)到－11.8mm，在底部出現(xiàn)+Y方向向上隆起位移值，最大達(dá)到11.9mm。開挖完成后為避免凍土帷幕長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，應(yīng)隨后立即進(jìn)行土體支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)，確保施工過(guò)程的安全。

3.2.5 工況五(聯(lián)絡(luò)通道構(gòu)筑永久襯砌)

本工況研究構(gòu)筑永久襯砌后，凍土帷幕表面的受力變形情況。

圖12 構(gòu)筑永久襯砌后凍土帷幕應(yīng)力分布云圖

從(圖12)可知，在聯(lián)絡(luò)通道完成永久襯砌后，凍土帷幕第一主應(yīng)力介于－0.91MPa～0.49MPa之間，凍土帷幕第三主應(yīng)力介于－3.73MPa～0.02MPa之間，凍土帷幕等效應(yīng)力介于0.04MPa～2.86MPa之間，較之上一工況凍土帷幕應(yīng)力分布狀態(tài)基本不變，可知，此時(shí)凍土帷幕受力狀態(tài)已基本穩(wěn)定。

圖13 構(gòu)筑永久襯砌后凍土帷幕位移分布云圖

從(圖13)可以看出，構(gòu)筑永久襯砌后，凍土帷幕在X方向的位移值也基本沒(méi)變，凍土帷幕在－Y方向的下沉位移量由11.8mm下降為12.3mm，變化較小，凍土帷幕在+Y方向的隆起位移量基本沒(méi)有變化，可知，此時(shí)凍土帷幕已處于較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 總結(jié)

本文采用數(shù)值模擬方法結(jié)合某市軌道交通工程越江區(qū)間隧道1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固工程實(shí)踐，對(duì)實(shí)際工況的凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，并主要全面分析了越江隧道1#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工引起的凍土帷幕受力變形的影響，得到以下結(jié)論:

(1)時(shí)間溫度場(chǎng)變化規(guī)律:凍結(jié)前期，由于土體溫度與鹽水溫度相差很大，土體溫度呈直線下降，凍結(jié)后期，形成凍結(jié)帷幕后，土體溫度平穩(wěn)下降。

(2)凍結(jié)管外圈土體降溫速度較內(nèi)圈土體來(lái)得慢，最終的土體溫度也較內(nèi)圈土體高。由于管片導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)致靠近管片處土體的溫度較中間段土體溫度高。

(3)通道標(biāo)準(zhǔn)段開挖至一半以及構(gòu)筑初次襯砌，開挖部分聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)部?jī)鐾玲∧蛔畲笞冃吸c(diǎn)出現(xiàn)在凍土帷幕頂部和底部中間位置。

(4)土體開挖結(jié)束并打開對(duì)面鋼管片以及構(gòu)筑初次襯砌，凍土帷幕的最大變形量有所增大。

(5)構(gòu)筑永久襯砌后，凍土帷幕的最大變形量有所增大，但變化較小，可知，此時(shí)凍土帷幕已經(jīng)基本穩(wěn)定。

通過(guò)數(shù)值模擬研究?jī)鐾玲∧皇芰ψ冃我?guī)律可以指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)凍結(jié)管的布置參數(shù)，以及施工過(guò)程中合理布置臨時(shí)支撐。

［1］翁家杰，陳明雄.凍結(jié)技術(shù)在城市地下工程中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25(7):51－53.

［2］李洪升等.一維凍結(jié)土體凍脹量的水熱力耦合計(jì)算［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，39:5－8.

［3］仇培云，岳豐田.上海市大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工模擬試驗(yàn)研究［J］.巖土工程界，2004，8(3):32－33.

［4］王暉，李大勇，李健.地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工三維數(shù)值模擬分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(12):1589－1593.

［5］喬京生.地鐵隧道水平凍結(jié)施工地表變形特性的模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，9(1):11－13.

Numerical Simulation Analysis of Frozen Soil Curtain in Freezing Construction

GUANQiang
(Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025)

The background is the freezingmethod construction of cross－river tunnel’s 1#connecting passage in the city rail transit engineering.The paper in－depth studies the laws of the frozen soil curtain force and deformation in each condition of freezing construction process of cross－river tunnel connecting passage bymeans of numerical simulation，draws conclusions that the impact of steel sheet was opened and the excavation process of soil is themostobvious.The contentswill have important guiding significance for the design of frozen soil curtain of the cross－river tunnel contacting passage freeze，and willhave important reference value for ensuring the safety of such cross－river tunnel contacting passage＇s freezing engineering.

Frozen construction;Frozen soil curtain;Force and deformation

U455

A

1004－6135(2015)11－0092－05

官?gòu)?qiáng)(1988.11－ )，男，助理工程師。

2015－10－07

官 強(qiáng)(1988.11－ )，男，助理工程師，主要從事巖土工程勘察方面的工作。