付 財 崔兵兵 王 翔

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013; 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

隨著我國城市人口的日益增多，城市軌道交通進(jìn)入大建設(shè)階段。盾構(gòu)進(jìn)出洞是地鐵隧道盾構(gòu)施工中的高風(fēng)險點(diǎn)，特別是當(dāng)隧道端頭土體自立性較差時，若不能合理加固，易造成涌水涌沙等現(xiàn)象，影響盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)與接收，甚至造成工程事故。人工凍結(jié)法是臨時改變土體物理性能的一種工法，可在復(fù)雜地質(zhì)條件下形成具有良好隔水性能的凍土帷幕，在凍土帷幕的保護(hù)下實(shí)現(xiàn)對不良土層的開挖構(gòu)筑。目前，凍結(jié)法在我國軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道端頭加固中已得到廣泛應(yīng)用。采用凍結(jié)法加固隧道端頭時，凍結(jié)溫度場的擴(kuò)展是決定工程成敗的關(guān)鍵因素。因此，有必要對端井凍結(jié)法加固地層的溫度場進(jìn)行分析研究。目前研究溫度場的方法有理論分析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值分析等方法[1-4]。其中，數(shù)值模擬分析方法應(yīng)用較為成熟，在復(fù)雜工況下具有明顯優(yōu)勢。

本文以杭州地鐵4號線某盾構(gòu)隧道水平凍結(jié)加固工程為例，利用有限元軟件，對水泥改性土杯型凍結(jié)溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律進(jìn)行了研究。所得結(jié)果為今后類似工程設(shè)計提供理論參考依據(jù)。

1 工程背景

杭州地鐵4號線某盾構(gòu)出洞工作井洞門直徑6.7 m，盾構(gòu)直徑6.25 m，盾構(gòu)出洞洞門中心標(biāo)高-15.76 m。設(shè)計采用“三軸攪拌樁+凍結(jié)法”來加固地層。其中凍結(jié)法施工時，凍結(jié)帷幕按照杯型設(shè)計，杯壁加固體厚度與杯身加固體厚度分別為1.4 m，6 m，杯底加固厚度1.5 m。共布置三圈凍結(jié)孔，內(nèi)圈凍結(jié)孔布置半徑R1=1.3 m，共布置9個凍結(jié)孔，孔間距為1.02 m；中圈凍結(jié)孔布置半徑R2=2.65 m，共布置16個凍結(jié)孔，孔間距為1.04 m；外圈凍結(jié)孔布置半徑R3=3.85 m，共布置30個凍結(jié)孔，孔間距為0.806 m,如圖1所示。

2 三維數(shù)值模型建立

2.1 計算模型

為簡化計算，計算模型的假定如下：

1)假設(shè)土體為連續(xù)、均勻且各向同性體；

2)不考慮水分遷移的影響；

3)視凍結(jié)管外壁溫度為鹽水溫度，不考慮鹽水與凍結(jié)管之間對流換熱的影響；

4)假定土層均為粉質(zhì)黏土，土體初始溫度均勻，且都為-20 ℃。

凍結(jié)溫度場擴(kuò)展是一個瞬態(tài)非線性的過程，溫度隨時間及空間發(fā)生變化，且在此過程中伴隨著水冰相變，因此計算模型采用考慮相變的瞬態(tài)分析模型，單元類型取八節(jié)點(diǎn)的SOLID 70單元。根據(jù)本工程凍結(jié)壁設(shè)計特點(diǎn)，考慮凍結(jié)壁降溫影響，計算模型取半徑為18 m，長為11 m的圓柱體，采用三維四節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格對計算模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5 m，并對凍結(jié)管附近的土體的網(wǎng)格進(jìn)行加密，以保證計算精度，共計劃分16 989個單元，計算模型如圖2所示。

2.2 計算參數(shù)選取

凍結(jié)過程中土體的熱物理參數(shù)是與溫度相關(guān)的函數(shù)。水泥加固土體后，土體的初始溫度取20 ℃，相變區(qū)間取[-0.5 ℃，0 ℃]?；趦鐾翆?shí)驗(yàn)及參考資料[5]，本次模擬所選土體熱物理參數(shù)如表 1所示。鹽水降溫曲線如圖3所示。

表1 土體物理參數(shù)表

3 計算結(jié)果分析

選取10 d，20 d，30 d，40 d的砂土水泥土溫度場云圖進(jìn)行分析，如圖 4所示?？梢钥闯鰞鼋Y(jié)10 d時，外圈孔凍結(jié)壁與中圈孔凍結(jié)壁之間已交圈，20 d時，已形成了完整的凍結(jié)壁，凍結(jié)壁溫度隨凍結(jié)時間增長而逐漸降低。T3測溫孔處降溫曲線如圖5所示?？梢钥闯鰷y溫孔處降溫曲線可分為快速降溫、相變、降溫、平緩4個階段；在快速降溫階段時，降溫速率約為1.9 ℃/d；降溫階段時，降溫速率較快速降溫階段變緩，約為0.8 ℃/d；平緩階段時，降溫速率約為0.125 ℃/d。

4 不同土性溫度場降溫規(guī)律

土壤層中的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、相變潛熱等熱物理參數(shù)是影響溫度場發(fā)展和分布的重要因素，不同土層的熱物理參數(shù)不同?；谒⒌娜S數(shù)值模型，通過改變土壤層的熱物理參數(shù)，比較T1測溫點(diǎn)處降溫曲線，研究砂土水泥土、砂土、黏土水泥土和黏土這四種土性的凍結(jié)溫度場擴(kuò)展規(guī)律。砂土和黏土的初始溫度取15 ℃，土層的熱物理參數(shù)取值如表2所示。

表2 土體物理參數(shù)表

T3測溫點(diǎn)處隨時間降溫曲線如圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)其他邊界條件相同僅改變土性時，溫度下降順序依次為砂土水泥土>黏性水泥土、砂土>黏土；采用水泥加固后，土體初始溫度升高，但是水泥土降溫速度快于未用水泥加固的土體。砂土水泥土、黏性水泥土、砂土及黏土凍結(jié)壁交圈時間分別為10 d，12 d，7 d，9 d，即砂土凍結(jié)壁交圈時間總比黏土凍結(jié)壁交圈時間早2 d。

5 結(jié)語

1)砂土水泥土凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律可分為：快速降溫、相變、降溫、平緩4 個階段。

2)采用水泥土加固后，土體初始溫度升高，但凍結(jié)過程中降溫速度明顯快于未采用水泥加固的土體。相同條件下，土層降溫速度為砂土水泥土>黏土水泥土，砂土>黏土。且在本工程試驗(yàn)條件下，砂土凍結(jié)壁交圈時間始終較黏土凍結(jié)壁交圈時間快2 d。