溫曉虎，黃 輝，肖瑞傳，韓玉福

（1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州510335；2、北京中煤礦山工程有限公司 北京100013）

0 引言

人工凍結(jié)法施工是采用人工制冷的方式將冷媒進(jìn)行制冷并輸送至土體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的凍結(jié)加固［1］。目前在地鐵施工領(lǐng)域，人工凍結(jié)法主要應(yīng)用于聯(lián)絡(luò)通道工程［2-4］以及盾構(gòu)進(jìn)出洞工程中［5，6］，隨著大埋深、復(fù)雜地層條件下的施工增多，人工凍結(jié)法逐步被應(yīng)用于大型地下結(jié)構(gòu)開(kāi)挖、基坑建筑等方面［6，7］。在大體積凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)施工順序逐步被人們所重視，因此，如何節(jié)能、快速地完成凍結(jié)施工成為了目前業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)［8-10］。

本文針對(duì)某城市地鐵三號(hào)線部分區(qū)間線路凍結(jié)開(kāi)挖工程進(jìn)行研究，通過(guò)仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比，對(duì)凍結(jié)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究。

1 工程概況

某地鐵三號(hào)線區(qū)間為既有運(yùn)營(yíng)線路的延長(zhǎng)線，全長(zhǎng)387 m，區(qū)間線路如圖1 所示。原采用明挖法施工，由于該區(qū)間位于機(jī)場(chǎng)范圍，地面條件極為復(fù)雜，既有三號(hào)線區(qū)間端墻位于航管樓結(jié)構(gòu)邊緣，無(wú)法采取常規(guī)工藝進(jìn)行施工，為減少對(duì)機(jī)場(chǎng)范圍地面交通秩序的影響，經(jīng)多方論證，從北往南依次變更為明挖段（177 m）+頂管段（101 m）+暗挖段（59 m）。隧道所在位置工程地質(zhì)主要為〈4-1〉、〈3-3〉、〈9C-2〉地層，地下水水位埋藏變化較大，穩(wěn)定水位埋深為0.80～8.00 m，平均埋深為4.37 m；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，地下靜水位為-8.20 m。暗挖段為單洞雙線，且為曲線隧道，隧道寬為12.60 m，高為8.82 m，底板埋深約為16 m?；诘孛鏄?gòu)筑物復(fù)雜，施工環(huán)境要求高，采用垂直冷凍水平開(kāi)挖方式施工。

圖1 區(qū)間線路Fig.1 Interval Route

長(zhǎng)度為59 m 的正線暗挖段區(qū)間計(jì)劃采用凍結(jié)法施工，施工區(qū)域長(zhǎng)度為59 m，根據(jù)設(shè)計(jì)采用垂直凍結(jié)方案對(duì)擬開(kāi)挖區(qū)域進(jìn)行全斷面凍結(jié)，凍結(jié)形式如圖2、圖3 所示。整體凍結(jié)體量達(dá)15 000 m3，是近年來(lái)市政凍結(jié)領(lǐng)域內(nèi)少有的大體量?jī)鼋Y(jié)工程，由于工程延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)劃將凍結(jié)區(qū)域分為2 段進(jìn)行凍結(jié)。單段凍結(jié)體量最小為6 400 m3。

圖2 凍結(jié)區(qū)域剖面Fig.2 Sectional View of Frozen Area

圖3 凍結(jié)加固區(qū)域平面Fig.3 Floor Plan of Freezing and Strengthening Area

在實(shí)際凍結(jié)開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖段后期強(qiáng)度偏高，開(kāi)挖作業(yè)困難，進(jìn)度偏慢，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)量?jī)鼋Y(jié)造成了大量冷量的浪費(fèi)，因此本文針對(duì)該工程前半段凍結(jié)過(guò)程，對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

2 模型建立與分析

利用仿真計(jì)算方案建立整個(gè)第一次開(kāi)挖段區(qū)域埋深（-18 m 處）的二維計(jì)算模型，通過(guò)仿真計(jì)算，將T5 測(cè)溫孔位置（-18 m 處）測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性。利用驗(yàn)證有效的計(jì)算模型研究整個(gè)區(qū)域的凍結(jié)交圈情況。測(cè)溫孔布置如圖4所示。

圖4 測(cè)溫孔布置Fig.4 Layout of Temperature Measuring Hole

第一凍結(jié)段實(shí)際施工5個(gè)測(cè)溫孔，2個(gè)位于A、I排孔的外側(cè)界面，2 個(gè)位于開(kāi)挖斷面內(nèi)，1 個(gè)位于凍結(jié)段端頭，深度與相鄰凍結(jié)孔相同。

2.1 模型建立與地層熱物理參數(shù)選擇

利用COMSOL Multiphysics 建立該地層二維模型，模型大小為39 m×24 m，凍結(jié)孔位置選擇按照實(shí)際開(kāi)孔位置數(shù)據(jù)建立，不考慮凍結(jié)孔施工中存在偏斜位置，為確保模擬的有效性，將計(jì)算區(qū)域周圍0.5 m 區(qū)域設(shè)置為1∶1 000 的無(wú)限元域，用于模擬凍結(jié)加固區(qū)域邊界條件，地層熱物理參數(shù)如表1 所示。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil Parameters

圖5 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig.5 Computational Model and Meshing

2.2 邊界條件

所有凍結(jié)管溫度采用實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行設(shè)置，地層初始溫度采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)初始值23.73 ℃，周圍無(wú)限元域外邊界采用熱絕緣邊界條件，具體鹽水溫度變化曲線如圖6所示，本工程為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅計(jì)算開(kāi)挖施工前的積極凍結(jié)40 d溫度場(chǎng)曲線。

圖6 實(shí)測(cè)鹽水溫度變化曲線Fig.6 The Measured Salt Water Temperature Change Curve

2.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性，選擇積極凍結(jié)40 d內(nèi)T5測(cè)溫孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算中T5點(diǎn)位的溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比分析可以看出，二者的變化趨勢(shì)基本一致，前期溫度下降狀態(tài)相符，后期溫度最大差異為1.5 ℃，其原因主要在于：①本文計(jì)算中選用的土體相變潛熱為利用地勘荷載確定的含水量的反算水冰相變潛熱量，而在實(shí)際工程中鉆孔泥漿循環(huán)以及其他后續(xù)作業(yè)會(huì)導(dǎo)致地下水含水量發(fā)生變化，引起相變潛熱量的改變；②地勘數(shù)據(jù)不可避免的存在誤差，因此造成了二者后期計(jì)算數(shù)值上存在一定的誤差。

圖7 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of Calculation Results with Measured Data

2.4 計(jì)算數(shù)據(jù)分析

該模型計(jì)算的整體溫度場(chǎng)情況如圖8 所示，從圖8中可以看出積極凍結(jié)40 d后由于凍結(jié)壁基本完成全部交圈，部分凍結(jié)孔間距最大位置也處于臨近交圈狀態(tài)，但由于施工位置調(diào)整以及凍結(jié)孔布置的間距存在最大40 cm 的距離差異，造成整個(gè)云圖中存在3 條明顯高溫帶（見(jiàn)圖8a中淺綠色區(qū)域），其存在位置正好位于需避讓的線路周圍，而由于開(kāi)挖時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)際開(kāi)挖工期第一段持續(xù)60 d，后期的薄弱點(diǎn)的持續(xù)凍結(jié)發(fā)展將會(huì)造成強(qiáng)度迅速上升。

圖8 計(jì)算的整體溫度場(chǎng)情況Fig.8 Calculated Overall Temperature Field

圖9 展示為假定繼續(xù)凍結(jié)20 d（積極凍結(jié)40 d）的溫度狀態(tài)，后期鹽水溫度數(shù)據(jù)仍采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖9中可以看出，位于開(kāi)挖區(qū)域后半段的土體，在繼續(xù)凍結(jié)20 d 后溫度存在明顯下降。其凍結(jié)效果遠(yuǎn)超計(jì)劃開(kāi)挖值，因此在大體積凍結(jié)施工中不應(yīng)簡(jiǎn)單對(duì)凍結(jié)區(qū)域進(jìn)行劃分區(qū)域凍結(jié)，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖速度進(jìn)行精細(xì)化凍結(jié)管控，從而實(shí)現(xiàn)凍脹控制以及能源節(jié)省。

圖9 積極凍結(jié)60d溫度云圖Fig.9 Active Freezing 60d Temperature Cloud

3 精細(xì)化凍結(jié)劃分

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果可以看出，簡(jiǎn)單的雙段凍結(jié)，會(huì)造成冷量的過(guò)度浪費(fèi)，同時(shí)造成凍結(jié)壁發(fā)展過(guò)大，開(kāi)挖困難問(wèn)題，為解決上述問(wèn)題，將凍結(jié)區(qū)域劃分進(jìn)行精細(xì)化劃分，考慮每5排斷面開(kāi)挖時(shí)間約10 d，因此將整個(gè)凍結(jié)區(qū)域劃分為4個(gè)區(qū)域，間隔10 d開(kāi)啟，進(jìn)行仿真計(jì)算。其中積極凍結(jié)60 d凍結(jié)云圖如圖10所示，對(duì)比圖9、圖10，分析可知采用精細(xì)劃分凍結(jié)區(qū)域后，后開(kāi)挖區(qū)域的凍結(jié)壁凍結(jié)效果出現(xiàn)延遲，但在計(jì)劃開(kāi)挖時(shí)間段中溫度仍有效達(dá)到設(shè)計(jì)要求溫度。將4個(gè)精細(xì)劃分凍結(jié)區(qū)域各取1個(gè)凍結(jié)孔連線交叉點(diǎn)作為測(cè)溫點(diǎn)，進(jìn)行計(jì)劃開(kāi)挖前溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并繪制成圖11。圖11 中每一段均繪制了開(kāi)挖前溫度以及開(kāi)挖過(guò)程中計(jì)算溫度，從中可以看出，整個(gè)工程共用一套鹽水系統(tǒng)，因此前期鹽水溫度偏高，造成了開(kāi)挖前測(cè)點(diǎn)溫度偏高，但仍可滿足交圈需求，后期整個(gè)40 d 凍結(jié)循環(huán)均為低溫鹽水，因此開(kāi)挖前溫度、開(kāi)挖過(guò)程中凍結(jié)段溫度均遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，滿足工程要求。故在考慮了凍結(jié)循環(huán)中鹽水溫度下降趨勢(shì)條件下，可通過(guò)適當(dāng)拉長(zhǎng)首段積極凍結(jié)時(shí)間，減少后期積極凍結(jié)時(shí)間，進(jìn)一步降低能耗，減少凍結(jié)耗電量。

圖10 修訂后積極凍結(jié)60d溫度云圖Fig.10 Active Freezing 60d Temperature Cloud after the Revision

圖11 不同階段凍結(jié)溫度Fig.11 Freezing Temperature at Different Stages

4 結(jié)論

綜上所述，在大體量?jī)鼋Y(jié)施工中，凍結(jié)開(kāi)始時(shí)間及積極凍結(jié)時(shí)間對(duì)整個(gè)工程的能耗、凍結(jié)效果影響極大，為降低后期開(kāi)挖施工難度，在施工中應(yīng)加強(qiáng)精細(xì)化管理，結(jié)合仿真計(jì)算及對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文得出以下結(jié)論：

⑴大體量?jī)鼋Y(jié)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)斷面尺寸、線路長(zhǎng)度，結(jié)合工程施工工期及預(yù)定開(kāi)挖速度，進(jìn)行凍結(jié)區(qū)域的精細(xì)化劃分，防止一次性大體量?jī)鼋Y(jié)，減少因過(guò)度凍結(jié)造成的開(kāi)挖困難，從而實(shí)現(xiàn)凍脹控制以及能量節(jié)省。

⑵考慮到鹽水溫度下降的趨勢(shì)變化，精細(xì)化凍結(jié)中應(yīng)適當(dāng)加大最先開(kāi)挖區(qū)域的積極凍結(jié)時(shí)間，并適當(dāng)壓縮后期凍結(jié)區(qū)域的凍結(jié)時(shí)間，具體壓縮和拉長(zhǎng)比例需根據(jù)鹽水總體量、土體熱物理參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)確定，以減少后期積極凍結(jié)時(shí)間，進(jìn)一步降低能耗，減少凍結(jié)耗電量。