趙宇輝，楊平*，王寧，張玉武

(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037； 2. 南京地鐵建設(shè)有限公司，南京 210017)

隨著我國城市地下工程建設(shè)快速發(fā)展，人工凍結(jié)技術(shù)已被成功應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)端頭、聯(lián)絡(luò)通道加固以及盾尾刷更換等工程。近幾年凍結(jié)法更是得到了廣泛認(rèn)可，但凍結(jié)土體易受到后期解凍時(shí)凍融作用影響，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而導(dǎo)致既有構(gòu)筑物產(chǎn)生不同程度的沉降與變形，這直接影響到工程的質(zhì)量、工期及安全營運(yùn)。為此，國內(nèi)學(xué)者對(duì)凍結(jié)土體解凍規(guī)律進(jìn)行了一系列研究[1-7]。

在自然解凍研究方面，楊平等[8]分析軟弱地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁自然解凍全過程，認(rèn)為其中部分土體溫度解凍15 d時(shí)達(dá)到0 ℃附近，相繼進(jìn)入相變階段，相變期持續(xù)時(shí)間隨入土深度增大而加長；鄭盛等[9]根據(jù)冬、夏季原狀土與水泥土各自自然解凍規(guī)律，得到凍土在不同環(huán)境溫度條件下完全解凍時(shí)間和解凍速率；李寧[10]對(duì)井筒凍結(jié)帷幕自然解凍過程進(jìn)行模擬計(jì)算，得出凍土融化時(shí)內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁完全解凍約需170 d，解凍速率約1.4 cm/d，外側(cè)凍結(jié)壁完全解凍約需280 d，凍土溶解速率為1.1 cm/d。在強(qiáng)制解凍研究方面，鄭鐵騎[11]對(duì)白堊系地層泥巖進(jìn)行強(qiáng)制解凍無量綱正交回歸試驗(yàn)，得到在單圈凍結(jié)條件下的凍結(jié)壁解凍時(shí)間與解凍范圍公式；趙飛等[12]研究了在混凝土水化熱與內(nèi)表面熱對(duì)流雙重作用下，上海長江隧道1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道解凍的規(guī)律；商厚勝[13]基于相似理論物理模擬試驗(yàn)，得到淺覆土條件下強(qiáng)制解凍溫度場發(fā)展變化規(guī)律；胡向東等[14]采用現(xiàn)場原型試驗(yàn)研究了拱北隧道管幕凍結(jié)法強(qiáng)制解凍規(guī)律。

前人對(duì)盾構(gòu)端頭及聯(lián)通道凍結(jié)加固解凍規(guī)律已取得了一定成果，但針對(duì)MJS與凍結(jié)法聯(lián)合加固，特別是下穿車站交疊區(qū)凍結(jié)加固解凍規(guī)律尚不清楚。南京地鐵7號(hào)線下穿既有10號(hào)線中勝站擬采用MJS+人工凍結(jié)法加固，其后期融沉控制是關(guān)鍵，本研究通過數(shù)值模擬對(duì)該工程不同氣候環(huán)境條件下凍結(jié)加固解凍過程進(jìn)行研究，把握其解凍規(guī)律，以便優(yōu)化后續(xù)跟蹤注漿孔位布置、注漿時(shí)間與順序，可為今后類似工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

施工場地位于南京河西漫灘地區(qū)，地質(zhì)條件差，地層以②-3d3+c3(稍密透水粉砂夾粉土)和②-4d2(中密透水粉細(xì)砂)為主；下穿段為全斷面含水層，地下水主要為潛水及承壓水，承壓水頭埋深在地面以下2.60～3.20 m。7號(hào)線與10號(hào)線中勝站交疊區(qū)結(jié)構(gòu)凈距僅0.6 m，需進(jìn)行零覆土、密貼式下穿，工程施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

基于本工程水文地質(zhì)條件及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式等，擬采用MJS+人工凍結(jié)法聯(lián)合加固止水。MJS加固范圍位于地下-21～-11 m，下穿隧道左右兩線底部及兩側(cè)設(shè)計(jì)厚度2 m，兩線中間設(shè)計(jì)厚度4 m；水平凍結(jié)施工在MJS加固后進(jìn)行，其凍結(jié)范圍在MJS加固區(qū)范圍內(nèi)，凍結(jié)孔共布設(shè)64個(gè)，中心間距800 mm，凍結(jié)管采用Φ89 mm×10 mm的20#無縫鋼管，縱向長度22 m，最終形成穩(wěn)定的“山”字形橫向加固體。凍結(jié)管具體布置形式見圖1。

圖1 下穿隧道凍結(jié)管平面布置圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 基本假定

1)模型計(jì)算范圍內(nèi)各土層水平分布、土質(zhì)均勻，加固區(qū)域內(nèi)水泥土加固均勻；

2)土層和水泥土各熱物理參數(shù)分層穩(wěn)定，忽略地下水滲流、水分遷移影響；

3)土體為各向同性的熱傳導(dǎo)材料參數(shù)為常量，凍結(jié)水泥土體熱物理參數(shù)均與-10 ℃凍結(jié)水泥土一致；

4)解凍周期內(nèi)模型對(duì)流面溫度荷載根據(jù)季節(jié)不同設(shè)為常量，忽略隧道開挖對(duì)初始溫度場的影響；

5)忽略鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層中鋼筋的熱傳導(dǎo)作用影響。

2.2 幾何模型

模型以左邊界和下邊界交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，上邊界取至地表。根據(jù)凍結(jié)壁融化影響區(qū)域?yàn)?～5倍凍結(jié)區(qū)域[15]，幾何模型擬定長度(X軸)×寬度(Y軸)×垂直距離(Z軸)=22 m×58 m×38 m。模型中左右隧道中心間距13 m，土體在Z軸方向按實(shí)際工程經(jīng)過簡化后分為2個(gè)地層和1個(gè)結(jié)構(gòu)層，從地表往下第1層為人工填土層，厚4.2 m，第2層為既有車站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，厚7.8 m，第3層為粉砂土層，厚26 m，其中第2、3層為承壓含水層。幾何模型見圖2a。

在解凍幾何模型圖2a C-C剖面處(X=11 m)設(shè)置3條溫度分析路徑，如圖2b所示。路徑P1設(shè)在左線隧道洞門左側(cè)水泥土加固區(qū)域，從上往下第2和第3根凍結(jié)管中間位置水平軸線上。從水泥土加固區(qū)與混凝土襯砌界面起共5個(gè)分析點(diǎn)，相鄰點(diǎn)間隔1 m，由左至右依次為P1-1～P1-5；路徑P2設(shè)在左線隧道開挖洞門中間底部共5個(gè)分析點(diǎn)，最高點(diǎn)位于水泥土加固區(qū)域與混凝土襯砌交界處，相鄰分析點(diǎn)間隔1 m，從上至下依次為P2-1～P2-5；路徑P3設(shè)在兩洞門中間水泥土加固區(qū)，從上至下第5與第6根凍結(jié)管中間共5個(gè)分析點(diǎn)，相鄰點(diǎn)間隔0.5 m，從左到右依次為P3-1～P3-5。

圖2 下穿車站解凍幾何模型與溫度分析路徑

2.3 計(jì)算參數(shù)及邊界條件處理

分別對(duì)南京地區(qū)近5年夏季與冬季溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖3所示。所得擬合曲線相關(guān)系數(shù)均在0.90以上，可靠性較高，故依此設(shè)置解凍溫度場外部環(huán)境氣溫荷載。與空氣相接觸的對(duì)流面溫度荷載取值見表1。

圖3 南京夏季與冬季環(huán)境氣溫變化曲線

表1 夏季與冬季解凍模型對(duì)流面溫度荷載

不同土層各熱物理參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室直接測得，其余參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[16]給出，結(jié)果見表2。

表2 車站所在地層參數(shù)表

由于解凍開始時(shí)下穿段隧道已施工完畢，模型中與空氣接觸的界面主要采用熱對(duì)流及熱輻射的方式進(jìn)行熱傳遞；與土體接觸的邊界采用熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞。對(duì)不與空氣接觸遠(yuǎn)離凍結(jié)壁的邊界設(shè)為絕熱邊界；對(duì)與空氣接觸的邊界，在邊界上施加熱對(duì)流和熱輻射荷載，沿下穿隧道方向的兩端均為對(duì)流邊界(圖2a)。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)置夏季原始地溫18 ℃，隧道內(nèi)平均溫度為20 ℃；冬季原始地溫為13 ℃，隧道平均溫度為5 ℃。

提取夏季與冬季凍結(jié)40 d時(shí)凍結(jié)溫度場各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，初始解凍溫度場各節(jié)點(diǎn)溫度為凍結(jié)40 d時(shí)對(duì)應(yīng)各節(jié)點(diǎn)溫度。在解凍溫度場數(shù)值計(jì)算時(shí)導(dǎo)入解凍模型，作為初始解凍溫度場(圖4)。

圖4 解凍初始溫度場分布云圖

2.4 有限元單元?jiǎng)澐?/h3>

解凍溫度場數(shù)值模型采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元，熱對(duì)流、熱輻射邊界數(shù)值模型采用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元。模型在單元網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)凍結(jié)加固區(qū)域凍結(jié)管周圍土體進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，其他區(qū)域適當(dāng)加粗。

3 自然解凍溫度場規(guī)律分析

3.1 X=11 m剖面處自然解凍過程分析

在解凍幾何模型圖2a C-C剖面處(X=11 m)選取3條不同溫度路徑，路徑1～3各點(diǎn)解凍規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同路徑各分析點(diǎn)自然解凍溫度變化曲線

由分析點(diǎn)P1-4～P1-5、P2-2～P2-3、P3-3～P3-5可知，解凍初始溫度越低解凍初期溫度回升越快，可大致分為3個(gè)階段：1)迅速升溫階段，土體內(nèi)部不同位置處溫度差異較大，解凍時(shí)受土體間的熱傳導(dǎo)及與空氣接觸面熱對(duì)流熱輻射作用影響，凍結(jié)土體溫度快速回升。2)相變階段，初始溫度在0 ℃以下的土體，升溫接近0 ℃時(shí)，溫度變化明顯減緩，土體進(jìn)入相變期，由于土中冰融化成水吸收熱量溫度不變，從而導(dǎo)致土體溫度保持在0 ℃附近。距凍結(jié)管越遠(yuǎn)，解凍初始溫度越高，凍土體進(jìn)入相變期越早，相變階段持續(xù)時(shí)間越短。3)相變后穩(wěn)定升溫階段，凍結(jié)土體完全融化，土體溫度回升至0 ℃以上后溫度持續(xù)穩(wěn)步上升，且越靠近開挖隧道洞門的土體，相變結(jié)束后溫度升高越快，而后逐漸趨于穩(wěn)定。此外，其余各點(diǎn)在自然解凍時(shí)溫度先稍微下降之后緩慢回升，這是因?yàn)榇嬖趦鼋Y(jié)慣性，土體受到靠近凍結(jié)管一側(cè)溫度更低處土體影響，而另一側(cè)混凝土襯砌表面空氣熱對(duì)流尚未發(fā)展至此處，因此在解凍階段開始時(shí)溫度并沒有回升，反而先略微降低。

3.2 Y=29 m及Z=17.2 m處自然解凍過程分析

在解凍幾何模型圖2a A-A剖面處(Y=29 m)解凍速率兩側(cè)端頭>中部土體，上部土體>下部土體，如圖6所示。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)管上部為既有車站鋼筋混凝土層存在熱對(duì)流，而下方土體只能通過熱傳導(dǎo)和兩隧道內(nèi)熱對(duì)流共同作用對(duì)其進(jìn)行解凍，凍結(jié)壁厚度大解凍所需能量大，所以解凍緩慢。

圖6 Y=29 m剖面0 ℃等溫線發(fā)展變化曲線

在解凍幾何模型圖2a B-B剖面處(Z=17.2 m)同樣因熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)共同作用，凍土從四周和下穿隧道底部逐漸開始解凍，解凍60 d后主要剩兩側(cè)和中間加固區(qū)底部凍土，兩側(cè)土體因?yàn)楹穸容^薄先于中間土體解凍，如圖7所示。水泥土加固區(qū)土體最終解凍完全時(shí)間主要取決于隧道中部水泥土加固區(qū)底部土體，因?yàn)樵撎幨侨珨嗝鎯鼋Y(jié)解凍速率最慢的部位。

圖7 Z=17.2 m剖面0 ℃等溫線發(fā)展變化曲線

4 冬夏季自然解凍溫度場對(duì)比

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，沿圖2a C-C剖面取Z=22.5 m處加固區(qū)內(nèi)及附近土體進(jìn)行分析，取分析點(diǎn)繪制冬夏季不同解凍時(shí)間的解凍溫度斷面曲線(圖8)。

注：界面1為凍土與襯砌邊界；界面2為水泥土和粉砂層交界。

由圖8可知，冬夏季凍結(jié)結(jié)束時(shí)，越靠近凍結(jié)管區(qū)域土體溫度越低、溫差越小，凍結(jié)管附近溫度基本相近；冬季土體平均升溫速率比夏季慢，處于相變期的時(shí)間較夏季長。

1)兩側(cè)凍結(jié)加固區(qū)溫度變化。

①解凍初期，凍結(jié)區(qū)域與外界環(huán)境溫差較大，混凝土襯砌界面上的熱對(duì)流起主要作用，故凍結(jié)管靠近洞門一側(cè)的土體比靠近粉砂層一側(cè)的升溫快。

②解凍后期，當(dāng)土體溫度升至0 ℃以上時(shí)，冬夏季凍結(jié)區(qū)土體升溫有明顯區(qū)別。冬季由于隧道內(nèi)環(huán)境溫度低，當(dāng)土體溫度升至0 ℃以上后，熱傳導(dǎo)成為土體升溫的主要作用，隧道外部環(huán)境反而逐漸成為抑制土體升溫因素，解凍230 d土體溫度由洞門向粉砂層方向呈階梯上升趨勢；夏季環(huán)境溫度高，混凝土襯砌的熱對(duì)流仍起主要作用，解凍180 d土體溫度由洞門向粉砂層方向呈階梯下降趨勢，到粉砂層時(shí)溫度趨于平緩。

2)中間凍結(jié)加固區(qū)，冬夏季解凍規(guī)律一致，形成以凍結(jié)管處溫度最低兩側(cè)溫度相應(yīng)升高的溫度分布曲線。解凍前期溫度梯度較大，解凍后期靠近混凝土襯砌的土體溫度逐漸穩(wěn)定，溫度梯度逐漸變小，凍結(jié)管周圍土體升溫最慢，最終土體溫度趨于外界環(huán)境溫度。冬季因?yàn)樗淼纼?nèi)環(huán)境溫度較夏季低，其整體解凍后期溫度梯度比夏季小。

5 強(qiáng)制解凍溫度場規(guī)律分析

在強(qiáng)制解凍過程中循環(huán)熱水的溫度荷載直接施加在凍結(jié)管壁上，且忽略熱水循環(huán)過程中的熱量消耗，假設(shè)解凍過程中熱水溫度恒定。對(duì)圖2a C-C剖面處0 ℃等溫線變化情況進(jìn)行分析，熱水溫度60 ℃條件下解凍溫度部分云圖如圖9所示。

圖9 60 ℃熱水環(huán)境C-C剖面0 ℃等溫線變化圖

由圖9可知，強(qiáng)制解凍極大縮短了解凍時(shí)間，解凍48 h，解凍圓柱逐漸開始交圈。強(qiáng)制解凍開始后凍土中存在3個(gè)解凍鋒面：一是由于隧道內(nèi)空氣與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生的空氣對(duì)流換熱引起的解凍鋒面；二是由于在凍結(jié)管中循環(huán)60 ℃的熱水引起的解凍鋒面，其發(fā)展與凍結(jié)過程的凍土柱鋒面類似；三是由于水平“山”字形凍土帷幕周圍土體的地溫較高，從而不斷向凍土區(qū)傳遞熱量產(chǎn)生的解凍鋒面。

1)加固區(qū)兩側(cè)及中間頂部水泥土先解凍，因?yàn)樵摬糠滞馏w處于3種介質(zhì)的交界處，上部鋼筋混凝土層溫度高，比熱容小，與水泥土的熱傳導(dǎo)快，頂部水泥土率先解凍完全；

2)凍結(jié)管周圍靠近隧道一側(cè)的土體先解凍，因?yàn)樵摬糠滞馏w同時(shí)受到凍結(jié)管形成的解凍圓柱鋒面和隧道內(nèi)空氣與混凝土襯砌熱對(duì)流散熱解凍鋒面共同作用。但是中間水泥土加固區(qū)土體較厚，凍結(jié)管與混凝土襯砌間距離為2 m，所以解凍時(shí)間較長；

3)兩側(cè)和底部凍結(jié)管外側(cè)水泥土解凍較凍結(jié)管內(nèi)側(cè)稍慢，這部分土體在凍結(jié)管解凍鋒面和粉砂層熱傳遞鋒面的共同作用下解凍完全；

4)最后是中間水泥土加固區(qū)凍結(jié)管和底部凍結(jié)管交界處附近的土體完全解凍。因此，采用60 ℃循環(huán)熱水強(qiáng)制解凍需要時(shí)間約為18 d。

6 冬夏季強(qiáng)制解凍溫度場對(duì)比

選取分析點(diǎn)P2-3、P3-2、P3-3、P3-4在夏季70 ℃、80 ℃與冬季70 ℃、80 ℃強(qiáng)制解凍條件下，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖10。

圖10 冬夏季不同循環(huán)水溫強(qiáng)制解凍溫度變化曲線

對(duì)比各分析點(diǎn)不同循環(huán)水溫下解凍溫度曲線可知：

1)剛開始解凍階段，相同熱水溫度在夏季與冬季對(duì)土體升溫作用效果基本相同，土體進(jìn)入相變階段所用時(shí)間相同，解凍后期相同水溫在冬季與夏季對(duì)土體的升溫作用效果差異取決于土體距離解凍管所在位置。

2)冬季比夏季在相變階段持續(xù)時(shí)間長，且隨著距離的增大差異性越明顯。這是因?yàn)殡x解凍管較近時(shí)，土體的解凍主要受解凍管解凍鋒面影響，外部環(huán)境對(duì)土體解凍影響相對(duì)較小，土體溫度升高后，外部環(huán)境對(duì)土體升溫制約作用才顯現(xiàn)出來；當(dāng)土體距離解凍管越來越遠(yuǎn)時(shí)，外部環(huán)境對(duì)土體升溫作用影響所占比重增大，而冬夏季土體外部環(huán)境差異性明顯。

冬夏季不同解凍溫度下各部位完全解凍時(shí)間與完全解凍時(shí)間差值見表3。

表3 冬夏季各部位完全解凍時(shí)間與時(shí)間差值

對(duì)比分析各部位完全解凍所需時(shí)間與時(shí)間差值可知：

1)相同循環(huán)熱水溫度下，冬季與夏季相比，各部位完全解凍所需時(shí)間皆有所增加，冬夏季對(duì)解凍管解凍鋒面的交圈基本無影響，但對(duì)各部位完全解凍所用時(shí)間影響不同。因?yàn)樵趶?qiáng)制解凍過程中，越靠近解凍管區(qū)域，冬夏季相同循環(huán)熱水溫度解凍效果越相近，越遠(yuǎn)差距越明顯。

2)不同熱水溫度對(duì)冬夏季各部位完全解凍所需時(shí)間有一定影響，熱水溫度越高，各部位冬夏季解凍完全所需時(shí)間的差值越小。這是因?yàn)?，熱水溫度越高，解凍管?duì)周圍土體的升溫作用越明顯，外部環(huán)境的升溫作用效果相對(duì)減弱，冬夏季強(qiáng)制解凍的差異性變小。

7 結(jié) 論

1)凍結(jié)水泥土進(jìn)入自然解凍初期，因受到凍結(jié)體低溫慣性影響，凍結(jié)壁會(huì)進(jìn)一步向外側(cè)土體擴(kuò)展。自然解凍可大致分為3個(gè)階段：迅速升溫階段、相變階段、相變結(jié)束土體溫度穩(wěn)定升高階段。

2)凍結(jié)水泥土自然解凍完成時(shí)間主要取決于下穿隧道兩線中間加固區(qū)底部，該處是全斷面解凍速率最慢的部位。

3)加固區(qū)內(nèi)各部位凍結(jié)水泥土，自然解凍順序?yàn)椋合葍蓚?cè)后中間，先頂部后底部，先端頭后中部。強(qiáng)制解凍順序?yàn)椋合仁撬淼纼蓚?cè)和底部凍結(jié)管內(nèi)側(cè)，其次為兩側(cè)邊及底部凍結(jié)管外側(cè)，最后是兩線中間加固區(qū)底部。

4)相同循環(huán)鹽水溫度下，強(qiáng)制解凍前期，冬、夏季凍結(jié)土體進(jìn)入相變階段所用時(shí)間基本相同；強(qiáng)制解凍后期，冬、夏季凍結(jié)土體進(jìn)入相變階段所用時(shí)間取決于土體與解凍管間的距離。距離越近，土體進(jìn)入相變期越早，相反則越晚。

5)同一循環(huán)鹽水溫度下，冬季強(qiáng)制解凍完成時(shí)間比夏季長約72 h；循環(huán)鹽水每升高10 ℃，時(shí)間差縮小約24 h。