趙昊楠 夏才初,2 王興開

(1. 紹興文理學院土木工程學院, 312099, 紹興; 2. 同濟大學土木工程學院, 200092, 上海)

上海軌道交通15號線(以下簡稱“15號線”)的聯(lián)絡通道所處地層為軟土地層。受軟土地層承載力不夠且含水率較高等因素影響,開挖時易發(fā)生隧道內滲水,引發(fā)隧道失穩(wěn)、淹水甚至通道坍塌等事故。使用凍結法施工可以很好地解決這一隱患。

凍結法施工通常會通過測溫孔來實時監(jiān)控溫度,但尚不能在開挖施工前對凍結壁瞬態(tài)溫度場進行預測分析。通過對凍結溫度場的預測分析,可以提前判斷凍結壁的發(fā)展情況,驗證設計的合理性,從而科學地指導工程施工。為此,本文以上海地區(qū)某聯(lián)絡通道為背景,根據(jù)現(xiàn)場實測的鹽水溫度、土體溫度等溫度數(shù)據(jù),對凍結過程進行分析,探究軟土對凍結發(fā)展的影響。

國內外學者做了關于地鐵聯(lián)絡通道凍結法的研究。文獻[1]依托沈陽蘇家屯地區(qū)地鐵聯(lián)絡通道模擬了某渠基土凍結條件下溫度場和位移場的變化規(guī)律;文獻[2]提出了水平凍結法凍脹效應準耦合數(shù)值分析方法;文獻[3]依托地鐵線路隧道重疊段聯(lián)絡通道施工,分析了下部隧道采用凍結法施工時對上部隧道的影響;文獻[4]研究了不同送風量下隧道的溫度場分布規(guī)律和通風系統(tǒng)對溫度的影響;文獻[5]依托福州2號線某區(qū)間超長聯(lián)絡通道研究了凍結溫度場的變化規(guī)律;文獻[6]依托上海市軌道交通9號線部分工程,分析了人工凍結法施工中冷凍排管的布置形式;文獻[7]通過建立了凍脹數(shù)學模型研究多場耦合下人工凍結技術下冰透鏡的形成;文獻[8]依托福州某超長聯(lián)絡通道工程,利用ANSYS有限元分析軟件模擬了溫度場的發(fā)展規(guī)律及特性。

本文利用ABAQUS有限元軟件建立全地層三維凍結模型,結合模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù),探討上海地鐵聯(lián)絡通道在軟土地層中凍結法施工的溫度場發(fā)展特性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

15號線某聯(lián)絡通道(以下稱為“聯(lián)絡通道A”)埋深為20 m,總長22.73 m。聯(lián)絡通道A為直墻拱型隧道,采用礦山暗挖法施工,寬3.4 m,高4.09 m。初期支護為鋼拱架支撐和C25噴射混凝土。聯(lián)絡通道A正上方為大渡河路,是交通繁忙地段。隧道中心線與古南小區(qū)的最小距離為15 m。沿天山路方向還有一條平行于聯(lián)絡通道的新建盾構隧道,且隧道頂標高為-25～-24 m。綜合判斷,聯(lián)絡通道A的工程風險等級為一級,其由施工引起的地面及周邊建筑變形控制要求嚴格。聯(lián)絡通道A的凍結管布置如圖1所示。

a) 凍結管位置及橫坐標示意圖

根據(jù)工程勘查資料,聯(lián)絡通道A所在地層自上而下依次為:①1雜填土、③1灰色淤泥質粉質黏土、④1淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤2粉質黏土。聯(lián)絡通道A的主體部分位于黏土層中,下端部分凍結管位于粉質黏土層中。粉質黏土層含水率較高且強度較弱、壓縮性較高,故聯(lián)絡通道A開挖時易發(fā)生失穩(wěn)、塌方等事故,且極易引發(fā)較大的地表位移和周邊建筑變形,施工風險高。因此在開挖聯(lián)絡通道A前,須對位于開挖斷面周邊的土體進行加固,以保證工程順利、安全進行。

1.2 凍結設計方案

根據(jù)地質條件及上海地區(qū)類似的施工經(jīng)驗,聯(lián)絡通道A開挖采用水平凍結法加固地層+礦山法暗挖的施工方案。

聯(lián)絡通道A的凍結管按照上仰、水平及下俯三種方法布置;在喇叭口、拱頂及拱腳等凍結效果較差區(qū)域,均采用雙排凍結管布置,以改善凍結效果。共布置86根凍結管(其中下行線隧道布置42根,上行線隧道布置44根),包含2根對穿凍結管(D7、D8);測溫孔共有20個(C1—C20);上、下行線隧道各布置4個泄壓孔(X1—X8)。

2 現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1 鹽水溫度

凍結初期冷凍機處于調試階段,鹽水下降溫度并不是勻速的,最大鹽水溫差為3.4 ℃。當鹽水溫度降至-18 ℃時,鹽水去回路溫差穩(wěn)定在2 ℃;當鹽水溫度保持在-30 ℃上下時,溫差基本保持不變,凍土帷幕平均溫度基本穩(wěn)定在-10 ℃左右,土層與凍結管的熱交換達到平衡狀態(tài)。

2.2 土體溫度

測溫點選取位于聯(lián)絡通道A喇叭口截面測溫孔(C2—C4)的橫坐標x=4 m處(測溫點編號分別為C2-4、C3-4 、C4-4),位于聯(lián)絡通道凍結管端頭上截面和下截面測溫孔(C3及C4)的x=12 m處(測溫點編號分別為C3-12 、C4-12)。通過比較各測溫點的不同時間溫度值,分析凍結溫度場的變化趨勢。不同測溫點的溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 不同測溫點的溫度變化曲線

由圖2 a)可以看出,溫度變化曲線大致可分為三個階段:第一階段(約11 d),土體初始溫度和鹽水溫度溫差大,兩者之間發(fā)生劇烈熱交換,故各測點溫度下降速率快,平均降溫速率為1.16 ℃/d;第二階段(約14 d),當土體溫度接近0 ℃左右時,其溫度下降速率逐漸減小,說明各凍結鋒面已經(jīng)開始交圈,平均降溫速率為0.78 ℃/d;第三階段(約25 d),土體溫度降至-10 ℃以下,降溫速率進一步減小,平均降溫速率為0.26 ℃/d。

如圖2 b)所示,當測溫點C3-12的溫度降至5 ℃以下時,降溫速度相較于測溫點C4-12溫度大幅放緩,這是由于上下行線凍結管布置不對稱所導致。C4測溫孔離下行線凍結管較近,故C4測溫孔的降溫幅度比C3測溫孔更大。由于凍結管端頭部位凍結效果相對較弱,故測溫點C3-12與C4-12的最終溫度相差不大。

2.3 凍結壁計算結果分析

測溫點選擇C3-4及C4-4,以及C7及C8測溫孔x=12 m處(測溫點編號分別為C7-12 、C8-12),其中C3-4及C7-12位于黏土層,C4-4及C8-12位于粉質黏土層。凍土發(fā)展速度計算式為:

v=s/t

(1)

式中:

v——凍土發(fā)展速度;

s——測溫孔與最近凍結孔距離;

t——凍結壁溫度下降至0 ℃所用時間。

計算得到各測溫點的v如表1所示。由表1進一步計算可得,黏土層中v的均值為53.535 mm/d,粉質黏土層v的均值為52.450 mm/d。可見,黏土層的凍結效果比粉質黏土層的凍結效果好。

表1 凍土擴展速度

3 凍結溫度場的有限元分析

聯(lián)絡通道A的凍結溫度場是含有內熱源且邊界條件復雜,并含多相變的瞬態(tài)導熱動態(tài)溫度場,其發(fā)展規(guī)律和各地層的密度、比熱容、導熱系數(shù)、鹽水去回路溫度等變化有關。結合工程設計和現(xiàn)場實際情況,采用ABAQUS有限元軟件建立凍結溫度場的有限元數(shù)值模型(以下簡稱“溫度場模型”),對聯(lián)絡通道A的凍結過程進行數(shù)值模擬。

3.1 凍結溫度場的計算

在凍結法施工過程中,凍結土體的溫度場為非線性的瞬態(tài)變化。根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),土體凍結其實是土中水發(fā)生相變。瞬態(tài)溫度場的微分方程見文獻[9]。

3.2 溫度場模型的建立

溫度場模型包含地鐵盾構隧道、聯(lián)絡通道A、凍結管及周圍土體。地鐵盾構隧道、聯(lián)絡通道A及凍結管均按照工程實際設計圖紙建模。土體按工程實際情況分為5層,分別為雜填土、灰色淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土、黏土、粉質黏土,均選用實體單元來模擬。凍結管也選用實體單元來模擬。在地層中共創(chuàng)建86根凍結管,根據(jù)工程實際按上、中、下三層放射性布置,并與土體以綁定約束來固定。溫度場模型中,隧道中心距地面16.12 m,隧道半徑為2.95 m,管片厚350 mm。一般情況下,凍結管的溫度影響范圍約為凍結管布置圈半徑的5倍,故溫度場模型尺寸為40 m×25 m×25 m。

溫度場模型的尺寸及網(wǎng)格劃分見圖3。模型共劃分了380 610個單元,凍結管單元密度為0.1 m,土體單元密度為1 m,局部加密單元0.25 m,土體單元與凍結管單元均采用8節(jié)點傳熱六面體單元(DC3D8)劃分。

a) 整體模型

3.3 材料參數(shù)及模型邊界條件

為確保模擬計算結果正確,土體熱物理性質的重要參數(shù)結合工程實際情況取值,如表2所示。

表2 各土層熱物理性質參數(shù)的取值

根據(jù)上海市氣候資料及地層溫度數(shù)據(jù),假定模型初始溫度為17 ℃,設置積極凍結期為45 d,鹽水溫度施加在凍結管邊界上。凍結第7 d時鹽水溫度低于-18 ℃,在第15 d時鹽水溫度達到最低溫度-30 ℃。

3.4 凍結溫度場發(fā)展特性

3.4.1 各截面凍結溫度場發(fā)展規(guī)律

考慮到凍結管分層布置,以及凍結溫度場的發(fā)展和分布不盡相同,本文選取聯(lián)絡通道A上行線喇叭口截面(x=4 m截面)、聯(lián)絡通道中點處截面(x=12 m截面)、下行線喇叭口截面(x=18 m截面)進行分析。

如圖4所示,積極凍結17 d后,x=4 m截面和x=18 m截面的凍結溫度場均已交圈,x=12 m截面的凍結范圍繼續(xù)擴散。凍結帷幕向內擴散速度大于向外擴散速度。

a) x=4 m

如圖5所示,積極凍結45 d后各截面所有開挖土體溫度均降至-1 ℃以下,x=4 m截面凍結壁平均厚度為2.05 m;x=12 m截面凍結壁平均厚度為2.25 m;x=18 m截面凍結壁平均厚度為2.19 m。均達到實際工程設計要求的凍結壁厚度(1.90 m)。凍結壁發(fā)展較為均勻,整體呈“回”字型,開挖土體溫度為-1 ℃左右,尚未完全凍實,但對后續(xù)開挖有利,表明上下行凍結管布置合理。

a) x=4 m截面

x=4 m截面和x=18 m截面凍結期間的凍結溫度場發(fā)展規(guī)律類似。在凍結初期,溫度場發(fā)展十分迅速,土體溫度由初始溫度逐漸下降至接近凍結管溫度;積極凍結17 d后,截面凍結壁均已交圈,此時凍結溫度場的發(fā)展速度逐漸減緩,但由于凍結影響范圍內的土體溫度已經(jīng)下降至接近凍結管溫度,凍結壁的厚度增速較快,此時凍結溫度場向內發(fā)展速度逐漸慢于向外發(fā)展速度;凍結45 d后,各截面的凍結壁厚度均已超過設計要求。由此可見,在喇叭口附近的凍結壁封閉交圈速度較慢,應嚴格確保鹽水溫度的質量,保證凍結壁厚度的發(fā)展。

x=12 m截面由于位于凍結管端頭,理論上凍結管端頭均是凍結壁發(fā)展速度較慢的部位,凍結效果要弱于x=4 m截面和x=18 m截面。但由于上下行均布置凍結管,凍結管端頭部位是處于疊加區(qū)域,在雙向凍結管的共同影響下,該截面凍結10 d后凍結壁開始交圈。因為凍結范圍較大,開挖土體的溫度下降速率要低于x=4 m截面,凍結壁厚度的發(fā)展速度和厚度均優(yōu)于x=4 m截面。

3.4.2 數(shù)值模擬溫度與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

為探究不同深度不同截面的模擬結果和實測數(shù)據(jù)之間的關系,選取在上行線x=4 m截面內的C2—C4測溫孔、x=12截面內的C3—C4測溫孔、下行線x=18 m截面內的C6—C8測溫孔進行溫度分析。積極凍結45 d中,各測溫孔的實測溫度和模擬溫度曲線對比情況見圖6。

a) x=4 m截面的C2—C4測溫孔溫度

模擬測溫孔溫度和實測溫度溫差較小,模擬結果總體降溫趨勢與實測值吻合。由于數(shù)值模擬是理想化的傳熱模型,且受現(xiàn)場施工的不可預測因素等影響,實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果存在一定誤差是可接受的。模擬溫度整體比實測溫度更低,其原因是數(shù)值模擬中并未考慮地下水的影響,在實際工程中,土體含水率、地下水的存在會使熱交換的過程更為復雜。故可以認為數(shù)值模型較為準確地描述了溫度場發(fā)展變化規(guī)律。利用ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬得到的多地層溫度場可以較為真實地反映實際工程。通過溫度場分布云圖可直觀地看到聯(lián)絡通道的凍結效果。

3.5 不同鹽水溫度對凍結效果的影響

為研究鹽水溫度對凍結效果的影響,本文依托該工程,采用同樣的凍結管數(shù)和布置方法,通過改變鹽水溫度,對凍結溫度場進行模擬,可得到在鹽水溫度分別為-25 ℃、-30 ℃和-35 ℃的情況下,不同凍結溫度的變化曲線。選取上行線凍結管內側C3測溫孔(x=4 m截面)、凍結管端頭部位C4測溫孔(x=12 m截面)進行分析,相應不同鹽水溫度下溫度變化曲線如圖7所示。

a) C3測溫孔(x=4 m截面)

由圖7可知,不同鹽水溫度下,三種溫度變化曲線在凍結初期相差不大,在此階段內溫度隨凍結時間的增長而降低。鹽水溫度為-25 ℃時,土體相變過程中釋放的潛熱在數(shù)值上等同于凍結管內冷凍液傳來的冷量,故溫度變化速率較小且呈緩慢下降的趨勢。鹽水溫度為-30 ℃時,土體相變過程中釋放的潛熱略小于凍結管內冷凍液傳來的冷量,故溫度變化速率仍呈下降趨勢。鹽水溫度為-35 ℃時,土體相變過程中釋放的潛熱小于凍結管內冷凍液傳來的冷量,故溫度變化速率在一定時間段內持續(xù)減小后增長速率變快。

綜上可知,土體在凍結時釋放的潛熱是影響凍結效果的重要因素,而不同的土層具有不同大小的相變潛熱,故選擇合適的鹽水溫度是保證凍結帷幕能在積極凍結期達到設計厚度的重要因素。

不同鹽水溫度下凍結壁厚度達到設計厚度所需時間如圖8所示。由圖8可知:在不同鹽水溫度下,形成相同厚度凍結帷幕所需的時間相差較大;鹽水溫度在-30 ℃至-25 ℃區(qū)間時,對凍結帷幕厚度達到不同設計要求所需時間的影響較大;而在-35 ℃至-30 ℃區(qū)間時影響較小;鹽水溫度低于-35 ℃時影響可忽略不計。

圖8 不同鹽水溫度下凍結壁厚度達到設計厚度所需時間

4 結論

1) 黏土層的凍結壁平均發(fā)展速度為53.535 mm/d,粉質黏土層的凍結壁平均發(fā)展速度為52.450 mm/d,由此說明黏土層的凍結效果比粉質黏土的凍結效果好。

2) 凍結溫度變化速率可細分為3個階段:溫度快速下降階段、溫度下降速度先緩后陡階段、溫度下降速度緩慢階段。相變潛熱是影響溫度下降的重要原因之一,在積極凍結期前注入適量水泥漿,可改善土層的相變潛熱,從而提高凍結效率。

3) 積極凍結37 d后,凍結帷幕內平均溫度低于-10 ℃,凍結43 d時凍結壁厚度超過2 m。但在x=12 m截面的降溫效果比其他截面相對較弱,建議以凍結管端頭截面處左右側凍結壁厚度和平均溫度作為凍結效果的檢驗指標。

4) 鹽水溫度在-30 ℃至-25 ℃區(qū)間時對凍結帷幕厚度達到不同設計要求所需的時間影響較大,而在-35 ℃至-30 ℃區(qū)間時影響較小,鹽水溫度低于-35 ℃時影響可忽略不計。建議人工凍結法施工鹽水溫度選擇-35 ℃至-25 ℃區(qū)間,其中鹽水溫度在-30 ℃左右時最為經(jīng)濟;-35 ℃左右最節(jié)省工期。