盾构进出洞处地基水平杯型冻结加固的温度场研究

曾 华

(上海轨道交通十号线发展有限公司,200231,上海∥高级工程师)



盾构进出洞处地基水平杯型冻结加固的温度场研究

曾 华

(上海轨道交通十号线发展有限公司,200231,上海∥高级工程师)

上海城市轨道交通某线在冻结法加固盾构进出洞工程在穿越一中间风井时采用水平杯型冻结技术。通过冻结温度场分析,验证了该风井处进出洞冻结工程设计中杯身冻结器比杯底冻结器长1.1 m的合理性,同时验证了水平杯型冻结壁设计在盾构机进出洞冻结工程设计中的科学性,为同类工程设计和施工提供借鉴。

地铁盾构； 进出洞工程； 水平杯型冻结; 温度场; 冻结壁

Author′s address Shanghai Rail Transit L 10 Developing Co.,Ltd.,200231,Shanghai,China

随着城市轨道交通地下线的快速建设,冻结法施工技术成为解决复杂地层中构筑地下结构的常用加固方式之一[1-2]。冻结法施工是通过人工制冷的方法使土中的水冻结并将离散的固体颗粒胶结成整体,从而大幅提高地层强度,形成冻结壁以抵抗水土压力,进而保障地下结构工程施工安全可靠[3]。

在地铁盾构工程建设中,盾构隧道端头是盾构法施工事故多发地带,其土体加固是盾构机安全始发与接收的重要保障。因此,盾构始发与接收已成为盾构法施工中风险最大的环节。其端头土体加固的质量好坏直接关系到盾构机能否安全始发、接收。

水平杯型冻结技术在盾构进出洞端头加固中具有良好的止水性能和施工方便、环保、适应性强等特点,已成为其他地层加固方法难以解决问题时的主要解决方案[4]。但由于盾构进出洞水平冻结工程多采用无缝钢管作为冻结管,故在盾构推进过程中,为避免冻结管损伤盾构机刀盘,盾构推进范围内的冻结器需提前关闭并瞬时“解冻”拔出,拔出后的冻结壁亦要保证足够的强度和厚度,以满足工程安全施工需要。因此,有必要研究冻结器提前关闭并瞬时“解冻”拔出后的温度场发展特点。

1 工程概述

上海轨道交通某线采用盾构法施工,其上、下行线隧道盾构推进将穿越一中间风井。在风井西端头井设置接收进洞,在风井东端头井设置始发出洞。风井4个洞门分布如图1所示。洞门圈直径φ7.1 m,端头井地面标高约为3.64 m。西端头井上、下行线中间风井与区间分界里程分别为SK33+370.166、XK33+377.100,中心标高分别为-20.723 m、-20.683 m；东端头井上、下行线中间风井与区间分界里程分别为 SK33+395.166、XK33+402.102,中心标高分别为-20.849 m、-20.805 m。

图1 风井洞门平面图

盾构进(出)洞处采用水泥系和冻结法复合加固工法,并使用钢套筒进行接收。冻结加固为水泥系加固的辅助措施。地勘资料显示，盾构接收端头井主要穿过⑤1灰色黏土层。

洞门冻结设杯身冻结孔35个,孔深4.7 m(以风井地下连续墙内缘处为准),设杯底冻结孔25个,孔深3.6 m(以风井地下连续墙内缘为准)。端头井每个洞门积极冻结40 d,积极冻结的盐水温度为-30 ℃；冻结壁厚2.4 m,平均温度为-10 ℃。冻结孔采用φ89×8的无缝钢管,其布置如图2所示。

图2 风井洞门处冻结孔布置图

图3 冻结温度场计算模型

2 冻结温度场的数值模型

冻结温度场是温度随空间和时间的变化过程,是一个有相变、有移动边界、边界条件复杂的不稳定瞬态的导热问题[5-6]。冻结温度场的研究方法主要有解析计算、物理模拟和数值分析模拟计算等。解析计算方法复杂,且假设条件较多,其计算结果与实际工程偏差较大，仅能定性地解决一些问题,无法从定量上指导施工。基于相似理论的物理试验模拟方法，其工程量大,且具有较长试验周期,有一定的试验误差。随着计算机技术的日新月异,运用计算软件解决工程问题得到广泛推广,且ANSYS、FLAC等数值解析软件非常强大[7],故数值分析模拟计算方法已广泛应用到工程中指导实际施工生产。

图4 积极冻结40 d的温度场云图

该风井进出洞冻结工程可运用有限元模拟软件ANSYS建立模型,并依据工程实际实施参数进行计算。首先积极冻结40 d,当冻结壁厚度和强度达到设计要求时,“杯底”冻结器循环50 ℃盐水30 min后拔出并停冻,研究停冻后“杯体”温度场的发展特点。

建立数值模型基于以下假设:①地层为各向同性;②冻结管周边温度均匀分布,冻结管边界温度比冻结管中的盐水温度高2℃,且冻结管外边界为冻结冷源的主要荷载施加位置;③温度场计算不考虑地下水渗流作用的影响。

以该风井进出洞为原型,采用APDL语言建立参数化三维温度场有限元模型,并取1/4圆周模型进行计算(如图3)。计算模型直径为20 m,长10 m,单元类型为8节点的SOLID70。模型边界条件为:模型起始温度10℃,模型外圈边界温度10℃,模型其余边界均为绝热,冻结器加载温度-28 ℃。在此条件下积极冻结40 d,则温度场云图见图4,“杯底”冻结器瞬时“解冻”拔出并停冻(解冻后的温度场云图见图5),以此分析“杯底”的温度变化。瞬时解冻即在冻结器加载30 min 50 ℃温度荷载。土体热物理参数见表1,混凝土热物理参数见表2。从积极冻结30 d测温点数值模拟与工程实测对比曲线(如图6)可见,数值模拟测温点的温度变化曲线与实测较为吻合,采用模拟的参数得出的计算结果与工程实测接近,可指导施工。水平冻结杯型冻结壁结构示意图见图7。

3 结果分析

“杯底”冻结器停冻5 d后的冻结温度场云图如图8所示。可以看出，“杯底”冻结器停冻后,在“杯身”冻结器继续开启的作用下,能完全隔绝隧道圆周范围内地温对已经冻实且停冻“杯底”冻结壁的影响,且有效保护地温在“杯口”纵向方向对“杯底”冻结壁的影响范围,从冻结温度场变化上验证了水平杯型冻结壁设计在盾构机进出洞冻结工程设计中的科学性。停冻后的“杯底”温度场呈中间薄、边缘厚的形态,即在同一纵切面内,靠近“杯身”冻结器的土层温度低,越远温度越高,在隧道中心点温度最高。

表1 地层的热物理参数[8]

表2 混凝土的热物理参数

图5 杯底冻结器瞬时循环50℃温水后的温度场云图

图6 积极冻结30 d测温点数值模拟与工程实测对比曲线

图7 水平冻结杯型冻结壁结构示意

从停冻5 d“杯底”上表面温度场变化云图(如图9)来看,“杯底”冻结器循环50 ℃盐水30 min形成的升温区范围非常有限,大约冻结管壁外15 mm范围形成瞬间温升区,经过2 d发展冻结壁已完全将温升区热量消耗,见图9 c)。在杯底范围内,受地温在“杯口”纵向方向对“杯底”冻结壁的影响,“杯底”上表面应为冻结壁厚度的温度最高区域,但从图9 f)来看,停冻5 d时,“杯底”上表面温度依然低于-10 ℃,满足平均温度设计要求。

图8 “杯底”冻结器停冻5 d冻结云图

图9 停冻后5 d内“杯底”上表面温度场变化云图

隧道中心线处一定长度范围内停冻后的温度变化曲线如图10所示。从图中曲线变化上可以看出,停冻后前2 d温度场的变化较为剧烈,而后受“杯身”冻结器的影响,变化较为缓慢。在风井地下连续墙侧做了较好的保温处理后,杯底冻结壁即使停冻10 d也依然满足平均温度低于-10℃的设计要求。这印证了该隧道风井进出洞冻结工程中杯身冻结器比杯底冻结器长1.1 m的合理性。

图10 隧道中心线处一定长度范围内停冻后温度变化

4 结论

(1) 通过分析“杯底”冻结器停冻后的冻结温度场变化,验证了水平杯型冻结壁在盾构机进出洞冻结工程设计的科学性。

(2) 在实际施工中,为方便拔出冻结壁中的冻结管,在“杯底”冻结器中循环50 ℃盐水30 min,冻结管壁外15 mm范围形成瞬间温升区,温升区对冻结壁温度场影响时间短,影响时间约2 d。

(3) 在地下连续墙面保温处理后,杯底冻结壁经停冻10 d依然满足平均温度低于-10 ℃的设计要求。这印证了该风井进出洞冻结工程中杯身冻结器比杯底冻结器长1.1 m的合理性。

[1] 王杰.盾构进出洞水泥土加固后水平冻结温度场研究[D].南京：南京林业大学,2012.

[2] 张婷.盾构进出洞水平冻结温度场及地表冻胀变形研究[D].南京：南京林业大学,2013.

[3] 武亚军,潘涛,唐军武.人工冻结技术在城市地下工程中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2006(6):60.

[4] 樊文虎,杨平,姚梦威.盾构始发端头水平冻结加固方案设计研究[J].铁道建筑,2015(8):39.

[5] 王晖,李大勇,李健,等.地铁联络通道冻结法施工三维数值模拟分析[J].地下空间与工程学报,2011(S2):1589.

[6] 张涛,齐善忠.局部保温条件下单管冻结温度场的研究[J].山西建筑,2006，32(7):137.

[7] 张国智,胡仁喜..ANSYS10.0热力学有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社,2007.

[8] 中国矿业大学,同济大学.上海地区人工冻土物理力学性能试验及应用技术研究报告[R].上海：同济大学,2010.

[9] 敖松,韩圣铭.浅覆土.冻结法加固的冻胀控制技术应用[J].城市轨道交通研究，2014(4)：107.

长沙中低速磁浮快线开通试运营

5月6日，中国首条具有完全自主知识产权的中低速磁悬浮商业运营示范线——长沙磁浮快线开通试运营。长沙磁浮快线全长18.55 km，起于京广、沪昆高铁交汇的长沙火车南站，止于黄花机场，全线设3座车站。试运营初期配置5列车体，运营时段为上午9时至下午6时，试行票价全程为每人20元人民币。 长沙磁浮快线试运营，让中国成为世界上少数几个掌握中低速磁悬浮列车技术的国家之一。中低速磁浮列车具有安全、噪声小、转弯半径小、爬坡能力强等特点，多项成果达到国际领先水平。

“磁浮列车是我们奋斗多年的一个愿望、目标，今天快要实现了。”中国工程院院士、铁道电气化自动化专家钱清泉说，他很感激有这样的湖南精神，值得学习。中国工程院院士刘友梅表示，磁浮列车将会给中国带来一个范例，会成为未来城市公共交通中一种新型交通方式，并将大步走向世界。国防科技大学教授常文森则认为，现在的技术已经成熟，中国大规模发展磁浮列车的时代已经到来。德国磁浮专家Wolfgang Otto说，长沙磁浮列车运行稳定，乘客愉快地享受舒适的乘坐体验，列车准时准点，对中国、亚洲和全球市场都形成一个良好的信号。

(摘自2016年5月6日中新网，记者 付敬懿报道)

On Frozen Temperature Field of Horizontal Cup-type Freezing Technology in Shield Entry Engineering

ZENG Hua

A certain line project of Shanghai rail transit adopts the horizontal cup-type freezing technology to reinforce tunnel portals in an entry engineering. Through analyzing the frozen temperature field, it is confirmed that the cup-body freezers are 1.1 meter longer than the cup-bottom freezers, and the horizontal cup-type freezing design is verified to be scientific. This research could be used as a reference for similar engineering design and construction.

metro shield; shield entry engineering; horizontal cup-type freezing technology; temperature field; freezing wall

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.06.023

2016-02-24)