下穿车站交叠区域MJS+水平冻结加固解冻温度场研究

赵宇辉，杨平*，王宁，张玉武

(1. 南京林业大学土木工程学院，南京 210037； 2. 南京地铁建设有限公司，南京 210017)

随着我国城市地下工程建设快速发展，人工冻结技术已被成功应用于地铁盾构端头、联络通道加固以及盾尾刷更换等工程。近几年冻结法更是得到了广泛认可，但冻结土体易受到后期解冻时冻融作用影响，其内部结构与力学性能会发生相应改变，进而导致既有构筑物产生不同程度的沉降与变形，这直接影响到工程的质量、工期及安全营运。为此，国内学者对冻结土体解冻规律进行了一系列研究[1-7]。

在自然解冻研究方面，杨平等[8]分析软弱地层联络通道冻结壁自然解冻全过程，认为其中部分土体温度解冻15 d时达到0 ℃附近，相继进入相变阶段，相变期持续时间随入土深度增大而加长；郑盛等[9]根据冬、夏季原状土与水泥土各自自然解冻规律，得到冻土在不同环境温度条件下完全解冻时间和解冻速率；李宁[10]对井筒冻结帷幕自然解冻过程进行模拟计算，得出冻土融化时内侧冻结壁完全解冻约需170 d，解冻速率约1.4 cm/d，外侧冻结壁完全解冻约需280 d，冻土溶解速率为1.1 cm/d。在强制解冻研究方面，郑铁骑[11]对白垩系地层泥岩进行强制解冻无量纲正交回归试验，得到在单圈冻结条件下的冻结壁解冻时间与解冻范围公式；赵飞等[12]研究了在混凝土水化热与内表面热对流双重作用下，上海长江隧道1号联络通道解冻的规律；商厚胜[13]基于相似理论物理模拟试验，得到浅覆土条件下强制解冻温度场发展变化规律；胡向东等[14]采用现场原型试验研究了拱北隧道管幕冻结法强制解冻规律。

前人对盾构端头及联通道冻结加固解冻规律已取得了一定成果，但针对MJS与冻结法联合加固，特别是下穿车站交叠区冻结加固解冻规律尚不清楚。南京地铁7号线下穿既有10号线中胜站拟采用MJS+人工冻结法加固，其后期融沉控制是关键，本研究通过数值模拟对该工程不同气候环境条件下冻结加固解冻过程进行研究，把握其解冻规律，以便优化后续跟踪注浆孔位布置、注浆时间与顺序，可为今后类似工程设计与施工提供参考。

1 工程概况

施工场地位于南京河西漫滩地区，地质条件差，地层以②-3d3+c3(稍密透水粉砂夹粉土)和②-4d2(中密透水粉细砂)为主；下穿段为全断面含水层，地下水主要为潜水及承压水，承压水头埋深在地面以下2.60～3.20 m。7号线与10号线中胜站交叠区结构净距仅0.6 m，需进行零覆土、密贴式下穿，工程施工风险极高。

基于本工程水文地质条件及支护结构形式等，拟采用MJS+人工冻结法联合加固止水。MJS加固范围位于地下-21～-11 m，下穿隧道左右两线底部及两侧设计厚度2 m，两线中间设计厚度4 m；水平冻结施工在MJS加固后进行，其冻结范围在MJS加固区范围内，冻结孔共布设64个，中心间距800 mm，冻结管采用Φ89 mm×10 mm的20#无缝钢管，纵向长度22 m，最终形成稳定的“山”字形横向加固体。冻结管具体布置形式见图1。

图1 下穿隧道冻结管平面布置图

2 数值模拟方法

2.1 基本假定

1)模型计算范围内各土层水平分布、土质均匀，加固区域内水泥土加固均匀；

2)土层和水泥土各热物理参数分层稳定，忽略地下水渗流、水分迁移影响；

3)土体为各向同性的热传导材料参数为常量，冻结水泥土体热物理参数均与-10 ℃冻结水泥土一致；

4)解冻周期内模型对流面温度荷载根据季节不同设为常量，忽略隧道开挖对初始温度场的影响；

5)忽略钢筋混凝土结构层中钢筋的热传导作用影响。

2.2 几何模型

模型以左边界和下边界交点为坐标原点，上边界取至地表。根据冻结壁融化影响区域为3～5倍冻结区域[15]，几何模型拟定长度(X轴)×宽度(Y轴)×垂直距离(Z轴)=22 m×58 m×38 m。模型中左右隧道中心间距13 m，土体在Z轴方向按实际工程经过简化后分为2个地层和1个结构层，从地表往下第1层为人工填土层，厚4.2 m，第2层为既有车站钢筋混凝土结构层，厚7.8 m，第3层为粉砂土层，厚26 m，其中第2、3层为承压含水层。几何模型见图2a。

在解冻几何模型图2a C-C剖面处(X=11 m)设置3条温度分析路径，如图2b所示。路径P1设在左线隧道洞门左侧水泥土加固区域，从上往下第2和第3根冻结管中间位置水平轴线上。从水泥土加固区与混凝土衬砌界面起共5个分析点，相邻点间隔1 m，由左至右依次为P1-1～P1-5；路径P2设在左线隧道开挖洞门中间底部共5个分析点，最高点位于水泥土加固区域与混凝土衬砌交界处，相邻分析点间隔1 m，从上至下依次为P2-1～P2-5；路径P3设在两洞门中间水泥土加固区，从上至下第5与第6根冻结管中间共5个分析点，相邻点间隔0.5 m，从左到右依次为P3-1～P3-5。

图2 下穿车站解冻几何模型与温度分析路径

2.3 计算参数及边界条件处理

分别对南京地区近5年夏季与冬季温度数据进行拟合，如图3所示。所得拟合曲线相关系数均在0.90以上，可靠性较高，故依此设置解冻温度场外部环境气温荷载。与空气相接触的对流面温度荷载取值见表1。

图3 南京夏季与冬季环境气温变化曲线

表1 夏季与冬季解冻模型对流面温度荷载

不同土层各热物理参数由实验室直接测得，其余参数依据文献[16]给出，结果见表2。

表2 车站所在地层参数表

由于解冻开始时下穿段隧道已施工完毕，模型中与空气接触的界面主要采用热对流及热辐射的方式进行热传递；与土体接触的边界采用热传导方式进行热传递。对不与空气接触远离冻结壁的边界设为绝热边界；对与空气接触的边界，在边界上施加热对流和热辐射荷载，沿下穿隧道方向的两端均为对流边界(图2a)。同时根据现场实际设置夏季原始地温18 ℃，隧道内平均温度为20 ℃；冬季原始地温为13 ℃，隧道平均温度为5 ℃。

提取夏季与冬季冻结40 d时冻结温度场各个节点温度数据，初始解冻温度场各节点温度为冻结40 d时对应各节点温度。在解冻温度场数值计算时导入解冻模型，作为初始解冻温度场(图4)。

图4 解冻初始温度场分布云图

2.4 有限元单元划分

解冻温度场数值模型采用4节点四面体单元，热对流、热辐射边界数值模型采用4节点四边形单元。模型在单元网格划分时对冻结加固区域冻结管周围土体进行局部网格细化处理，其他区域适当加粗。

3 自然解冻温度场规律分析

3.1 X=11 m剖面处自然解冻过程分析

在解冻几何模型图2a C-C剖面处(X=11 m)选取3条不同温度路径，路径1～3各点解冻规律如图5所示。

图5 不同路径各分析点自然解冻温度变化曲线

由分析点P1-4～P1-5、P2-2～P2-3、P3-3～P3-5可知，解冻初始温度越低解冻初期温度回升越快，可大致分为3个阶段：1)迅速升温阶段，土体内部不同位置处温度差异较大，解冻时受土体间的热传导及与空气接触面热对流热辐射作用影响，冻结土体温度快速回升。2)相变阶段，初始温度在0 ℃以下的土体，升温接近0 ℃时，温度变化明显减缓，土体进入相变期，由于土中冰融化成水吸收热量温度不变，从而导致土体温度保持在0 ℃附近。距冻结管越远，解冻初始温度越高，冻土体进入相变期越早，相变阶段持续时间越短。3)相变后稳定升温阶段，冻结土体完全融化，土体温度回升至0 ℃以上后温度持续稳步上升，且越靠近开挖隧道洞门的土体，相变结束后温度升高越快，而后逐渐趋于稳定。此外，其余各点在自然解冻时温度先稍微下降之后缓慢回升，这是因为存在冻结惯性，土体受到靠近冻结管一侧温度更低处土体影响，而另一侧混凝土衬砌表面空气热对流尚未发展至此处，因此在解冻阶段开始时温度并没有回升，反而先略微降低。

3.2 Y=29 m及Z=17.2 m处自然解冻过程分析

在解冻几何模型图2a A-A剖面处(Y=29 m)解冻速率两侧端头>中部土体，上部土体>下部土体，如图6所示。这是因为冻结管上部为既有车站钢筋混凝土层存在热对流，而下方土体只能通过热传导和两隧道内热对流共同作用对其进行解冻，冻结壁厚度大解冻所需能量大，所以解冻缓慢。

图6 Y=29 m剖面0 ℃等温线发展变化曲线

在解冻几何模型图2a B-B剖面处(Z=17.2 m)同样因热对流、热传导共同作用，冻土从四周和下穿隧道底部逐渐开始解冻，解冻60 d后主要剩两侧和中间加固区底部冻土，两侧土体因为厚度较薄先于中间土体解冻，如图7所示。水泥土加固区土体最终解冻完全时间主要取决于隧道中部水泥土加固区底部土体，因为该处是全断面冻结解冻速率最慢的部位。

图7 Z=17.2 m剖面0 ℃等温线发展变化曲线

4 冬夏季自然解冻温度场对比

根据数值模拟计算结果，沿图2a C-C剖面取Z=22.5 m处加固区内及附近土体进行分析，取分析点绘制冬夏季不同解冻时间的解冻温度断面曲线(图8)。

注：界面1为冻土与衬砌边界；界面2为水泥土和粉砂层交界。

由图8可知，冬夏季冻结结束时，越靠近冻结管区域土体温度越低、温差越小，冻结管附近温度基本相近；冬季土体平均升温速率比夏季慢，处于相变期的时间较夏季长。

1)两侧冻结加固区温度变化。

①解冻初期，冻结区域与外界环境温差较大，混凝土衬砌界面上的热对流起主要作用，故冻结管靠近洞门一侧的土体比靠近粉砂层一侧的升温快。

②解冻后期，当土体温度升至0 ℃以上时，冬夏季冻结区土体升温有明显区别。冬季由于隧道内环境温度低，当土体温度升至0 ℃以上后，热传导成为土体升温的主要作用，隧道外部环境反而逐渐成为抑制土体升温因素，解冻230 d土体温度由洞门向粉砂层方向呈阶梯上升趋势；夏季环境温度高，混凝土衬砌的热对流仍起主要作用，解冻180 d土体温度由洞门向粉砂层方向呈阶梯下降趋势，到粉砂层时温度趋于平缓。

2)中间冻结加固区，冬夏季解冻规律一致，形成以冻结管处温度最低两侧温度相应升高的温度分布曲线。解冻前期温度梯度较大，解冻后期靠近混凝土衬砌的土体温度逐渐稳定，温度梯度逐渐变小，冻结管周围土体升温最慢，最终土体温度趋于外界环境温度。冬季因为隧道内环境温度较夏季低，其整体解冻后期温度梯度比夏季小。

5 强制解冻温度场规律分析

在强制解冻过程中循环热水的温度荷载直接施加在冻结管壁上，且忽略热水循环过程中的热量消耗，假设解冻过程中热水温度恒定。对图2a C-C剖面处0 ℃等温线变化情况进行分析，热水温度60 ℃条件下解冻温度部分云图如图9所示。

图9 60 ℃热水环境C-C剖面0 ℃等温线变化图

由图9可知，强制解冻极大缩短了解冻时间，解冻48 h，解冻圆柱逐渐开始交圈。强制解冻开始后冻土中存在3个解冻锋面：一是由于隧道内空气与混凝土衬砌结构直接产生的空气对流换热引起的解冻锋面；二是由于在冻结管中循环60 ℃的热水引起的解冻锋面，其发展与冻结过程的冻土柱锋面类似；三是由于水平“山”字形冻土帷幕周围土体的地温较高，从而不断向冻土区传递热量产生的解冻锋面。

1)加固区两侧及中间顶部水泥土先解冻，因为该部分土体处于3种介质的交界处，上部钢筋混凝土层温度高，比热容小，与水泥土的热传导快，顶部水泥土率先解冻完全；

2)冻结管周围靠近隧道一侧的土体先解冻，因为该部分土体同时受到冻结管形成的解冻圆柱锋面和隧道内空气与混凝土衬砌热对流散热解冻锋面共同作用。但是中间水泥土加固区土体较厚，冻结管与混凝土衬砌间距离为2 m，所以解冻时间较长；

3)两侧和底部冻结管外侧水泥土解冻较冻结管内侧稍慢，这部分土体在冻结管解冻锋面和粉砂层热传递锋面的共同作用下解冻完全；

4)最后是中间水泥土加固区冻结管和底部冻结管交界处附近的土体完全解冻。因此，采用60 ℃循环热水强制解冻需要时间约为18 d。

6 冬夏季强制解冻温度场对比

选取分析点P2-3、P3-2、P3-3、P3-4在夏季70 ℃、80 ℃与冬季70 ℃、80 ℃强制解冻条件下，对计算结果进行对比分析，结果见图10。

图10 冬夏季不同循环水温强制解冻温度变化曲线

对比各分析点不同循环水温下解冻温度曲线可知：

1)刚开始解冻阶段，相同热水温度在夏季与冬季对土体升温作用效果基本相同，土体进入相变阶段所用时间相同，解冻后期相同水温在冬季与夏季对土体的升温作用效果差异取决于土体距离解冻管所在位置。

2)冬季比夏季在相变阶段持续时间长，且随着距离的增大差异性越明显。这是因为离解冻管较近时，土体的解冻主要受解冻管解冻锋面影响，外部环境对土体解冻影响相对较小，土体温度升高后，外部环境对土体升温制约作用才显现出来；当土体距离解冻管越来越远时，外部环境对土体升温作用影响所占比重增大，而冬夏季土体外部环境差异性明显。

冬夏季不同解冻温度下各部位完全解冻时间与完全解冻时间差值见表3。

表3 冬夏季各部位完全解冻时间与时间差值

对比分析各部位完全解冻所需时间与时间差值可知：

1)相同循环热水温度下，冬季与夏季相比，各部位完全解冻所需时间皆有所增加，冬夏季对解冻管解冻锋面的交圈基本无影响，但对各部位完全解冻所用时间影响不同。因为在强制解冻过程中，越靠近解冻管区域，冬夏季相同循环热水温度解冻效果越相近，越远差距越明显。

2)不同热水温度对冬夏季各部位完全解冻所需时间有一定影响，热水温度越高，各部位冬夏季解冻完全所需时间的差值越小。这是因为，热水温度越高，解冻管对周围土体的升温作用越明显，外部环境的升温作用效果相对减弱，冬夏季强制解冻的差异性变小。

7 结 论

1)冻结水泥土进入自然解冻初期，因受到冻结体低温惯性影响，冻结壁会进一步向外侧土体扩展。自然解冻可大致分为3个阶段：迅速升温阶段、相变阶段、相变结束土体温度稳定升高阶段。

2)冻结水泥土自然解冻完成时间主要取决于下穿隧道两线中间加固区底部，该处是全断面解冻速率最慢的部位。

3)加固区内各部位冻结水泥土，自然解冻顺序为：先两侧后中间，先顶部后底部，先端头后中部。强制解冻顺序为：先是隧道两侧和底部冻结管内侧，其次为两侧边及底部冻结管外侧，最后是两线中间加固区底部。

4)相同循环盐水温度下，强制解冻前期，冬、夏季冻结土体进入相变阶段所用时间基本相同；强制解冻后期，冬、夏季冻结土体进入相变阶段所用时间取决于土体与解冻管间的距离。距离越近，土体进入相变期越早，相反则越晚。

5)同一循环盐水温度下，冬季强制解冻完成时间比夏季长约72 h；循环盐水每升高10 ℃，时间差缩小约24 h。