冻结管布置形式对冻结范围的影响研究

张晓涛

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450001）

1 工程概况

洛阳地铁1号线启明南路～塔湾站区间联络通道工程范围内上覆第四系全新统人工填土（Qml/4），第四系全新统冲洪积层（Qal+l/4）黄土状粉质黏土、黄土状粉土，第四系上更新统冲洪积层（Qal+l/3）粉细砂和卵石，联络通道位置所处地层主要为②92卵石、③93卵石层，地层富水性强，透水性好，施工时有较大的涌水涌沙风险。

联络通道采用冻结法加固地层，冻结管采用直径89mm的低碳钢无缝管。冻结管布置立面透视图如图1所示，联络通道两侧的布置侧视图分别如图2所示。

图1 冻结管布置立面透视图

图2 左右线两侧冻结孔布置图

在联络通道上部和下部水平布置多排冻结管，平均间距为0.9m，冻结管倾斜角度为10.8°；左右两侧在同一水平上仅布置一排冻结管，竖向平均间距为0.47m，同时，因为中部的冻结管从联络通道左端贯穿到右端，故右线中部无冻结孔布置。

2 计算模型

2.1 计算参数

根据区间联络通道所处地层地质情况，建模中将其分为五个土层。在计算模型中，土体材料的模拟均采用弹塑性材料，参数参见区间岩土工程详细勘察报告进行分析确定，具体取值见表1。

表1 地层材料参数

2.2 计算工况

在冻结时间及冻结盐水温度相同的情况下，以实际工程施工设计的冻结管布置参数最上面一排冻结管倾斜角度10.8°、水平间距0.9m为基准，通过调整联络通道左右线冻结管的倾斜角度，来探究冻结管角度对冻结范围的影响规律[1-2]。

设计工况如表2所示，冻结管倾斜角度变化在10.8°～30°范围内。

表2 数值模拟计算工况

冻结降温温度变化按照工程实际冻结施工方案进行，盐水降温曲线如图3所示，冻结第1天盐水初始温度为-11.7℃，冻结7天后降至-19.2℃，冻结15天后降至-24.2℃以下。

图3 盐水降温曲线

3 数值模拟结果分析

3.1 温度场云图分析

分别提取各工况下联络通道附近地层在冻结17天、30天、51天以及59天时的温度云图[3]，如图4—图9所示。

图4 工况1冻结温度云图

图5 工况2冻结温度云图

图6 工况3冻结温度云图

图7 工况4冻结温度云图

图9 工况6冻结温度云图

图8 工况5冻结温度云图

由图4—图9可知，在同一工况下，当冻结管的倾斜角度一定时，随着冻结时间的增加，土体和冻结管不断进行热交换，冻结管周围的土层温度在逐渐降低，降温区域面积逐渐增大。温度扩散规律是以冻结管为中心呈圆形扩散。除此之外，与冻结管距离越近的土体温度越低，与冻结管距离越远的土体温度越高[4]。

从图4—图9还可以看出，冻结时间相同，冻结管的倾斜角度越大，联络通道加固区上部分低温区域面积越大，温度越低。17天的温度云图中，冻结管倾斜角度为10.8°时，左侧加固区-20℃以下的温度区域还未完全交圈，但其余几个工况在冻结17天时，-20℃以下的低温区已完全交圈。

3.2 冻结壁厚度分析

提取各工况在冻结17天、30天、51天及59天时联络通道四周平均温度小于-10℃的土体厚度作为冻结壁厚度，冻结壁厚度如表3—表6所示。

表3 冻结17天时各工况冻结壁厚度

表4 冻结30天时各工况冻结壁厚度

表5 冻结51天时各工况冻结壁厚度

表6 冻结59天时各工况冻结壁厚度

为了清晰得到各工况下联络通道四周冻结壁厚度的变化规律，根据表3—表6的数据绘制不同冻结时间各工况下联络通道四周冻结壁厚度变化曲线图，如图10所示。

图10 不同冻结时间各工况下联络通道四周冻结壁厚度变化曲线图

由图10可以看出，冻结管倾斜角度从10.8°增加到30°的过程中，联络通道上侧冻结壁厚度变化较大，17天、30天、51天、59天冻结壁厚度的增幅分别为0.64m、0.50m、0.50m、0.51m，而下侧和左右两侧的冻结壁厚度几乎保持不变。冻结第17天到第38天之间，冻结管温度一直在下降，直到降至38天的-29.2℃，从第38天起到第59天为止，冻结管温度一直维持在-29.2℃，联络通道四周冻结壁厚度的增加速率在降低[5]。

在冻结相同天数下，随着冻结管倾斜角度的增大，联络通道上侧冻结壁厚度增大，该区域的温度也越低；联络通道下侧、左侧和右侧的冻结壁厚度只有很小的波动，几乎保持不变，冻结管角度的变化只对联络通道上侧的冻结范围影响较大，对下侧和左右两侧影响较小。此外，冻结管倾斜角度从10.8°增加到30°的过程中，17天、30天、51天、59天联络通道上侧冻结壁厚度的增值分别为0.64m、0.50m、0.50m、0.51m，冻结管倾斜角度的变化对冻结加固范围的影响较大。

在相同冻结管倾斜角度下，随着冻结时间的增加，冻结壁厚度越来越大。其中，当冻结时间从17d增加到30d时，各工况下联络通道上、下、左、右侧的冻结壁厚度增值分别为0.45～0.59m、0.29～0.42m、1.34～1.40m、1.03～1.09m；而冻结时间从30天增加到51天时，增值明显减小，分别为0.20～0.29m、0.22～0.26m、0.37～0.43m、0.48～0.52m；冻结时间从51天增加到59天时，联络通道四周的冻结壁厚度增值分别为0～0.11m、0.04～0.11m、0.07～0.12m、0.08～0.13m。比较冻结17～30天和冻结30～51天可以发现，后者的时间增量为21d，前者13d，但后者的冻结壁厚度增值仅仅为前者的1/2左右，冻结51～59天的冻结壁厚度增值更是降低到0.10m左右。冻结第17天到第38天之间，冻结管温度一直在下降，直到降至38天的-29.2℃。从第38天起到第59天为止，冻结管温度一直维持在-29.2℃，联络通道四周冻结壁厚度的增加速率在降低。冻结到50天联络通道开挖时，所有工况下联络通道四周的冻结壁厚度均满足冻结设计要求。

4 结论

利用有限元软件模拟计算不同冻结管倾斜角度和间距下的土体冻结范围变化，分析冻结管布置形式对冻结范围的影响，可以得到以下结论：

（1）冻结时间相同时，冻结管的倾斜角度越大，联络通道加固区上部分低温区域面积越大，温度越低，冻结壁越厚；

（2）冻结管倾斜角度的改变，对冻结范围的影响主要体现在冻结前期，在冻结后期，由于盐水温度稳定、冻结时间增长，不同工况下的冻结范围差别逐渐缩小。