摘要
人工地层冻结法作为一种常用的土层加固方法,被广泛应用于煤矿、地铁等地下结构工程中。成都地区的砂卵石地层含水量丰富,渗透系数大,实施冻结法难度更大。以成都地铁10号线某隧道区间为工程依托,研究采用人工冻结法在砂卵石地层中修建联络横通道的问题。对冻结工程进行现场监测,根据冻结管实际布置形式建立考虑冰水相变的非线性三维弹塑性热—力耦合数值模型,通过现场监测和数值模拟两种手段对积极冻结期温度场和位移场的发展及分布规律进行研究。结果表明:数值模拟结果与现场监测数据吻合较好,建立的数值模型比较可靠;冻结壁交圈时间是冻胀变形快速增长的临界时间点,交圈时间约为25 d;冻结43.7 d时冻结壁厚度达到2 m,在37.8 d时冻结壁内平均温度达到-10 ℃,满足后续开挖施工要求。
在建设城市地铁盾构隧道时,需要修建大量联络横通道以满足安全、逃生和通风等要求。在软弱含水地层中进行联络横通道施工时,需要对周边土体进行加
学者们对人工冻结工程的温度场和位移场进行了一系列的研究。Yan
成都地铁10号线双流西站—空港二站区间下穿双流机场,1号联络横通道位于停机坪下,对冻结加固工程位移控制要求严格。同时,联络横通道所处地层为砂卵石地层,含水量高,渗透系数大,受冻胀融沉影响大。笔者基于该冻结加固工程,按照冻结管实际布置方式建立三维热力耦合数值模型,揭示冻结过程中温度场和位移场的变化规律,对冻结壁的不均匀分布和冻胀作用进行分析。
人工冻结法施工时,土体中的温度场呈非稳态变化,并且土体中的水在冻结过程中会发生相变。根据导热学理论和永久冻土理论,考虑土体冻结相变过程的非稳态导热微分方程
(1) |
式中:T为土体温度,°C;为土体的导热系数,W/(m·°C);qv为单位体积的材料在相变过程中放出或吸收的热量,W/
非稳态导热微分方程的初始条件为
T|t=0=T0 | (2) |
式中:T0为土体初始温度,°C。距隧道周边冻结土体无限远处的边界条件为
T|x=∞ or y=∞ or z=∞=T0 | (3) |
在冻结管处的边界条件为
(4) |
式中:np为冻结管外表面外法线方向矢量;q为冻结管表面的热流密度,W/
(5) |
式中:na为地表外法线方向矢量;a为大气与土体的对流换热系数,W/(
在人工冻结过程中,温度场的变化会引起土体应力和位移状态的改变,并且土体弹性模量、泊松比、内摩擦角、热膨胀系数和黏聚力等力学参数会随温度发生变化,因此,对该过程进行研究需考虑温度场和应力场的耦合作
(6) |
式中:指与作用力相关的应变增量;表示温度变化热膨胀产生的应变增量。其中
(7) |
(8) |
式中:D为弹性矩阵;α为土体热膨胀系数向量,对于各向同性材料,α=[α(T) α(T) α(T) 0 0 0
(9) |
式中:
塑性区内应力—应变增量关系为
ep(d | (10) |
(11) |
式中:Dep为常温情况下的弹塑性矩阵;Dp为塑性矩阵。温度变化引起的应变增量和应力增量分别以初应变和初应力的形式出现在应力—应变增量关系式中。
成都地铁10号线双流西站—空港二站区间全长8 232.584 m,隧道顶部埋深在8.1~41.8 m之间,穿越地层主要以砂卵石、强(中)风化泥岩为主。盾构隧道内径为5.4 m,管片厚度为0.3 m。拟建联络通道区间里程为左线ZDK13+840.914、右线YDK13+830.000,联络横通道处两隧道中心距离13 m。联络横通道为直墙圆拱形结构,埋深为21.3 m,所处地层自地表以下分别为:人工填土,厚度为1.5 m;粉质黏土,厚度为8.2 m;密实卵石土,厚度为7.8 m。冻结加固区位于卵石土地层中,其含水量丰富,渗透系数大。
根据工程特点,联络通道施工拟采用“隧道内水平冻结加固土体,隧道内暗挖构筑”的全隧道内施工方案,即在隧道内采用冻结法加固地层,使联络通道外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土壁,然后在冻土壁中采用矿山法进行通道的开挖构筑施工。该联络通道共设计冻结孔61个(含4个透孔),左线冻结孔42个,右线冻结孔19个。冻结孔及测温孔尺寸及布置方式见
使用ABAQUS软件进行热—力耦合有限元数值模拟,建立模型时采用以下假定:地层为各向同性弹塑性体;冻结管周边温度均匀分布,由于冻结管长度相对较短,热传导仅主要发生在垂直于冻结管的方向,因此,不考虑沿冻结管方向的能量损失;研究范围内各土层初始温度均匀一致,不受深度变化的影响;土体模型外边界为绝热边界。模型整体尺寸为30 m×40 m×20 m。土体、隧道衬砌、冻结管均选择C3D8RT单元,即温度—位移耦合的单元。冻结管和土体之间采用tie连接。模型共划分为六面体单元88 400个,各部件网格图如
根据相关地质资料、现场勘察和室内试验结

图1 联络横通道冻结管布置图
Fig. 1 Layout of freezing pipes in cross passage
位移边界条件:约束土体左右两个侧面X方向位移、土体前后面Z方向位移以及土体底部Y方向的位移。温度边界条件:冻结管和土体的初始温度与现场实测平均温度相同,取20 ℃。土体前后、左右和底部温度边界为20 ℃。土体上表面和管片内侧为对流换热边界条件,大气与隧道内空气温度取为20 ℃,土体表面及盾构隧道管片的热对流换热系数分别为8.5、2.1 W/(

图2 有限元模型
Fig. 2 Finite element model

图3 温度—热膨胀系数曲线
Fig. 3 Temperature-thermal expansion coefficient curve
现场测温孔实测温度受施工精度和内外界环境影响较大,而数值模拟结果能从各个方面直观展示冻结过程。为验证数值模拟结果的合理性和可靠性,对现场测温孔C1、C3、C4、C8(见
由

图4 冻结盐水温度曲线
Fig. 4 Temperature curve of freezing brine

图5 测温孔实测温度与数值模拟温度对比
Fig. 5 Comparison of measured and numerical temperature of measuring holes
在联络横通道范围内取X=-3、0、3 m的3个监测面和联络横通道纵断面Z=0 m共4个监测面对0~45 d积极冻结期冻结壁的发展过程进行分析,监测面位置如

图6 监测面位置示意图
Fig. 6 Schematic diagram of monitoring surface position
由
为了进一步分析冻结过程中冻结壁厚度和平均温度的变化情况,绘制如

图7 监测面1冻结壁温度场(单位:℃)
Fig. 7 Temperature field of freezing wall on monitoring surface 1 (Unit: ℃)

图8 监测面2冻结壁温度场(单位:℃)
Fig. 8 Temperature field of freezing wall on monitoring surface 2 (Unit:℃)

图9 监测面3冻结壁温度场(单位:℃)
Fig. 9 Temperature field of freezing wall on monitoring surface 3 (Unit:℃)

图10 联络横通道纵断面冻结壁温度场(单位:℃)
Fig.10 Temperature field of freezing wall on longitudinal section of cross passage (Unit: ℃)

图11 冻结壁发展图
Fig. 11 Development diagram of freezing wall
由


图12 监测面1上各路径随冻结天数的温度分布(单位:℃)
Fig. 12 Temperature distribution of paths on monitoring surface 1 with freezing days (Unit: ℃)
图15为45 d积极冻结期结束时中间截面的竖向位移图和过隧道中轴线截面的沿隧道Z方向(中轴线方向)的水平位移图,提取上述两个截面在路径1、2上随冻结天数的竖向位移分布和水平位移分布,绘制如


图13 冻结壁厚度与平均温度随冻结时间变化曲线(单位:m)
Fig. 13 Change curves of freezing wall thickness and mean temperature with time (Unit: m)

图14 地层竖向位移(Z=0 m平面)(单位:m)
Fig. 14 Vertical displacement of strata
(Z = 0 m plane)(Unit: m)

图16 各路径随冻结天数的位移分布(单位:mm)
Fig. 16 Displacement distribution of paths with freezing days (Unit: mm)
图15 45 d地层位移云图(单位:m)
Fig. 15 Displacement cloud map of strata in 45 days(Unit: m)

图17 隧道拱顶竖向位移分布(单位:mm)
Fig. 17 Vertical displacement distribution of tunnel vaults (Unit: mm)
隧道拱顶竖向位移和净空收敛分布见
45 d地表竖向位移云图如

图18 隧道净空收敛分布(单位:mm)
Fig. 18 Convergent distribution of tunnel clearance (Unit: mm)

图20 45 d地表竖向位移云图(单位:m)
Fig. 20 Vertical displacement cloud map on the surface in 45 days (Unit: m)

图19 左右线位移最大值及差值随冻结时间变化曲线(单位:mm)
Fig. 19 Curves of maximum and difference variation of displacement between left and right tunnel with time (Unit: mm)

图21 观测点竖向位移随冻结时间变化曲线(单位:mm)
Fig.21 Vertical displacement change curve of observation points with freezing time (Unit: mm)

图22 路径3随冻结天数的竖向位移分布(单位:mm)
Fig. 22 Vertical displacement distribution of path 3 with freezing days (Unit: mm)
以成都地铁10号线某隧道区间联络横通道人工冻结工程为依托,采用现场监测和数值模拟的方式对积极冻结期温度场和位移场的发展及分布规律进行研究,得到以下结论:
1)测温孔的现场监测温度与数值模拟结果吻合较好,同时期两者的温差在±3 ℃以内。在冻结前期(0~5 d),实测温度和模拟温度均快速下降;在冻结中期(5~35 d),实测温度的下降速度减缓并稳定在一定范围内,模拟温度在降至约0 ℃后短暂地稳定在相变区间内,但由于现场冻结效果受周围环境因素影响较大,在降至0 ℃后,实测温度无明显稳定阶段;在冻结后期(35~45 d),测温孔温度下降速度减缓。
2)冻结壁交圈约为25 d,冻结43.7 d时冻结壁厚度达到2 m,在37.8 d时冻结壁内平均温度达到-10 ℃。冻结管布置方案及相关冻结参数均满足施工要求,建议以联络横通道中间位置处下壁厚度和联络横通道右侧冻结壁的平均温度作为冻结效果的检验指标。
3)冻结壁交圈时间是冻胀变形快速增长的临界时间点,在冻结壁交圈之前,隧道拱顶竖向位移和净空收敛缓慢增加,交圈之后增长加快,可近似为线性增长。隧道拱顶竖向位移呈单峰分布,在联络横通道中轴线处最大,向两边逐渐减小。隧道净空收敛呈双峰分布,在冻结管位置处最大。冻胀作用引起的地表隆起主要集中在联络通道冻结区正上方,在15 d之前隆起值缓慢增加,15 d之后可视为均匀增加。
4)采用考虑冰水相变的非线性三维弹塑性热—力耦合数值模型分析联络横通道人工冻结工程中的冻结壁发展和冻胀作用的影响,工程概念和计算过程清晰,结果直观、可视化程度高。另外,计算中未考虑冻土的各向异性变形特征对位移场的影响及环境温度变化等因素的影响,需对这些影响进一步研究。
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