盾构隧道端头垂直冻结加固不同冻结管直径的温度场数值分析

胡 俊

(海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228)

盾构隧道端头常用的加固方式有深层搅拌法、高压旋喷法、SMW工法、冻结法、注浆法、素混凝土灌注桩法和降水法等。土体加固可以采用一种或多种工法相结合的加固手段。加固方式可以分为以下两大类:①化学加固方式(高压旋喷法、深层搅拌法、注浆法、素混凝土灌注桩法等);②物理加固方式(冻结法、降水法等)［1-4］。对于软土地区，当受地面环境限制无法进行搅拌桩和旋喷桩施工，或是在化学加固后探孔时发现有严重的漏水漏砂现象时，可采用垂直冻结工法进行加固。垂直冻结工法采用板状冻结加固理论设计，在盾构隧道端头布置一定数量的垂直冻结孔，经冻结后在洞门处形成板状冻土帷幕来抵抗盾构破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内［5-6］。冻结管直径通常在68～168 mm之间，水平冻结管直径一般为89和108 mm，而垂直冻结加固冻结管直径通常为127，146，159和168 mm。本文结合南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程，运用有限元分析软件，在其它影响因素不变的情况下，冻结管直径分别取为127，146，159和168 mm，对该四种冻结管直径所形成的垂直冻土壁进行模拟计算，以研究冻结管直径对垂直冻土壁温度场发展的影响。

1 工程背景

南京地铁10号线过江隧道区间大直径盾构始发井长21 m，宽19.4 m，底板埋深约30.5 m，围护结构采用地下连续墙形式。盾构机主机长14.5 m，开挖直径为12.03 m，东端头盾构隧道中心埋深为21.052 m。根据勘察资料［7］可知东端盾构始发井处于高水压砂性地层，该地层具有渗透系数大、地下水压力高和地层承载能力差等特点。始发端头所处地层自上而下依次为:①-2素填土层，②-1a2-3黏土层，②-2b-4淤泥质粉质黏土层，②-3d3-4粉砂、细砂层，②-5d1粉砂、细砂层。端头隧道顶板位于②-2b-4淤泥质粉质黏土层，底板位于②-3d3-4粉砂、细砂层，主要穿越②-3d3-4粉砂、细砂层。盾构始发时所涉及土层主要物理力学参数见表1。在不良地质和高水压等因素影响下，盾构始发作业有很大风险，应对端头土体进行加固。

鉴于以上情况，本始发工程采用三轴深层搅拌桩+垂直冻结的加固方式，具体为:采用φ1000@750三轴搅拌桩作为盾构井端头主要加固方式，加固范围为盾构隧道两侧5 m，从地面标高加固至拱底6 m，沿盾构掘进方向纵向加固17 m。为提高搅拌桩加固土体与中间风井围护结构的胶结强度，在东端盾构井围护结构外侧沿掘进方向布置2排垂直冻结管。实际采用的加固方式及范围如图1所示。

表1 始发端头相关土层主要物理力学参数

图1 实际采用的加固方式及平面范围(单位:mm)

垂直冻结采用2排冻结孔，插花布置。A排距地连墙0.4 m，B排距A排0.8 m，孔间距为0.8 m。A排布置29个，B排布置28个，总计57个冻结孔。每个冻结孔长度为31.152 m，总钻孔深度为1 796 m。冻结管采用φ127 mm×4.5 mm无缝钢管，供液管选用φ48 mm×3.5 mm无缝钢管。积极冻结期盐水温度为－28℃ ～－30℃，维护冻结期盐水温度为 －25℃ ～－28℃。积极冻结时间取30 d。

2 温度场三维数值模型的建立

2.1 基本假定

计算中基本假定如下:①工程所在位置计算范围内各土层均水平分布;②土层视为均质、热各向同性体;③土层具有均匀初始温度场;④忽略盐水循环的影响，直接将温度荷载施加到冻结管壁的节点上;⑤热物理参数分层稳定，忽略水分迁移的影响。

2.2 计算模型和参数选取

温度场计算模型采用带相变的瞬态导热模型。根据建议采用的冻结孔布置方案，考虑到现场问题的对称性并为了提高计算效率，本模型取一半模拟。以掌子面正上方地表点为坐标原点，取纵向长度(X轴)3 m，横向宽度(Y轴)12 m，垂直距离(Z轴)32 m。本模型选取了四节点网格划分格式，对冻结管周围区域进行局部网格细化处理。计算模型共划分815 788个单元，149 000个节点。

根据从工程现场取土进行冻土试验［8］，三轴深层搅拌桩加固后的土体热物理参数如表2所示。由于该端头进行了三轴深层搅拌桩加固，根据经验受水泥水化热影响后的地层温度将会提高约10℃，一般地层10 m以下恒温带温度为19℃～20℃，故冻结前水泥改良后地层初始温度取30℃，并在整体模型边界面上保持不变。计算区域的外边界看作绝热边界，冻结管表面为热荷载边界，以盐水温度作为边界荷载。根据降温计划，取冻结时间步为40 d，每步时间长为24 h。

表2 水泥加固后土体热物理参数

2.3 数值模拟与现场实测数据对比

为了检验有限元计算模型的模拟效果，将现场实测冻结过程的温度数据与有限元计算数据进行对比，典型温度时间曲线见图2。可见实测温度值和数值计算温度值变化趋势基本一致，数值计算温度曲线相对光滑。数值模拟计算方法及所选模型和参数基本正确，较好地模拟了真实情况，故用该模型来模拟盾构始发时垂直冻结壁温度场的变化过程是可行的。

图2 数值模拟值与实测值对比曲线

图3 冻结管直径127 mm，z=0剖面不同时间的0℃等温线

3 温度场计算结果和分析

基于以上温度场数值模型，在其它影响因素不变的情况下，冻结管直径分别取为127，146，159和168 mm进行模拟计算，以研究冻结管直径对温度场的影响。

3.1 0℃等温线

图3为冻结管直径127 mm，z=0剖面不同时间的0℃等温线。

冻结4 d时，不同冻结管直径0℃等温线基本以冻结管为圆心呈同心圆分布，A排冻结管形成的冻土圆柱大于B排冻结管形成的冻土圆柱，这主要是因为B排冻结管周围未冻土多，冻结所需冷量较大。冻结管直径越大，所形成的0℃等温线冻土圆柱的直径也越大。此时，只有冻结管直径168 mm的冻结管之间即将交圈。冻结5 d时，冻结管直径168 mm的止水承重冻土墙已经形成。冻结管直径159 mm的双排冻结管已经交圈，但是连续的冻土墙还未形成，两排冻结管之间、A排冻结管与围护结构之间还存在着未冻区域。冻结管直径146 mm的A排和B排冻结管已经开始交圈，但是排与排之间并未交圈。冻结管直径127 mm的各冻土圆柱的半径不断地扩大。冻结6 d时，冻结管直径168 mm所形成的垂直冻结墙继续向外发展。冻结管直径146和159 mm的连续的冻土墙已经形成。冻结管直径127 mm的A排冻结管和B排冻结管开始交圈，并且两排冻结管也相互交圈。冻结7 d时，冻结管直径168，146和159 mm所形成的垂直冻结墙继续向外发展。冻结管直径127 mm的连续的冻土墙已经形成。此时不同冻结管直径的连续垂直冻土墙都已经形成，所形成的冻土墙厚度相差不大。从冻结7 d开始一直到冻结40 d为止，不同冻结管直径的垂直冻结壁继续发展，交圈后0℃等温线的弧度逐渐变缓趋于直线，冻土墙的扩展速度也逐渐变缓，冻土墙厚度不断增大。

由此可知，不同冻结管直径的冻结壁交圈时间即形成闭合的垂直冻土墙的时间分别为:冻结管直径127 mm为7 d，冻结管直径146 mm为6 d，冻结管直径159 mm为5.5 d，冻结管直径168 mm为5 d。垂直冻土墙交圈时间与冻结管直径的关系如图4所示，冻结管直径每增加1 cm，冻结壁交圈时间减小约12 h。随着冻结管直径的增大，冻结壁交圈时间呈线性减小。

3.2 0℃与－10℃等温线的对比

图5为不同冻结管直径z=0剖面冻结30 d，40 d的0℃和－10℃等温线。

图4 垂直冻土墙交圈时间与冻结管直径的关系

1)冻结30 d时，不同冻结管直径的0℃和－10℃等温线的位置基本一致，即－10℃等温线的冻土墙厚度基本一致，约为1.6 m。冻结管直径168 mm的－10℃等温线冻土墙厚度要比冻结管直径127 mm的大约0.1 m。0℃等温线的冻土墙厚度比－10℃等温线还要厚约0.2～0.3 m。

图5 不同冻结管直径z=0剖面冻结30，40 d的0℃和－10℃等温线

2)冻结40 d时，不同冻结管直径的0℃和－10℃等温线的位置也基本一致，－10℃等温线的冻土墙厚度基本为1.8 m。冻结管直径168 mm的0℃等温线与－10℃等温线之间的距离要比冻结管直径127 mm的大约0.1 m。同样，冻结管直径168 mm的－10℃等温线冻土墙厚度要比冻结管直径127 mm的大约0.1 m。

由此可知，不同冻结管直径最终形成的－10℃等温线的冻土墙厚度相差很小，冻结30 d时约为1.6 m，冻结40 d时约为1.8 m。冻结30 d后，不同冻结管直径所形成的垂直冻土壁厚度均可＞1.6 m。

4 结语

1)实测温度值和数值计算温度值总体变化趋势基本一致，数值计算温度曲线相对光滑，用数值模型来模拟盾构始发时垂直冻结壁温度场的变化过程是可行的。

2)不同冻结管直径的冻结壁交圈时间即形成闭合的垂直冻土墙的时间分别为:冻结管直径127 mm为7 d，冻结管直径146 mm为6 d，冻结管直径159 mm为5.5 d，冻结管直径168 mm为5 d。冻结管直径每增加1 cm，冻结壁交圈时间减小约12 h。随着冻结管直径的增大，冻结壁交圈时间呈线性减小。

3)不同冻结管直径－10℃等温线的冻土墙厚度相差很小，冻结30 d时约为1.6 m，冻结40 d时约为1.8 m。冻结30 d后，不同冻结管直径所形成的垂直冻土壁厚度均可＞1.6 m。

［1］胡俊，杨平，董朝文，等.盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究［J］.铁道建筑，2010(2):47-51.

［2］胡俊，杨平，董朝文，等.苏州地铁一号线盾构隧道端头加固方式现场调查研究［J］.铁道建筑，2010(11):32-35.

［3］曾晖，胡俊，王效宾.苏州地铁一号线联络通道加固方式比选研究［J］.铁道建筑，2012(10):58-61.

［4］胡俊.苏州地铁盾构隧道端头加固方式及其关键问题研究［D］.南京:南京林业大学，2009.

［5］曾晖，杨平，胡俊.特殊地层下盾构始发端头加固技术实例研究［J］.铁道建筑，2011(2):79-81.

［6］胡俊.高水压砂性土层地铁大直径盾构始发端头加固方式研究［D］.南京:南京林业大学，2012.

［7］江苏省水文地质工程地质勘察院.南京地铁十号线(西延线)DW-XK01-0000-1006标江心洲～中间风井区间岩土工程初步勘察报告［R］.南京:江苏省水文地质工程地质勘察院，2011.

［8］胡俊.水泥改良前后土体冻结温度及力学特性试验研究［J］.铁道建筑，2013(4):156-159.