盾构隧道端头半球形冻结壁温度场发展规律研究

胡俊，卫宏，刘勇，李玉萍，3，姚凯

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，新加坡 肯特岗 117576；3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210098)

盾构隧道端头半球形冻结壁温度场发展规律研究

胡俊1，卫宏1，刘勇2，李玉萍2，3，姚凯2

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，新加坡 肯特岗 117576；3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210098)

对盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构作简单介绍，运用有限元软件数值建模分析了半球形冻结壁温度场的发展规律。主要得出：半球形冻结壁是一种高效节能的盾构隧道端头冻结加固方式；冻结初期，冻土帷幕是以冻结管为中心呈柱状向外扩展，到冻结40d时，可形成厚度约为1.8m的封闭半球形壳体冻土帷幕；可采用增加环形冻结管对数、延长冻结时间和降低盐水温度来将半球形冻结壁冻实；半球形冻结壁纵向(X轴)冻结影响范围约为5m。

半球形冻结壁；端头加固；冻结法；数值模拟

0 引言

目前，盾构隧道端头加固是盾构法施工中的关键环节，具有很大的工程施工风险[1-8]。在沿海软土地区，特别是盾构隧道端头地层为富含水砂层时，采用常规的化学加固手段很难达到工程要求，在探孔时常会有漏水漏砂现象，为了保证盾构进出洞安全，常采用人工冻结法来进行端头土体加固[9-10]。常规的人工冻结技术采用在端头地面打入垂直冻结管实施垂直冻结加固，或在工作井内开挖洞门处打入水平冻结管实施水平冻结加固[11-14]，这两种常规的冻结加固方式都存在着打入土体冻结管过多、冻结需冷量大、整个冻结过程耗电量大、冻胀融沉量大的缺点，如何找到一种高效节能的盾构隧道端头冻结加固方式是目前亟待解决的关键问题。

为了解决上述问题，一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构应运而生。本文运用有限元软件，数值建模分析该半球形冻结壁温度场的发展规律，对冻土帷幕的发展及厚度变化等进行分析，论证该加固结构的可行性，为今后类似工程设计提供技术参考依据。

1 盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构简介

1.1 概述

盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构是在盾构隧道端头工作井内的开挖洞门处向土体中对称打入三对环形冻结管，通过在环形冻结管中循环冷媒介质，最终在盾构隧道端头地层中形成半球形冻土帷幕，在半球形冻土帷幕的保护下，盾构顺利始发或到达，如图1所示。环形冻结管直径一般为108 cm或127 mm；环形尺寸由洞门大小决定，应保证在土体中形成半径大于洞门半径的半球形冻土帷幕。冻结管材质通常为低碳无缝钢管，也可以采用PVC等塑料管。当采用塑料管时，盾构始发或到达无需拔除冻结管，可直接切削推进[15]。

图1 盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构示意图Fig.1 Sketches of hemispherical frozen wall reinforcement of the shield tunnel end

1.2 有益效果

采用盾构隧道端头半球形冻结壁加固方式时冻结管用料大大减少，冻结需冷量也大大减少，冻胀融沉量也相应较小，在保证加固效果特别是止水效果的同时，大大节约了能源，从而有较好的经济效益，具有较大的推广应用价值。

1.3 施工工艺流程

首先进行环形冻结孔的钻孔施工，同时进行冻结站的安装；环形冻结孔施工完毕后，进行冻结孔串联管路及保温工作；然后进行积极冻结，通过测温孔观测计算，确定冻结满足洞门凿除条件后，开始破除洞口槽壁。如果冻结管是塑料材质，则无需拔除环形冻结管，如果冻结管是低碳无缝钢管，则需先拔除冻结管，之后进行盾构始发或到达推进。整个施工工艺流程如图2所示。

2 温度场数值模型的建立

2.1 计算基本假定

假定土层具有均匀的初始温度场，初始温度取18℃(一般地层10 m以下恒温带温度为15～20℃)；土层为一层，视为均质、热各向同性体；直接将温度荷载施加到环形冻结管管壁上；忽略水分迁移的影响；土层的冻结温度取为-1℃。

图2 半球形冻结壁加固结构施工工艺流程图Fig.2 Construction technology flowchart of hemispherical frozen wall reinforcement structure

2.2 计算模型和参数选取

本文基于圆形盾构机直径为6.34 m来建立三维温度场数值模型，其几何尺寸为：以暴露掌子面中心点为坐标原点，取纵向长度(X轴方向)×横向宽度(Y轴方向)×垂直深度(Z轴方向)=20 m×40 m×50 m。洞门处向土体中对称打入三对环形冻结管，三对环形冻结管平行于XZ平面布置，环形直径分别为6.47、4.74、1.73 m，分别距Z轴0.865、2.37、3.235 m；冻结管直径取127 mm；选取了4节点网格划分格式。几何尺寸及网格划分后模型如图3所示。

图3 数值模型几何尺寸及网格划分示意图Fig.3 Numerical model geometry size and meshing diagram

依据相关报告及试验[16-17]，模型土体材料采用热传导单元，参数见表1。

表1 土体材料参数

冻结前地层初始温度取18℃，环形冻结管管壁为热荷载边界，以盐水温度作为边界荷载，盐水降温计划见表2。根据降温计划，取冻结时间步为40 d，每步时间长为24 h。采用带相变的瞬态导热模型。

表2 盐水温度降温计划

3 温度场计算结果与分析

3.1 冻土帷幕基本情况

图4为半球形冻结壁X=0剖面(左)及Z=0剖面(右下)不同时间-1 ℃与-10 ℃温度等值线图。可以看出：冻结初期，冻土帷幕是以冻结管为中心呈柱状向外扩展；冻结20 d时，在X=0剖面，离Z轴最远的那对环形冻结管开始交圈，在Z=0剖面，离Z轴最近的那对环形冻结管开始交圈；冻结30 d时，整个半球形冻土帷幕还未形成，直到冻结40 d时，半球形加固结构形成了一个封闭的半球形壳体冻土帷幕，壳体厚度大约1.8 m。在这个壳体冻土帷幕的保护下，盾构机可进行始发或到达掘进。若想把半球形冻结壁冻实，形成一个半球形冻结壁实体，有以下三个方法：一是增加环形冻结管的对数，可从3对变为4对或5对(即使增加到5对，与常规的垂直或水平冻结相比也极大地减少了冻结管用料)；二是延长冻结时间，增加到50 d左右；三是降低盐水温度，从第十天开始可将盐水温度降到-40℃。

(a)冻结10 d

(b)冻结20 d

(c)冻结30 d

(d)冻结40 d图4 半球形冻结壁X=0剖面(左)及Z=0剖面(右下)不同时间-1 ℃与-10 ℃温度等值线Fig.4 Temperature contours of profile X=0(left)and >profile Z=0(right)at the temperature of-1 ℃ and -10 ℃ at the different freezing time.

图5为冻结40 d时冻土帷幕总体情况，包括X=0、-1、-2、-3 m这4个剖面的温度场云图以及-1、-10℃等温线图。可以看出：冻结40 d时，一个封闭的半球形壳体冻土帷幕已经形成，壳体厚度大约1.8 m。

(a)X=0 m

(b)X=-1 m

(c)X=-2 m

(d)X=-3 m图5 冻结40 d时冻土帷幕总体情况Fig.5 Freezing curtain during 40-day freezing

3.2 路径分析

从掌子面中心开始，沿着隧道纵向(X轴)开挖方向每隔1 m布设一分析点，形成一条长5m的分析路径，共6个分析点，各点温度随时间变化曲线如图6所示。可以看出：靠近环形冻结管距掌子面3 m的分析点降温最快，冻结12 d时温度降到0℃；其余各点离环形冻结管越远降温越慢，冻结40 d时，其余各点温度均在5℃之上；距掌子面5 m的分析点温度几乎不变，说明半球形冻结壁加固结构的纵向(X轴)冻结影响范围为5 m以内。

图6 各点温度随时间变化图Fig.6 Temperature changing curves with cooling time at different points

图7为各点不同时间温度空间分布曲线图，可以看出：冻结40 d时，环形冻结管所形成的冻土帷幕厚度约为1.8 m；环形冻结管外侧土体温度回升较快，离冻结管1.8 m以外温度几乎不受降温影响；环形冻结管内侧土体由于被包裹在环形冻结管里面，温度回升较慢。

图7 各点不同时间温度空间分布曲线Fig.7 Termperature changing curves with the cooling time at different spatial points

4 结束语

本文对盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构作了简单介绍，运用有限元软件数值建模分析了该半球形冻结壁温度场的发展规律，主要得出：

(1)盾构隧道端头半球形冻结壁加固方式与传统端头冻结加固方式相比，冻结管用料和冻结需冷量大大减少，冻胀融沉量也相应较小，在保证加固效果特别是止水效果的同时，可节约能源，从而有较好的经济效益。

(2)冻结初期，冻土帷幕是以冻结管为中心呈柱状向外扩展；冻结40 d时，一个封闭的半球形壳体冻土帷幕已经形成，壳体厚度约为1.8 m。

(3)将半球形冻结壁冻实的措施如下：增加环形冻结管的对数、延长冻结时间、降低盐水温度。

(4)通过路径分析可知：环形冻结管外侧土体温度回升较快，离冻结管1.8 m以外温度几乎不受降温影响；环形冻结管内侧土体由于被包裹在环形冻结管里面，温度回升较慢。

[1]胡俊，王效宾，袁云辉.盾构隧道端头杯型冻结壁温度场发展与分布规律研究[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

[2]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.

[3]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，2010，15(2)：47-51.

[4] Hu J，Wang X B，Jiang B R.Numerical analysis of temperature field of vertical frozen soil wall reinforcement at shield shaft[C].2014 3rd International Conference on Micro Nano Devices，Structure and Computing Systems(MNDSCS 2014)，Singapore，2014，3：4-10.

[5]Hu J，Zeng H，Wang X B.Numerical analysis of temperature field of cup-shaped frozen soil wall reinforcement at shield shaft[C].2013 International Conference on Energy Research and Power Engineering(ERPE 2013)，Zhengzhou，Henan，China，2013，5：1467-1471.

[6]Hu J，Zeng H，Wang X B.Experimental research on the physi-mechanical performances of geosynthetics[J].Applied Mechanics & Materials，2013：33-37.

[7]Hu J，Zeng H，Wang X B.Study on construction risk analysis and risk counter-measures of river-crossing tunnel of large-diameter metro[C].2012 2nd International Conference on Civil Engineering，Architecture and Building Materials(CEABM 2012)，Yantai，Shandong，China，2012，5：2680-2683.

[8]Hu J，Yang P，Dong C W，et al.Study on numerical simulation of cup-shaped horizontal freezing reinforcement project near shield launching[C].2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering(ICETCE 2011)，Lushan，China：IEEE.2011，4：5522-5525.

[9]胡俊，杨平.大直径杯型冻土壁温度场数值分析[J].岩土力学，2015，36(2)：523-531.

[10]胡俊，张皖湘，曾晖.盾构隧道端头杯型冻结壁加固温度场数值分析[J].路基工程，2015(4)：20-22.

[11]Zeng H，Hu J，Yang P.A numerical simulation study on the chemical reinforcement area at shield start shaft[C].2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering(ICETCE 2011)，Lushan，China：IEEE.2011，4：29-34.

[12]Hu J，Zeng H，Wang X B，et al.Study on the new reinforcement methods at shield shaft[J].Civil Engineering and Technology，2014，3(4)：58-61.

[13]胡俊.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[J].铁道建筑，2014(9)：57-60.

[14]曾晖，胡俊，周建军.杯型冻结壁杯底合理厚度计算分析[J].森林工程，2015，31(6)：146-152.

[15]胡俊.一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构：中国，201521026863.2[P]，2015年12月11日.

[16]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，2013，18(4)：156-159.

[17]董慧，胡俊，刘勇.冻融水泥土力学特性试验研究[J].森林工程，2015，31(5)：114-117.

Study on Temperature Field Development Law of Hemispherical Frozen Wall at the End of Shield Tunnel

Hu Jun1，Wei Hong1，Liu Yong2，Li Yuping2，3，Yao Kai2

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China； 2.Department of Civil and Environmental Engineering，National University of Singapore，Singapore 117576，Singapore； 3.College of Civil and Transportation Engineering，Hehai University，Nanjing 210098，China)

A brief introduction was given on the reinforcement structure of hemispherical frozen wall at the end of shield tunnel in this paper.The method of Finite Element Numerical Simulation was used to analyze the development of temperature field of the hemispherical frozen wall.The results showed that the hemispherical freeze wall is an energy-efficient freezing reinforcement way for end of shield tunnel.In the initial freezing stage，frozen soil curtain centered at the frozen pipes and extended outwards in a pillar shape.A thickness of about 1.8m closed hemispherical shell frozen soil curtain would be formed when it experienced 40 days freezing.It could uniformly freeze the hemispherical frozen wall to improve the frozen effects by increasing the number of pairs of freezing pipes，prolonging freezing time and lowering the brine temperature.The effect radius of a hemispherical frozen wall was about 5 m along the longitudinal(X-axis)direction.

hemispherical frozen wall；end reinforcement；freezing technique；numerical simulation

2016-09-05

国家自然科学基金项目(51368017)；海南省重点研发计划科技合作方向项目(ZDYF2016226)；海南省科技项目(ZDXM2015117)；中国博士后科学基金资助项目(2015M580559)；海南省教育厅高等学校科研项目(Hnky2016ZD-7，Hnky2015-10)

胡俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。E-mail：183633299@qq.com

胡俊，卫宏，刘勇，等.盾构隧道端头半球形冻结壁温度场发展规律研究[J].森林工程，2017，33(1)：88-91.

U 455.43

A

1001-005X(2017)01-0088-04