湿热气候下浅覆土冻结温度场有限元反演分析

陈智辉 王利军 陆 路 罗 竹

(1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

湿热气候下浅覆土冻结温度场有限元反演分析

陈智辉1王利军1陆 路2罗 竹2

(1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

对湿热气候下浅覆土冻结温度场进行了现场实测及有限元反演分析。结果发现：模拟得到的整个截面上的温度场分布和实际的较接近。说明土体参数反分析时等效导热系数取值合理。

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0 引言

随着我国各大城市轨道交通建设的迅猛发展，同一区域修建的地下轨道到交通线路越来越多，越来越多的相邻线路间形成大型枢纽站，但因受原有规划设计滞后或是既有地铁车站、隧道和上方建筑物存在的影响，让立体交叉线路不得不进行穿越施工。人工冻结法具有良好的封水性能，且地层可复原性好、绕障性强、施工方便，可适用于各种地层条件，特别是在富含水的砂质土层中更具优越性，因此冻结加固土体便成为暗挖隧道安全穿越施工中的一种最可靠的工法被优先考虑[1-3]。长期以来，众多业内学者及科研工作者进行了大量有关地铁暗挖隧道人工冻结温度场的实测及数值研究分析，这些工作对开展冻结土体加固施工有着重要的借鉴意义[4]。但是在我国南方城市(如广州地区)进行地铁施工时，由于常年湿热的气候，加之冻结边界距地面较浅，给人工冻结温度场的发展带来了影响[5]。为了解湿热气候对浅覆土人工冻结温度场的影响，很有必要依托实际工程开展现场实测，并与数值模拟对比分析，以便获得相应温度场发展规律为以后相似工程提供可靠的参考。

1 工程概况

1.1工程概述

广州市轨道交通6号线大坦沙站—如意坊站盾构区间暗挖段隧道冻结加固工程在大坦沙站一侧，与车站对接段隧道为双线矩形断面。冻结工程上部地面存在已经先期运营的5号线车站，与车站对接段有约10 m的隧道位于5号线地铁车站的正下方。工程结构所处的地层为砂性土，含水量高、渗透性强、分布广泛，且厚度大、连通好，与地表水联系密切，富水性强。且广州市地处低纬，由于暖湿气流的盛行，气候高温多雨，年平均气温为21.4 ℃～21.9 ℃(广州市各月平均气温见表1)。加之工程冻结地层离地面较近，顶板冻结边线离地面只有约2.4 m，且广州的气温较高，气温对地面的温度影响对冻结帷幕不利。

表1 广州市各月平均气温表

1.2冻结方案

本工程对接暗挖段隧道采取水平与垂直双向冻结，冻结帷幕设计厚度2.0 m，冻结孔间距1.3 m，车站内布置水平冻结孔79个，设置13个水平测温孔，见图1。

实际盐水降温曲线见图2。

2 有限元反演分析

有限元反演分析即是根据冻结孔的实际成孔现状，建立冻结温度场的数值模型，并结合盐水的实际降温曲线，开展冻结温度场的数值模拟，如果所选择参数使得冻结温度场的计算值与实测值很接近，则认为所取参数为地层实际情况，从而将此参数作为分析整个温度场的依据，并预测后期的冻结状况。本文以水平冻结帷幕3.5 m处截面建立有限元计算模型，采用平面热分析单元Plane35进行网格划分，有限元网格划分图见图3。经计算，至7月17日时的冻土帷幕温度云图见图4。

3 有限元分析及实测分析结果对比

温度场模拟的精确程度主要体现在测温孔实测温度与模拟结果的接近程度上，3.5 m处测温孔实测与反演对比如图5所示。从图5可以看出测点的实测与模拟的测点温度在变化趋势及数值上均较接近，模拟得到的整个截面上的温度场分布和实际的较接近。说明土体参数反分析时等效导热系数取值合理。

为分析比较不同方法各路径的冻结壁有效厚度和平均温度，对有限元分析模型选取10个不同路径进行分析，如表2所示。

表2 有限元法各路径冻结壁有效厚度和平均温度

为检验有限元分析的准确性，利用成冰公式和CAD作图法对各路径的平均温度和冻结壁厚度进行求解，结果见表3。

表3 成冰公式和CAD作图法各路径的冻结壁有效厚度和平均温度

由表2,表3可知，有限元数值方法得到的各路径的平均温度和冻结壁厚度与成冰公式和CAD作图法计算所得的值比较靠近。

4 结语

本文通过对广州地铁6号线大坦沙站—如意坊站区间暗挖隧道冻结温度场实测及有限元反演分析，得到了湿热气候下浅覆土冻结温度场的冻结特征，主要有以下结论：

1)本工程埋深较浅，而广州处于亚热带，日照充足，热量丰富，年平均温度为21.4 ℃～21.9 ℃，冻结工程是在3月份～9月份之间，气温对冻结壁的形成有不利的影响，但通过多种方法对冻结二区、三区冻结帷幕的厚度和平均温度进行计算，计算结果表明至7月17日冻结壁厚度及平均温度均已达到设计要求。

2)通过对3.5 m处测温孔实测与反演对比，可以看出测点的实测与模拟的测点温度在变化趋势及数值上均较接近，模拟得到的整个截面上的温度场分布和实际的较接近。说明土体参数反分析时等效导热系数取值合理，对湿热气候浅覆土冻结温度场的反演分析是切实可行的。

[1] 张 婷，杨 平.人工冻结法在地铁建设中的应用与发展[J].森林工程，2012(6):74-78.

[2] 武亚军，潘 涛，唐军武.人工冻结技术在城市地下工程中的应用[J].探矿工程，2006(6)：60-63.

[3] 崔 灏，李栋伟.水平冻结法施工温度场数值模拟与分析[J].低温建筑技术，2009，2(3):15-19.

[4] 岳丰田，王 涛.扎赉诺尔矿区白垩系地层冻结温度场实测与分析[J].河北理工大学学报(自然科学版)，2009，31(2)：119-122.

[5] 黄 辉，岳丰田，张 勇，等.湿热气候下浅覆土冻结温度场实测分析[J].工程技术(引文版)，2016(82):254-256.

Finiteelementinversionanalysisoffreezingfieldinshallowsoilunderhumidclimate

ChenZhihui1WangLijun1LuLu2LuoZhu2

(1.GuangzhouMetroGroupCo.,Ltd,Guangzhou510000,China; 2.SchoolofMechanics&CivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

The field temperature and the finite element inversion analysis were carried out in the shallow soil temperature field under humid climate. It is found that the temperature field distribution on the whole cross section is similar to that of the actual. Indicating that the equivalent thermal conductivity of the soil parameters is reasonable.

climate of warm-moist, shallow overburden soil, freezing temperature field, FEA, field measurement

1009-6825(2017)29-0090-02

2017-08-03

陈智辉(1974- )，男，工程师

TU413

A