冻结盐水温度对人工冻结温度场影响研究★

张生权 霍永鹏 文彦鑫 揭定前 伍 旺 晏启祥

(1.中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司,广东 深圳 518083; 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

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[1]。联络通道是城市地铁中的重要结构，具有施工难度大、风险高等特点。所以，进行联络通道开挖前需要对周围土体进行加固处理，在高温气候地区常用旋喷桩加固，在砂质地层常用注浆法加固，而对于富水松软地层常用冻结法加固[2]。冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘进施工的特殊施工技术。由于施工方便、防水效果好、冻土强度高、对周边环境影响小等优点，冻结法已经被广泛应用于城市地铁隧道工程[3-5]。许多学者结合现场和数值模拟手段分析了冻结法温度场的发展规律，验证了数值分析的可靠性[6,7]。冻结盐水温度是冻结工程中最重要的参数之一，本文依托成都地铁10号线双流西站—空港二站区间1号联络通道冻结工程，建立三维实体模型，研究冻结盐水温度对冻结温度场的影响。

1 工程概况

成都地铁10号线双流西站—空港二站区间隧道为穿越停机坪区段，线路经过机场内的停机坪、航油管线、G指廊、滑行跑道、维修基地后到达2号风井后，沿大件路到达双流西站明挖区间盾构井。区间隧道设计长8.23 km，左右线隧道中心线距离13.0 m。区间联络通道有2座采用冻结法施工，本文以风险较大、沉降控制要求较高的1号联络通道为研究对象。1号联络通道位于成都双流机场停机坪下方，区间里程YDK11+444.000，埋深为20.7 m。联络通道处于中密卵石土层，岩性较为单一，地基土稳定性整体较好，但地下水丰富，渗透系数大(k=20 m/d)，且水源补给充沛，联络通道纵断面以及土层情况如图1所示。

2 冻结加固方案设计

联络通道周围共有61个冻结孔，采用φ89×10 mm低碳钢无缝钢管作为冻结管，冻结孔开孔位置误差不宜大于100 mm，冻结孔允许偏斜不大于150 mm。按上仰、水平、下俯三个方向布置在联络通道周边，具体位置如图1所示。

图1中设有4个透孔用于对侧冻结管路及冷冻排管供冷，8个测温孔和4个泄压孔监测冻结加固动态信息，虚线表示C1～C8测温孔，X1～X4为布置的4个卸压孔。单孔盐水流量为5 m3/h～7 m3/h，联络通道需冷量为4.6×104Kcal/h。联络通道冻结壁设计厚度为2.0 m，冻土平均发展速度按22 mm/d～26 mm/d计算，交圈时间在20 d～25 d；冻结壁平均温度为-10 ℃，积极冻结时间为45 d。设计盐水温度在积极冻结5 d后降至-18 ℃以下，10 d后降到-22 ℃以下；开挖时盐水温度-22 ℃～-25 ℃左右，去、回路盐水温差不大于2 ℃。

3 不同冻结盐水温度影响分析

利用ABAQUS建立三维数值模型，其中盾构隧道、联络通道、冻结管和二次衬砌等结构均按实际尺寸设计，为了减小模型的边界效应，最终模型整体尺寸定为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。考虑的荷载有：重力荷载、温度荷载，其中温度荷载按照实测的现场盐水温度进行加载。其边界分为两类：温度初始条件，初始温度设定为20 ℃；位移边界条件，约束冻结管U1,U2,U3三个方向的位移、土体左右两个侧面U1方向位移、土体前后面U2方向位移以及土体底部在U1,U2,U3三个方向的位移。冻结管和土体之间采用tie连接。模型的建立如图2所示。

本工程中联络通道所处的土层为人工填土、粉质粘土、砂卵石地层，根据相关地质资料和热物理试验结果，有限元计算模型中各土层的物理力学性能和热物理参数随温度非线性变化，具体取值见表1。

表1 土体物理力学性能和热物理参数表

冻结管内壁温度荷载如图3所示。荷载曲线分别设置为实测盐水温度曲线，实测盐水温度+2 ℃和实测盐水温度-2 ℃，其余参数保持不变。分别计算模型温度场，监测截面及监测点如图4所示，选取8个监测点分析冻结效果，各模型温度场计算结果如图5所示。

从图5可以发现如下规律：监测点2、点3、点6、点7的温度下降速度明显快于监测点1、点4、点5、点8。监测点2、点3距离冻结管为0.35 m，监测点6、点7距离冻结管为0.5 m，监测点1、点4、点5、点8冻结管的距离为1 m。在冻结13 d～18 d左右，监测点2，点3，点6，点7的温度曲线有个明显的拐点，这是由于此时土体正处于相变状态，土体中的水开始结冰，温度变化剧烈。上下两侧的双管冻结的速度稍快于左右两侧的单管冻结，在冻结14 d左右，监测点2、点3温度低于-2 ℃，上下两侧冻结帷幕此时厚度达到1 m，在冻结18 d左右，监测点6、点7温度低于-2 ℃，左右两侧冻结帷幕此时厚度达到1 m。监测点1、点5的温度一直在缓慢地下降，在冻结45 d之后，尚未达到冻结温度-2 ℃。监测点4、点8在冻结前15 d温度下降速度较快，迅速降温至0 ℃，之后一直保持在0 ℃左右，甚至有缓慢上升的趋势，在冻结42 d时，土体开始冻结，之后温度继续下降。在冻结时间为15 d～40 d时，监测点4、点8温度不再下降是因为距离冻结管较近的区域正在开始结冰，此时相变释放的潜热中和了大量冷量。

从表2可以得出，当温度荷载比实测盐水温度高2 ℃时，在冻结45 d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为1.90 m，上下两侧平均厚度约为2.04 m，不满足设计厚度(2 m)，不能达到开挖要求。当温度荷载为实测盐水温度时，在冻结10 d之后，冻结帷幕已经交圈，形成闭合环。在冻结45 d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为2.05 m，上下两侧平均厚度约为2.2 m，满足设计要求。当温度荷载比实测盐水温度低2 ℃时，在冻结45 d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为2.08 m，上下两侧平均厚度约为2.24 m，满足设计要求。

表2 冻结45 d后监测点温度及冻结壁厚度

从研究结果可知：温度荷载比实测盐水温度高2 ℃时，不能满足设计要求。当温度荷载为实测盐水温度时，在满足设计要求的同时，合理的利用了资源与空间。当温度荷载比实测盐水温度低2 ℃时，冻结壁厚度偏大，会侵入联络通道开挖界限。故在现场冻结工程中，冻结盐水温度控制较为合理，能够满足联络通道开挖施工要求，同时不会过多侵入联络通道开挖界限。

4 结论

本文以成都地铁10号线区间联络通道的冻结工程为背景，建了三维实体模型，研究了不同冻结盐水温度对人工冻结法温度场的影响，得到以下结论：

1)将冻结盐水温度分别设置为比实测温度高2 ℃、实测温度、比实测温度低2 ℃，通过数值模拟，可以得出冻结半径随着盐水温度的降低而增加，对应的左右两侧冻结半径分别为1.9 m，2.02 m，2.08 m。对应的监测点温度也随着盐水温度的降低而减小，监测点1的温度依次为-1 ℃，-1.4 ℃，-3 ℃，监测点2的温度依次为-15 ℃，-16.7 ℃，-18.4 ℃，监测点3的温度依次为-16.7 ℃，-18.5 ℃，-20.2 ℃，监测点4的温度依次为-4.4 ℃，-5.9 ℃，-7.4 ℃，监测点5的温度依次为0.55 ℃，-0.1 ℃，-0.7 ℃，监测点6的温度依次为-12.2 ℃，-13.9 ℃，-15.5 ℃，监测点7的温度依次为-15.3 ℃,-17.2 ℃，-19 ℃，监测点8的温度依次为-3.4 ℃，-5.4 ℃，-7.1 ℃。

2)温度荷载比实测盐水温度高2 ℃时，不能满足设计要求。当温度荷载为实测盐水温度时，在满足设计要求的同时，合理的利用了资源与空间。当温度荷载比实测盐水温度低2 ℃时，冻结壁厚度偏大，会侵入联络通道开挖界限。故现场冻结工程中，盐水温度控制较为合理，能够满足联络通道开挖施工要求，同时不会过多侵入开挖界限。