冻结管直径对联络通道人工冻结温度场影响分析

宋修元， 霍永鹏， 文彦鑫， 蒋 辉， 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 518000; 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 610000; 3. 成都轨道建设管理有限公司, 四川成都 610000)

联络通道是地铁工程中的重要结构，开挖时具有施工技术难大、风险高等特点。所以，通常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地面旋喷桩加固，在砂质地层、砂砾层常用注浆加固，而对于富水松软地层常用冻结法加固[1-2]。冻结法实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态，使固结的地层形成冻结壁，从而达到止水和承载的作用。由于施工方便、防水性能好、土体强度高、对周边环境影响小等优点，冻结法在城市地下工程的施工中越来越受到重视，已经被广泛应用于地基基础工程、城市地铁、隧道工程、水利工程以及市政工程中[3-5]。王志良、陈长臻等分析了单管冻结温度场的发展规律，并且提出冻结管间相互作用的重要性[6-7]。蔡海兵以实际工程为背景，建立三维数值计算耦合模型，对联络通道积极冻结期的温度场分布规律进行系统分析，验证了数值分析的可靠性[8]。本文依托成都地铁10号线双流西站～空港二站区间1#联络通道冻结工程，建立三维实体模型，研究冻结管直径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8.23km，左右线隧道中心线距离13.0m。区间联络通道总共6座，其中2座采用冻结法施工，本文以风险较大、沉降控制要求高的1#联络通道为研究对象，位于成都双流机场停机坪下方，区间里程YDK11+444.000(ZDK11+444.000)，埋深为20.7m。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=20m/d)，且水源补给充沛，对本工程影响较大的主要为第四系砂、卵石层的孔隙潜水和基岩裂隙水，联络通道纵断面以及土层情况如图1所示。

图1 联络通道冻结孔布置

2 冻结加固方案设计

联络通道周围共有61个冻结孔，采用φ89×10mm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100mm，冻结孔允许偏斜不大于150mm。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。其中，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，红色虚线表示C1～C8测温孔，X1～X4为布置的4个卸压孔。单孔盐水流量为5～7m3/h，联络通道需冷量为1.925×105kJ/h(多考虑5 %冷量损失)。联络通道冻结壁设计厚度为2.0m，冻土平均发展速度按22～26mm/d计算，交圈时间在20～25d；冻结壁平均温度为-10 ℃，积极冻结时间为45d。设计盐水温度在积极冻结5d后降至-18 ℃以下，10d后降到-22 ℃以下；开挖时盐水温度-22～-25 ℃，去、回路盐水温差不大于2 ℃。

3 不同冻结管直径模拟研究

利用ABAQUS建立三维数值模型，其中盾构隧道、联络通道及冻结管和二次衬砌等结构均按设计尺寸考虑，根据圣维南原理，为了减小模型的边界效应，最终模型整体尺寸定为30m×40m×20m。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去路盐水温度数据加载，如图4所示。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。

图2 三维模型和冻结管网格

本工程中联络通道所处的土层为人工填土、粉质黏土、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。冻结管内壁温度荷载为实测盐水温度曲线，如图3所示。

表1 土体物理力学性能和热物理参数

图3 冻结温度荷载曲线

将冻结管直径分别设置为60mm，90mm，120mm和150mm，壁厚为10mm，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，各模型温度场计算结果如图5所示。

图4 监测面及监测点示意(单位：mm)

图5 温度场监测点温度

从图5可以发现如下规律：监测点1的温度下降速度明显慢于监测点2～4。监测点2和监测点3距离冻结管的距离为0.5m，这两点最终的温度也低于监测点1、4。在冻结10d后，监测点2、3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。在冻结16d左右，监测点2、3温度低于-2 ℃，冻结帷幕此时厚度达到1m。监测点4在冻结12d左右，温度不再下降，此时达到热交换平衡，虽然冻结管在不断施加冷量荷载，但是由于土体相变，水结冰时释放大量热量，导致冻结管的冷量不能传递到距离冻结管1m的土体。在冻结40d左右，监测点4处的土体开始冻结。冻结帷幕内部的监测点温度低于外部的监测点，内部的冻结范围大于外部。

从表2可以得出，冻结管直径为60mm时，在冻结45d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为1.92m，上下两侧平均厚度约为2.04m，不满足设计厚度(2m)，不能达到开挖要求。冻结管直径为90mm时，在冻结10d之后，冻结帷幕已经交圈，形成闭合环。在冻结45d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为2.00m，上下两侧平均厚度约为2.11m，满足设计要求。冻结管直径为120mm时，在冻结45d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为2.05m，上下两侧平均厚度约为2.2m，满足设计要求。冻结管直径为150mm时，在冻结45d以后，冻结帷幕左右两侧平均厚度约为2.09m，上下两侧平均厚度约为2.27m，满足设计要求。

从研究结果可知：冻结管直径为60mm时，不能满足设计要求，直径为90～120mm时，在满足设计要求的同时，合理的利用了资源与空间。直径达到150mm时，冻结壁厚度偏大，会侵入联络通道开挖界限，故冻结管直径应控制在90～120mm。

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，建立三维实体模型，研究了不同冻结管直径对人工冻结法温度场的影响，得到以下结论：

(1)将冻结管直径分别设置为60mm、90mm、120mm、150mm，通过数值模拟，可以得出冻结半径随着冻结管直径的增加而增加，对应的左右两侧冻结半径分别为1.92m、2.00m、2.05m、2.09m。对应的监测点温度也随着冻结管直径的增加而减小，监测点1的温度依次为0.4 ℃、-0.1 ℃、-1.0 ℃，-1.4 ℃，监测点2的温度依次为-13.5 ℃、-13.9 ℃、-15.3 ℃、-16.7 ℃，监测点3的温度依次为-16.5 ℃、-17.2 ℃、-18.5 ℃、-18.5 ℃，监测点4的温度依次为-3.1 ℃、-5.4 ℃、-5.9 ℃、-6.4 ℃。

(2)冻结管直径为60mm时，不满足设计厚度(2m)，不能达到开挖要求。直径为90～120mm时，在满足设计要求的同时，合理的利用了资源与空间。直径达到150mm时，冻结壁厚度偏大，会侵入联络通道开挖界限，故冻结管直径应控制在90～120mm左右。