地铁盾构洞门水泥土加固垂直冻结温度场分析

王承晶

摘要 文章以南通地铁某盾构洞门接收水泥土冻结加固为例，通过工程实测与数值模拟，参照前人粉砂土层热物理实验结果，分析了水泥掺量对粉砂地层水泥土加固冻结温度场的影响。结果表明，水泥土加固的水泥掺量越大，冻结初期降温越快，但水泥掺量对最终的冻结壁厚度和冻结壁平均温度影响较小。研究结果以期为类似的工程实践提供指导和借鉴。

关键词 水泥土冻结加固；水泥掺量；冻结温度场；数值模拟

中图分类号 TU411.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0107-04

0 引言

随着国内地铁建设的发展，越来越多的工程问题也涌现出来，沿海城市的软弱土层普遍存在，盾构进出洞时遇到软弱土层就必须进行地基加固处理。常见的地基加固处理方法有搅拌桩、旋喷桩等水泥土加固法和人工冻结法。

搅拌桩和旋喷桩应用较为广泛，但有时也会出现加固体效果不满足要求的情况，冻结法增加了土的强度和稳定性，隔绝了地下水和地下工程的联系，但如果冻胀融沉控制不好容易造成周围建筑物倾斜、产生裂缝等。近年来，随着遇到的地质条件越来越复杂，有时会综合两种或多种加固方法进行处理。

南通地处长江入海口，因江海冲刷沉积作用，地基土以软土为主，该文以南通地铁某盾构水泥土冻结加固为例，运用数值模拟与现场实测分析不同水泥掺量对冻结效果的影响，以期为类似工程提供指导。

1 工程概况

盾构洞门接收所处地层自上而下依次为：①人工填土、②砂质粉土、③-1砂质粉土夹粉砂、③-2粉砂、④-2粉质黏土夹粉土，端头隧道主要位于③-2粉砂层，该土层透水性中层，渗透系数K=4.39E-3 cm/s。盾构接收端端头预先采用850@600三轴搅拌桩加固，加固一区的水泥掺量为7%，加固二区的水泥掺量为20%。盾构接收端剖面图如图1所示。

水泥土加固完成150 d后，考虑粉砂层盾构接收的风险较大，另增加了垂直冻结，共设23个垂直冻结孔，A排12个冻结孔，B排11个冻结孔，每孔深度均为19.732 m（有效冻结段11.7 m），排间距为1.1 m，测温孔4个。冻结孔和测温孔布置如图2所示。

2 数值模型建立

该文运用Comsol有限元软件固体传热模块建立盾构接收垂直冻结模型。

2.1 材料参数

垂直冻结数值模拟中主要用到密度、冻结温度、导热系数和容积热容4个参数。

（1）密度。杨平等提出，粉砂层水泥掺量小于50%时，水泥熟料和水化物填充土体孔隙，水泥土密度随着水泥土掺量的增加而线性增加，水泥土密度与水泥掺量的关系式为[1]：

式中，ρ——水泥土的密度（kg/m3）；x——水泥土掺量。

根据勘察报告，本端头盾构隧道所处主要地层③-2粉砂层，密度为2 080 kg/m3。

推导出该土层水泥土密度与水泥掺量的关系式为：

（2）冻结温度。按同样方法推导出该土层水泥土冻结温度与水泥掺量的关系式为：

式中，y——水泥土的冻结温度（℃）。

（3）导热系数。胡俊等提出，常温和冻结粉砂水泥土均随着水泥掺量的增大而减小，且冻土的下降幅度更大，并得出水泥土导热系数和水泥掺量的关系式为[2]：

式中，λ——水泥土的导热系数[W/（m·K）]。

根据勘察报告，③-2粉砂层常温导热系数为1.99 W/（m·K），凍土导热系数为2.57 W/（m·K）。

推导出该土层水泥土导热系数与水泥掺量的关系式为：

（4）容积热容。按同样方法推导出该土层水泥土容积热容与水泥掺量的关系式为：

式中，c——水泥土的容积热容[×106 J/（m3·k）]。

数值计算拟对水泥掺量分别为0、4%、8%、12%、16%、20%的水泥土进行模拟，其相应的热物理参数利用上式计算得出。

2.2 建立模型

大量的冻结经验表明，冻结地层时冻结管对周围地层的影响范围一般为冻结管一侧冻结壁厚度的3～5倍，根据该工程盾构接收的冻结管布置、盾构埋深、冻结影响半径综合确定模型的长度、宽度为60 m，深度为35 m。模型中的各个结构都采用四面体单元，单元体数量约为150 672个，有限元模型如图3所示。

2.2.1 基本假设

在进行盾构接收冻结数值模拟时，进行以下假设：

（1）土体在冻结过程中均质且连续。

（2）土体冻结时，潜热集中在冻结界面连续放出。

（3）假设土中水分全部冻结，未冻水含量为0。

（4）不考虑冻结管内外复杂的热交换过程，直接在冻结管外管壁上施加温度变化的荷载。

（5）盾构接收端墙处保温效果良好，端墙热绝缘。

2.2.2 边界条件

模型的表面都设置为绝热边界，冻结管壁施加实际的盐水温度，模型初始温度设置为33 ℃。

3 数值模拟结果

3.1 测温孔实测与数值模拟对比

选取4个测温孔处的实测温度与数值模拟对比，如图4所示，从图中可以看出T1和T2测温孔实测值与数值模拟计算值吻合较好，T3和T4测温孔实测值与数值模拟计算值较T1和T2吻合稍差，但在大部分冻结时间内差值都在2 ℃之内，原因可能是因为T1和T2测温孔在冻结壁内侧，受周围环境影响较小，T3和T4测温孔在冻结壁外侧，受周围环境影响大，对比结果可以验证该次模拟的结果是可信的。

3.2 水泥掺量对冻结效果的影响分析

对不同水泥掺量的加固体进行冻结计算，选取冻结壁内侧的T1和冻结壁外侧的T3测温孔进行分析，不同水泥掺量与没有水泥土加固时的差值随冻结时间变化曲线如图5所示。

从图5中可以看出，当加固体水泥掺量增加时，冻结初期测温孔温度下降加快，随着冻结的进行，时间越长水泥掺量对测温孔温度的影响越小。

不同水泥掺量对冻结壁厚度和冻结壁平均温度的影响如图6和图7所示。

从图6图7中可以看出，不同水泥掺量对冻结壁厚度和冻结壁平均温度的影响较小，这是因为不同水泥掺量下，随着冻结时间的延长，冻土温度趋于一致。

结合以上数值模拟结果可以得出，随着水泥掺量的增加，冻土和土的导热系数减小，即传递冷量的能力减小，冻土和土的比热容减小，即对冷热反应更灵敏，且水泥掺量对土的比热容影响较大，对冻土的比热容影响较小。由此导致，加固体水泥掺量越大，冻结初期降温越快，但最终的冻结壁厚度和冻结壁平均温度基本趋于一致。

4 结论

该文以南通地铁某盾构洞门接收水泥土冻结加固为例，利用Comsol有限元软件研究了水泥掺量对冻结温度场的影响，得到以下主要结论：

（1）加固体水泥掺量越大，冻结初期降温越快。

（2）水泥掺量对最终冻结壁厚度和冻结壁平均温度的影响较小。

参考文献

[1]杨平， 陈驰， 张存， 等. MJS加固水泥土热物理特性研究[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版）， 2020（4）： 661-669.

[2]胡俊， 唐益群， 张皖湘. 水泥改良前后土体热物理参数试验研究[J]. 地下空间与工程学报， 2016（5）： 1198-1204.