滨海软土冻结温度场发展规律_陈军浩.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Key Laboratory of Underground Engineering, Fujian Province University, Fuzhou 350118, China Abstract In order to research the temperature fields and development law of freezing in the construction of con- nected aisle in coastal soft soil stratum, based on connected aisle between Luoxiu road station and Baise road sta- tion of Shanghai subway Line 15, the thickness and average temperature of frozen curtain, and the freezing process were analyzed. The temperature fields and development law of freezing were predicted by the three-dimensional numerical model of the connected aisle and the temperature data which were analyzed. The results show that the inherent pressure in soft soil causes initial pressure in the pressure relief hole. A lot of cement paste was injected during the burial of the freezing tubes, which will inhibit water migration and reduce the effect of frost heaving during the freezing process. The process of freezing can be divided into four stages by temperature rapid drop of temperature, drop of temperature decreases first and then increases, slow drop of temperature, temperature stability. The rate of development speed of frozen inside and outside curtain is 1.42︰1. The grey silt freezes faster than silty clay with silt. The development freezing speed of silty clay with silt and grey silt are 20.02 mm/d and 29.75 mm/d. Keywords freezing ; soft soil; connected aisle; frozen curtain; temperature field; numerical simulation 冻结法是指利用冷源将地层冻结，形成一定厚 度的冻结帷幕，进而隔绝地下水和保护工程的特殊 工法[1-4]。冻结法在岩土地下工程中的应用发展已经 成熟，特别是运用于地铁联络通道施工[3-9]，相较于 注浆法，具有适用地层种类多且对地层污染小的优 势，因此，滨海软土地区开挖联络通道前常采用冻 ChaoXing 第 4 期 陈军浩等 滨海软土冻结温度场发展规律 175 结法对周围土体进行加固处理。 不少学者对冻结法施工联络通道已有研究，杨太 华[10]、江洪[11]、李庆禹等[12]通过对联络通道冻结法施 工的设备安装风险、操作风险及冻结状态的维护风险 进行分析，提出施工过程的防范措施；王志良等[13]提 出在联络通道冻结过程中混凝土管片和钢管比土层散 热速度快；杨超等[14]、李伟平等[15]采用数值模拟的方 法结合联络通道冻结实测数据分析，提出改进冻结孔 布孔方式，提高冻结效率；孙立强等[16]通过室内实验 得出导热系数随温度场变化的规律，提出热-力耦合 的数值计算方法， 为本文数值模拟提供指导； 多名学 者[17-20]通过建立三维数值模型，经过实测数据和模拟 数据分析比较，验证了数值模拟方法的可行性。 综上所述，前人对冻结温度场的实测分析、数 值模拟均取得不少成果，得到不同管片、布孔方式、 热物理参数对冻结的影响，并对施工过程的质量控 制方法和提高冻结效率进行总结。但以往考虑多地 层对冻结温度场影响的数值模拟较少，对联络通道 中不同断面，如喇叭口位置，冻结发展规律有待进 一步深入分析。 本文以上海市轨道交通 15 号线联络 通道为背景，用现场实测的泄压孔压力值、土体温 度、盐水温度等数据对冻结过程进行深入分析，获 得不同断面的冻结帷幕厚度及冻土发展速度，并通 过 ANSYS 平台建立多地层的三维数值模型，结合 获得的模拟数据与实测数据作对比，讨论滨海软土 对联络通道温度场发展规律的影响，为今后上海联 络通道冻结工程提供参考。 1 工程概况 上海市轨道交通 15 号线罗秀路站百色路站 联络通道工程位于老沪闵路上中西路下方，上行线 隧道中心标高-16.58 m，地面标高4.22 m，下行线 隧道中心标高-16.61 m，地面标高4.38 m，联络通 道线间距 13.57 m， 隧道所处地层为粉质黏土夹粉土 层，层厚 2.8 m；灰色粉土层，层厚 5.2 m，如图 1 所示。冻结管总长度 409.11 m，分东西 2 段施工， 东段上行线冻结长度 345.93 m， 西段下行线冻结 长度 63.23 m。 图 1 联络通道剖面 Fig.1 Cross section of connected aisle 2 冻结加固方案设计 2.1 冻结加固方案 根据地层资料并结合以往上海联络通道施工经 验，采用“水平冻结加固土体矿山法开挖”的施工 方案。 联络通道冻结孔按上仰、水平、下俯 3 种角度 布置，拱顶及喇叭口处冻结效果较差区域采用双排 孔布置方式，共布置冻结孔 68 个上行线 40 个，下 行线 28 个，其中 4 个为对穿冻结孔，孔号为 D5D8；测温孔共 16 个，孔号为 C1C16；上、 下行线各布置 2 个泄压孔，孔号为 X1X4，冻结 孔及泄压孔布置如图 2 所示。 2.2 监测目的和内容 通过对现场地层温度等数据进行监测，分析冻 结过程冻结效果，及时对冻结薄弱部位进行加强冻 结，保证冻结施工安全可靠。 a. 去回路盐水温度监测 每日进行去回路盐 水温度监测并获得实时数据，及时调节盐水压力阀 门，通过放盐水方式排除管中残余空气，保证地层 冻结良好。 b. 不同地层温度监测 联络通道共布设 16 个 测温孔，通过测温数据计算冻结帷幕发展速度和厚 度，判断土层是否满足开挖条件。 c. 隧道管片与土体交界面温度监测 判断该 ChaoXing 176 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 联络通道冻结孔布置 Fig.2 Layout of freezing holes in connected aisle 处土层冻结情况，保证通道安全。 d. 泄压孔压力监测 在上、 下行线隧道的联络 通道处分别设置 2 个泄压孔，每日记录并分析泄压 孔压力值，及时了解冻结帷幕发展状况，通过释放 地层中冻胀压力保证管片不受到破坏。 2.3 冻结设计参数 依据以往联络通道冻结工程的经验，确定冻结 设计参数，见表 1。 表 1 冻结设计参数 Table 1 Frozen design parameters 积极冻结期盐 水温度/℃ 维护冻结盐水 温度/℃ 冻结壁交圈时间/d 正常段冻结帷幕 厚度/m 喇叭口冻结帷 幕厚度/m 设计冻结 时间/d 冻结孔最 大间距/mm -28～-30 ≤-28 23～28 ≥2 ≥1.7 45 ≤150 2.4 测温孔布置 联络通道共布置 16 个测温孔，其中上、下行线 分别布置 4、12 个测温孔，为研究不同地层对联络通 道冻结过程影响，在粉质黏土夹粉土层布设 3 个测温 孔 C11C13，其余测温孔布设在灰色粉土层。因管 片与地层交界处为冻结薄弱环节，各测孔第一个测点 均布设在入土深度 0.5 m 处， 其余测点均沿孔深分布， 详细布置如图 3 所示， 图中 i[1,16]， 表示测温孔序号。 a C1C10 b C11C13 c C14C16 单位cm 图 3 测孔内测温点布置 Fig.3 Layout of measuring points in temperature monitoring 3 现场实测数据分析 3.1 盐水温度 冻结初期冷冻机处于调试状态，盐水去回路温 度下降规律不明显，温差最高 5.13℃；随着时间推 移，当盐水去路温度降至-15℃时，此时冷冻机温度 保持在-27℃～-30℃， 盐水去回路温差稳定在 1.7℃； 当盐水温度降至-29℃左右时基本保持不变， 此时土 层热交换已达到平衡。 3.2 泄压孔压力 根据泄压孔实测数据可知，冻结初期由于地层 原有的固有压力，各泄压孔均有一定的初始压力； 冻结 28 d 左右，各泄压孔均开始涨压，这说明冻结 孔已经交圈；冻结 36 d 左右，4 个泄压孔的压力基 本达到最大值，X1X4 分别为 0.22、0.21、0.18、 0.22 MPa。冻结第 41 天对 4 个泄压孔进行分次压 力释放，第 42 天时压力泄至 0.1 MPa，最后泄至 0， 第 45 天时开始开挖，泄压孔被破坏，停止记录。从 图 4 可以看出，泄压孔 X4 涨压最大，最大涨幅值 为 0.12 MPa，根据文献，上海联络通道泄压孔压力 值普遍涨至 0.4 MPa 左右，可见本联络通道泄压孔 压力涨幅较小。主要是由于向地层中注入一定量水 泥浆，一方面能降低土层液化，另一方面起到抑制 ChaoXing 第 4 期 陈军浩等 滨海软土冻结温度场发展规律 177 地层冻胀的作用，因此，在钻孔期间注入一定量水 泥浆可导致泄压孔压力涨幅减小。 图 4 泄压孔压力随冻结时间变化曲线 Fig.4 Variation curves of pressure of pressure relief holes with freezing time 3.3 土体温度 通过比较测温孔 C11C13 和 C1C4 温度值， 区别不同地层冻结状况，C1、C4 位于冻结管外侧， C2、C3、C11C13 位于冻结管内侧。 以曲线 C1-2 为例，温度变化曲线可以分为 4 个阶段第一阶段，由于冻结初期土体和盐水温差 大，两者间产生剧烈热交换，各测点温度下降速度 快，该阶段持续 10 d 左右，平均降温速度 1.24℃/d； 第二阶段，土体温度低于 10℃后，其下降速度经短 暂减小后又逐渐变大，这说明冻结区域受外围土体 温度影响的效果减小； 第三阶段， 土体温度低于 0℃ 后，曲线明显变缓，这说明该阶段内各冻结圆柱已 经交圈，该阶段持续时间 15 d，平均降温速度 0.35℃/d；第四阶段，联络通道开始开挖，期间仍然 保持积极冻结，各测温孔测点温度继续下降，而测 温孔 C2、C3 的测点温度却逐渐回升。第 61 天，曲 线 C2-1 和 C2-2 温度分别达到极大值-2.5℃和 -6.31℃，这是由于开挖过程工作面长时间暴露在空 气中以及风镐对土体传热，导致土体温度回升。 比较图 5a 和图 5b 各测温孔测点温度下降规律 可知，测点埋设深度越深，降温效果越显著。主要 是因为靠近钢管片的土体，管片与外界空气接触进 行热交换，且钢管片比土体的导热系数大，造成土 体的冷量损失越大，而越靠近冻结管的土体，周围 温度越低，降温的幅度也越大。 比较图 5a 和图 5b 相同深度的测点可知，C1-1 和 C4-1 平均降温为 0.57℃/d；C2-1 和 C3-1 平均降 温为 0.94、0.85℃/d，可知 C2-1、C3-1 降温速度大 于 C1-1、C4-1，这是由于冻结管外侧土体与非冻结 区域恒温土体持续进行热交换，而冻结管内侧 土体没有受到外界干扰，温度不断下降，因此， 图 5 不同测点温度变化曲线 Fig.5 Temperature change curves at different measuring points 相同深度处冻结管外侧测点比冻结管内侧的降温 幅度小。 由图 5c 可知， 测点 C11-1 比测点 C11-2 温度低， 是由于测温孔 C11 离下行线钢管片上布设的冷排 较近，因此，C11-1 比 C11-2 的降温幅度大，且最 终温度也比同一高度同一深度的其他测温孔测点 温度低。 在开挖阶段，测温孔 C2、C3、C11C13 部分 测点受到施工影响都有明显的温度回升，随着开 挖面的不断推进，温度也有所波动，但由于测点 C12-2、C13-2 与开挖部位的垂直距离较远，受到 ChaoXing 178 煤田地质与勘探 第 48 卷 的影响较小，因此，测点 C11-2、C13-2 温度仍旧 保持下降趋势。 3.4 冻结帷幕计算结果分析 选择入土深度 0.5 m 处测点作为研究对象， C1C4 位于灰色粉土层，C11C13 位于粉质黏土夹 粉土层，根据公式/vs t，其中 v 为冻土发展速度， mm/d；s 为测温孔与最近冻结孔距离；mm、t 为温度 下降至0℃所用时间，d，推算冻土日发展速度，见表2。 由表 2 可知，上行线中，土体冻结向内发展速 度比向外发展速度快；灰色粉土冻结效果比粉质黏 土夹粉土冻结效果好。 以上行线冻结孔 D1 为研究对象，取冻结帷幕 向内发展速度为 29.75 mm/d，45 d 发展半径为 1 338.75 mm；向外为 20.89 mm/d，45 d 发展半径为 940.05 m，内外侧发展速度比值为 1.42。由此推算 冻结帷幕厚度为 2 278.8 mm，实际有效厚度为 1 983.05 mm， 喇叭口处冻结帷幕设计厚度为1 700 mm， 因 此，冻结 45 d 满足开挖条件。 表 2 根据各测温孔温度计算冻土扩展速度 Table 2 Freezing wall propagation speed calculation based on the temperature 方位 相对冻结主面位置 测温孔 距最近冻结孔距离/mm 降温至0℃时间/d发展速度/mmd-1 平均速度/mmd-1 C1 798 41 19.46 外侧 C4 893 40 22.32 20.89 C2 690 25 27.60 上行线 内侧 C3 670 21 31.90 29.75 C11 370 12 30.83 C12 364 23 15.82 下行线 内侧 C13 362 27 13.41 20.02 3.5 冻结帷幕平均温度 由于冻结站邻近冻结主面，盐水经过冻结主面 循环至冻结辅面会造成冷量损失，因此，需考虑辅 面喇叭口和正常段冻结帷幕厚度和平均温度，以所 处灰色粉土地层的测温孔 C7C10 作为研究对象， 通过计算得到表 3。 表 3 开挖前不同断面冻结情况 Table 3 Freezing state of different sections before excavation 断面 部位 冻结帷幕有效厚度/m 冻结帷幕发展速度/mmd-1 冻结帷幕平均温度/℃ 左侧墙 2.33 60.00 -11.21 正常段 右侧墙 2.07 52.25 -11.03 左侧墙 1.95 56.65 -10.24 喇叭口 右侧墙 1.90 52.10 -10.03 冻结至 45 d 时，冻结帷幕厚度均超过设计值， 冻结帷幕平均温度均低于-10℃，满足开挖条件。 由表 3 可以看出，同一部位喇叭口冻结帷幕有 效厚度都比正常段冻结帷幕有效厚度薄，因此，在 冻结过程需对喇叭口处冻结效果进行实时分析，保 证工程安全。 对比表 2、表 3 可知，主面灰色粉土层冻结帷幕 发展速度小于辅面灰色粉土层冻结帷幕最小发展速 度，这是由于辅面受到主、辅 2 侧冻结管加强冻结的 影响，地层吸收冷量大，因此，冻结效果比主面好。 4 数值模型建立及分析 4.1 模型建立 地铁联络通道冻结温度场的发展规律与其所处 地层的密度、比热容、导热系数以及施工过程盐水 温度变化有关。采用 ANSYS 有限元软件对上海轨 道交通 15 号线罗秀路站百色路站区间联络通道 冻结工程进行非线性瞬态热分析。 4.1.1 定义单元类型及材料属性 冻结过程温度场计算采用非线性瞬态热分 析，温度单元选用 SOLID70，联络通道处于灰色 粉土层与粉质黏土夹粉土层，各地层物理力学参 数见表 4。 4.1.2 建立数值模型并划分网格 考虑冻结施工对周边环境的影响， 计算模型边界 尺寸选取实际工程的 5 倍大小，长、宽、高分别为 30、24、36 m，隧道和冻结管按实际工程 1︰1 建立， 考虑冻结管偏斜及所处位置，在地层中共创建 68 根 ChaoXing 第 4 期 陈军浩等 滨海软土冻结温度场发展规律 179 89 mm8 mm 冻结管，并通过布尔运算将隧道、联络 通道和冻结管形成整体模型， 如图 6 所示。 对冻结管 区域附近网格密度设置 0.2 m，远离冻结管网格密度 设置 0.5 m，共划分 877 955 个单元，如图 7 所示。 表 4 地层物理力学参数表 Table 4 Physical and mechanical parameters of ation 土层 密度/kgm-3 内摩擦角/ 比热容/kJkg-1 K-1 导热系数/Wm-1K-1 淤泥质黏土 1 714 11.0 1.76 1.188 粉质黏土夹粉土 1 847 18.0 1.50 1.422 灰色粉土 1 918 32.0 0.90 1.896 褐灰色黏土 1 847 29.4 1.36 1.498 图 6 隧道和冻结管结构 Fig.6 Structural drawing of tunnel and freezing pipe 图 7 计算模型有限元网格 Fig.7 Finite element mesh of computing mode 4.1.3 施加荷载 根据气象资料和地层测温数据，假定本模型初 始地温为 24℃，盐水温度施加在冻结管边界上，冻 结天数为 3、10、18、30、45 d 时，盐水温度分别 为-18、-24、-26、-29 和-29℃。 4.1.4 温度场微分方程 人工冻结法施工过程，冻结区域的温度场呈非 线性瞬态热变化，从工程实测温度数据可以发现， 土体冻结是一个相变过程，所采用的温度场微分方 程[16]如下 222 v 222 qTTTc T xyz ρ λλτ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ 1 式中λ 为导热系数，W/mK；qv为单位体积的材 料在相变过程放出或吸收的热量，J/m3；ρ 为密度， kg/m3；c 为比热容，kJ/kg℃；T 为温度，℃。 4.2 计算结果与分析 冻结工程剖面云图分为 4 个阶段， 如图 8图 9 所示。 由图 8 可以得出，冻结第 11 天，冻结初期距离 冻结管近的土体温度较低，这是由于低温盐水通过 冻结管循环将周围土体温度转移，距离越近温度下 降越快，联络通道中心处顶部和底部与冻结管距离 较远，且地层导热系数低，导致冻结速度慢；通过 模拟结果分析，将冻结云图分为 4 个阶段，分别是 1～11、12～22、23～33、34～45 d，降温速率分别为 0.61、0.79、0.90 和 0.77℃/d，说明冻结开始时冻结 管交叉区域对温度场具有加速作用，随着冻结时间 增加，冻结交叉区域冻结效果减弱，各个部位冻结 差异逐渐减小。 由图 9 可知，冻结第 11 天，横排冻结管周围土 体温度比竖排冻结管周围土体温度低 0.9℃， 说明双 排管冻结效果比单排管冻结效果好；随着冻结时间 增加，冻结 22 d 联络通道中心位置温度下降，部分 土体温度降至 0℃以下，这是由于冻结机组调试稳 定，盐水温度已经下降至-27℃，且联络通道中心处 冻结管分布密集， 温度下降趋势明显； 直至第 45 天， 可以看出冻结帷幕厚度已超过 2 m，冻结效果良好， 满足开挖条件。 4.3 数值模拟结果与实测数据对比 为探究不同地层的模拟结果与实测数据之间的 关系，选择位于灰色粉土和粉质黏土夹粉土的测温 孔 C4 和 C13，测点位置分别位于入土深度 1.9 m 和 2.9 m 处。按照相同入土深度选取数值模型上的 M4 和 M13，编号分别为 M4-2 和 M13-2。 通过实测点与模拟点比较发现图 10，C4-2 和 M4-2 温度下降至 0℃时间分别为 29 d 和 27 d， 日平 均降温分别为 0.74、0.85℃。冻结初期，由于冻结 机组处于调试状态，温度下降规律并不统一，模拟 结果与实测数据温差较大，第 20 天温差最大值为 1.58℃。随着实测点和模拟点温度均下降至 0℃以 ChaoXing 180 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 8 不同冻结时间沿 z 轴剖面冻结温度场变化 Fig.8 Variation of freezing temperature field along z-axis profile 图 9 不同冻结时间沿 x 轴剖面冻结温度场变化 Fig.9 Variation of freezing temperature field along x-axis profile 下，实测值与模拟值温差缩小，冻结至第 45 天温差 最小值为 0.67℃。由于温度场模拟假设土体为均质 各向同性材料，但实际不同位置土体的物理力学指 标有小幅变化，因此，模拟结果比实测数据略小， 但温度变化规律基本相同。 通过比较降温曲线图 10可以看出， 曲线 C13-2 ChaoXing 第 4 期 陈军浩等 滨海软土冻结温度场发展规律 181 位于 C4-2 下方，这是由于测点 C13-2 处于主、辅面 冻结管交叉部位，周围土体吸收冷量多，导致温度 下降速度快且最终温度低。 当地层温度降至 0℃以下，周围水分迁移将受 到冻结帷幕的阻碍，但本文所建模型并未考虑渗流 边界条件，模拟点 M13-2 并未受到明显影响，而测 点 C13-2 因冻结帷幕阻碍水分转移而导致温度下降 趋势减小。因此，当温度降至 0℃后，实测与模拟 的温差扩大，但随着冻结过程的继续，最终温度逐 渐重合。 综上所述，模拟点与实测点温差较小，在 20 d 后，模拟结果与实测温度值出现略微偏差，但总体 降温趋势与实测值吻合。由于施工现场的不可预测 因素等影响，实测数据与模拟结果存在一些误差是 可接受的，可以认为，数值模型可以较为准确地描 述温度场发展规律。基于 ANSYS 有限元软件模拟 上海轨道交通 15 号线联络通道多地层温度场的发 展规律，得到不同冻结时期的温度场分布云图，可 以直观地看到联络通道冻结效果，并通过实测数据 与模拟数据比较，得出灰色粉土比粉质黏土夹粉土 冻结效果好。 图 10 实测与模拟温度偏差变化 Fig.10 Variation of measured and simulated temperature deviation 5 结 论 a. 地层压力可分为 3 个阶段，冻结初期土层中 存在固有压力； 当冻结至 28 d 时， 泄压孔开始涨压， 说明冻结管已经交圈；冻结至 36 d 后，泄压孔压力 保持稳定不变。 埋设冻结管期间注入一定量水泥浆， 一方面可降低土层液化，另一方面减小冻结过程冻 胀的影响。 b. 冻结过程中各测点温度变化趋势大致相同， 可分为 4 个阶段。靠近隧道管片测点受空气对流换 热影响，比埋设深度大的测点降温效果弱，且离冻 结管越近的土体降温幅度越大；冻结管外侧测孔受 非冻结区域的影响， 比冻结管内侧测孔降温速度慢， 建议冻结时加强对冻结不利区域温度监测，保证冻 结帷幕厚度和平均温度满足要求。 c. 根据盐水温度、泄压孔压力、地层温度场等 参量的综合评价，判断冻结帷幕达到设计要求，依 据各测温孔温度计算冻结发展速度，得到冻结帷幕 内外侧发展速度比值为 1.42，灰色粉土层、粉质黏 土夹粉土层降至 0℃的发展速度分别为 29.75 、 20.02 mm/d，说明灰色粉土层冻结效果比粉质黏土 夹粉土冻结效果好。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 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