陳 成，楊 平，張 婷

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210037)

0 引言

盾構(gòu)法長(zhǎng)距離掘進(jìn)中容易出現(xiàn)盾尾鋼絲刷磨損銹蝕而失去其密封作用，從而需要進(jìn)行更換.凍結(jié)法形式靈活，適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，加固體均勻完整［1－4］，對(duì)環(huán)境影響小在盾尾刷更換中具有廣闊的應(yīng)用前景.

凍土自然解凍速度非常緩慢，強(qiáng)制解凍能顯著的加快凍土解凍速度.人工強(qiáng)制解凍利用熱水加熱系統(tǒng)通過(guò)熱水和凍土體的溫度交換加快凍土體的解凍，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，施工經(jīng)濟(jì)安全［5－9］.筆者借助大型有限元軟件ADINA建立人工強(qiáng)制解凍三維模型，對(duì)杭州慶春路過(guò)江隧道更換盾尾刷人工強(qiáng)制解凍溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析.

1 工程概況

杭州慶春路錢(qián)塘江過(guò)江隧道采用大型泥水加壓式盾構(gòu)進(jìn)行推進(jìn)，其中右線盾構(gòu)段長(zhǎng)1765.72 m，右線盾構(gòu)隧道出現(xiàn)漏漿，伴隨油脂、同步注漿漿液和少量砂礫的泥漿被擠出.分析原因系盾尾密封失效，通過(guò)對(duì)盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行檢查分析，決定采用更換并增加盾尾刷的措施進(jìn)行處理，以保證后續(xù)盾構(gòu)的安全掘進(jìn).

盾構(gòu)隧道上覆層深度22.9 m左右，主要為粉、砂性土層，受錢(qián)塘江沖刷作用，呈現(xiàn)中間薄南北兩側(cè)略厚.隧道掘進(jìn)段主要為孔隙承壓水，賦存于下部⑦層、⑧層砂及圓礫、卵石層內(nèi)，實(shí)測(cè)承壓水壓力為0.3 MPa，為此采用液氮凍結(jié)進(jìn)行盾尾密封加固，其測(cè)溫孔布置見(jiàn)圖1.

圖1 測(cè)溫孔布置斷面圖Fig.1 Section and elevation of temperature measurment hole’s laying

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 幾何模型

根據(jù)對(duì)稱性，3-D模型取1/4杭州慶春路錢(qián)塘江過(guò)江隧道的實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)受到凍結(jié)影響半徑的范圍為凍結(jié)圈布置半徑的5倍原則，3-D模型取隧道管片一周厚度5 m的扇形土體，沿隧道走向取6 m(為3環(huán)管片寬度).管片厚度按實(shí)際尺寸取0.5 m厚度.實(shí)際工程中解凍熱盤(pán)管采用內(nèi)徑為φ40×4的不銹鋼管，解凍管共設(shè)5根，在凍結(jié)管中心布置1根，兩側(cè)分別布設(shè)3根和1根，相鄰熱盤(pán)管間距為0.3 m，但考慮到解凍熱盤(pán)管的保溫，模型中以原凍結(jié)孔為中心取寬度1.2 m厚0.1 m的環(huán)形加熱區(qū).幾何模型如圖2所示.

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

2.2 參數(shù)選擇

在人工強(qiáng)制解凍溫度場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，為了獲取土體等材料的基本熱物理參數(shù)，如土體的導(dǎo)熱系數(shù)、容積熱容量、相變潛熱等，需要在現(xiàn)場(chǎng)取土在實(shí)驗(yàn)室中得出數(shù)據(jù)，本文有限元模型土體導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容量采用了杭州地區(qū)典型土層熱物理參數(shù)的研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算.

2.3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

傳熱的基本形式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，液氮凍結(jié)土體的過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的、沒(méi)有內(nèi)熱源的過(guò)程，可以得出模型的三維導(dǎo)熱方程為

人工強(qiáng)制解凍溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)主要施加的荷載為：

(1)隧道內(nèi)空氣與管片之間為散熱邊界，液氮解凍期間隧道內(nèi)的環(huán)境溫度基本維持在28℃左右，取該溫度施加在管片內(nèi)壁作為溫度荷載，混凝土管片的導(dǎo)熱系數(shù)取2.94 W/(m·℃)，容積熱容量取1 040 J/(kg·℃).

(2)土體及管片采用凍結(jié)期間的荷載作為解凍的初始荷載條件.

(3)解凍熱盤(pán)管中熱水循環(huán)溫度取70℃作為解凍溫度荷載.

2.4 土層參數(shù)選擇

計(jì)算用土層參數(shù)為杭州地區(qū)典型土層熱物理參數(shù)試驗(yàn)參數(shù)，詳見(jiàn)表1

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值比較

杭州慶春路過(guò)江隧道液氮凍結(jié)工程中，由于解凍時(shí)熱水箱溫度不是維持恒定不變的，且盾尾鋼板的傳熱導(dǎo)致解凍實(shí)測(cè)相變時(shí)間比數(shù)值模擬的相變時(shí)間要短，現(xiàn)比較測(cè)溫孔埋設(shè)位置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的解凍曲線，如圖3所示，兩者基本一致，數(shù)值模擬相變的時(shí)間較長(zhǎng)，且拐點(diǎn)更加明顯.主要是由于實(shí)際工程中存在著循環(huán)熱水溫度不恒定，土體不是均質(zhì)的各向同性體，以及地下高承壓水的不穩(wěn)定性等因素.同時(shí)數(shù)值模擬中的參數(shù)取值并沒(méi)有和凍結(jié)位置的土體參數(shù)完全吻合也是主要的影響因素.

表1 盾構(gòu)穿越土層的主要熱物理指標(biāo)Tab.1 The main physical and mechanical indicators of soil shield through

圖3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比分析曲線Fig.3 The numerical simulation and actual values contrast analysis curve

3.2 溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化

沿盾構(gòu)推進(jìn)方向，在凍結(jié)管兩側(cè)各取距離凍結(jié)管中心4.5，50和100 cm 3個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)管片與土體接觸界面的溫度進(jìn)行分析，為研究各測(cè)點(diǎn)在凍土完全解凍過(guò)程中的溫度變化規(guī)律，分別取總時(shí)間步長(zhǎng)為240 h繪制其降溫曲線如圖4.

圖4 解凍5 d等溫線云圖Fig.4 Isotherms 5 days after thawing

圖5可以得出人工強(qiáng)制解凍的溫度變化主要分為3個(gè)階段，第一個(gè)階段為快速升溫階段，在軸面附近為48 h，而在凍土壁邊緣為24 h，在這個(gè)階段凍結(jié)區(qū)和降溫區(qū)的溫度隨著對(duì)流邊界和熱水循環(huán)盤(pán)管的影響而上升.距離原凍結(jié)管中心4.5 cm處(軸面處)初始溫度低，與解凍熱水的溫差大，升溫空間大，解凍期間溫度上升速率最快，表現(xiàn)在升溫曲線前期的斜率較大，在4個(gè)時(shí)間步內(nèi)的升溫速率為2.22℃/h;距離凍結(jié)管中心50 cm處(即凍結(jié)壁邊緣處)節(jié)點(diǎn)溫度上升速率較快，但較之4.5 cm處曲線較平緩，在2個(gè)時(shí)間步內(nèi)的升溫速率為0.137℃/h;距離凍結(jié)管中心100 cm處因處于非凍結(jié)區(qū)，所以節(jié)點(diǎn)溫度上升較慢，在5個(gè)時(shí)間步內(nèi)的升溫速率為0.089℃/h.第二個(gè)階段為相變階段，圖中溫度維持在－1℃的平臺(tái)位置，隨著離軸面距離的增大，管片與土體接觸面的相變階段時(shí)間延長(zhǎng)，4.5 cm處36 h，50 cm處為60 h;100 cm處因初始溫度處于未凍狀態(tài)，不存在相變階段.第三階段為溫度上升階段，此階段主要是依靠熱水盤(pán)管吸收凍土體中的冷量來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

圖6給出了解凍時(shí)管片與土體接觸面上不同位置的溫度變化值，在凍結(jié)管中心兩側(cè)距離軸面越遠(yuǎn)溫度越高.隨著解凍時(shí)間的延長(zhǎng)，各節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正溫后溫度繼續(xù)升高，逐漸接近隧道的環(huán)境溫度.圖中左右兩側(cè)的溫度上升值不一致，主要是因?yàn)榭拷芪蹭摪迩皞?cè)熱水盤(pán)管布設(shè)為3根，提供熱量較多;盾尾后方熱水盤(pán)管只布設(shè)1根，熱量相比較少.

人工強(qiáng)制解凍目的是加速土體解凍，解凍溫度場(chǎng)的變化是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，受解凍管中熱水溫度的影響，同時(shí)也受管片導(dǎo)熱性能的影響，自然解凍相對(duì)于人工強(qiáng)制解凍慢(見(jiàn)圖7).人工強(qiáng)制解凍60 h進(jìn)入相變，相變歷經(jīng)36 h;自然解凍84 h進(jìn)入相變，相變歷經(jīng)72 h.強(qiáng)制解凍大大縮短了解凍時(shí)間，有利于盾構(gòu)機(jī)盡早繼續(xù)推進(jìn).

4 溫度場(chǎng)敏感性分析

4.1 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)人工強(qiáng)制解凍的影響主要反映在相變發(fā)生時(shí)和正溫階段，相變時(shí)間隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大而延長(zhǎng)，相變結(jié)束后正溫階段溫度隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小而增大，這與土體中溫度的變化是相反的.主要原因是，盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)的前提條件是土體與管片接觸面的解凍，而土體導(dǎo)熱系數(shù)越大，土體負(fù)溫對(duì)管片與土體接觸面上溫度影響越大，因此相變需要時(shí)間越長(zhǎng)，而相應(yīng)的相變結(jié)束后接觸面上需要吸收更多的熱量來(lái)升高溫度，而導(dǎo)熱系數(shù)越大，土體負(fù)溫對(duì)接觸面的影響也就越大，升溫的阻力也越大，因而接觸面的溫度越低.圖8表現(xiàn)了隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，解凍完成的時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，但導(dǎo)熱系數(shù)增大至一定數(shù)值，解凍完成時(shí)間穩(wěn)定不變.

4.2 容積熱容量對(duì)溫度場(chǎng)的影響

在土體凍結(jié)的過(guò)程中，隨著容積熱容量增加，熱量傳遞減慢，在解凍過(guò)程中，隨著凍土體容積熱容量的增大，土體的儲(chǔ)冷性能隨之提高，熱量傳遞隨之減緩.反映在相變過(guò)程中，隨著凍土和融土容積熱容量的增大，土體相變的時(shí)間延長(zhǎng)，正溫階段的溫度上升減緩，從而導(dǎo)致人工強(qiáng)制解凍的周期變長(zhǎng)，如圖9所示.

4.3 循環(huán)熱水溫度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖10反映了解凍完成時(shí)間隨循環(huán)熱水溫度的變化曲線，隨著循環(huán)熱水的溫度的提高，解凍完成時(shí)間明顯縮短，在循環(huán)熱水到達(dá)80℃以上時(shí)，對(duì)解凍時(shí)間的縮短影響已經(jīng)不大，說(shuō)明循環(huán)熱水溫度提高到一定數(shù)值，解凍完成時(shí)間趨于穩(wěn)定.

4.4 相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響

土體的相變潛熱越大，凍土體的相變時(shí)間就越長(zhǎng).圖11中隨著相變潛熱的變化，相變過(guò)程的時(shí)間變化明顯，當(dāng)相變潛熱增加時(shí)，相變過(guò)程的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，反之則縮短.相變潛熱減小40%時(shí)，相變時(shí)間60 h;相變潛熱增加40%時(shí)，相變時(shí)間96 h，說(shuō)明相變潛熱的改變對(duì)相變時(shí)間影響較明顯，管片與土體接觸界面的解凍時(shí)間與相變潛熱近似呈線性關(guān)系.

圖11 解凍時(shí)間隨相變潛熱變化曲線Fig.11 Latent changing curve when thawing

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)杭州慶春路錢(qián)塘江過(guò)江隧道盾尾刷更換工程的人強(qiáng)制解凍溫度場(chǎng)有限元分析，主要獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)人工強(qiáng)制解凍較自然解凍大大縮短了時(shí)間，加速了盾構(gòu)機(jī)的重新推進(jìn).

(2)數(shù)值模擬計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的適用性.

(3)土體導(dǎo)熱系數(shù)在減小40%至增大20%范圍內(nèi)，強(qiáng)制解凍所需時(shí)間隨土體導(dǎo)熱系數(shù)的增大而延長(zhǎng).

(4)容積熱容量在減小40%至增大40%范圍內(nèi)，強(qiáng)制解凍所需時(shí)間隨土體容積熱容量的增大而延長(zhǎng).

(5)循環(huán)熱水溫度在60℃ ～80℃范圍內(nèi)，強(qiáng)制解凍所需時(shí)間隨循環(huán)熱水溫度升高而縮短.

(6)強(qiáng)制解凍的時(shí)間隨土體相變潛熱的增大而延長(zhǎng)，且兩者近似為線性關(guān)系.

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