胡 俊

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南海口 570228)

盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有深層攪拌法、高壓旋噴法、SMW工法、凍結(jié)法、注漿法、素混凝土灌注樁法和降水法等。土體加固可以采用一種或多種工法相結(jié)合的加固手段。加固方式可以分為以下兩大類:①化學(xué)加固方式(高壓旋噴法、深層攪拌法、注漿法、素混凝土灌注樁法等);②物理加固方式(凍結(jié)法、降水法等)［1-4］。對于軟土地區(qū)，當(dāng)受地面環(huán)境限制無法進行攪拌樁和旋噴樁施工，或是在化學(xué)加固后探孔時發(fā)現(xiàn)有嚴重的漏水漏砂現(xiàn)象時，可采用垂直凍結(jié)工法進行加固。垂直凍結(jié)工法采用板狀凍結(jié)加固理論設(shè)計，在盾構(gòu)隧道端頭布置一定數(shù)量的垂直凍結(jié)孔，經(jīng)凍結(jié)后在洞門處形成板狀凍土帷幕來抵抗盾構(gòu)破壁時的水土壓力，防止土層塌落和泥水涌入工作井內(nèi)［5-6］。凍結(jié)管直徑通常在68～168 mm之間，水平凍結(jié)管直徑一般為89和108 mm，而垂直凍結(jié)加固凍結(jié)管直徑通常為127，146，159和168 mm。本文結(jié)合南京地鐵10號線過江隧道盾構(gòu)始發(fā)工程，運用有限元分析軟件，在其它影響因素不變的情況下，凍結(jié)管直徑分別取為127，146，159和168 mm，對該四種凍結(jié)管直徑所形成的垂直凍土壁進行模擬計算，以研究凍結(jié)管直徑對垂直凍土壁溫度場發(fā)展的影響。

1 工程背景

南京地鐵10號線過江隧道區(qū)間大直徑盾構(gòu)始發(fā)井長21 m，寬19.4 m，底板埋深約30.5 m，圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式。盾構(gòu)機主機長14.5 m，開挖直徑為12.03 m，東端頭盾構(gòu)隧道中心埋深為21.052 m。根據(jù)勘察資料［7］可知東端盾構(gòu)始發(fā)井處于高水壓砂性地層，該地層具有滲透系數(shù)大、地下水壓力高和地層承載能力差等特點。始發(fā)端頭所處地層自上而下依次為:①-2素填土層，②-1a2-3黏土層，②-2b-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，②-3d3-4粉砂、細砂層，②-5d1粉砂、細砂層。端頭隧道頂板位于②-2b-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，底板位于②-3d3-4粉砂、細砂層，主要穿越②-3d3-4粉砂、細砂層。盾構(gòu)始發(fā)時所涉及土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。在不良地質(zhì)和高水壓等因素影響下，盾構(gòu)始發(fā)作業(yè)有很大風(fēng)險，應(yīng)對端頭土體進行加固。

鑒于以上情況，本始發(fā)工程采用三軸深層攪拌樁+垂直凍結(jié)的加固方式，具體為:采用φ1000@750三軸攪拌樁作為盾構(gòu)井端頭主要加固方式，加固范圍為盾構(gòu)隧道兩側(cè)5 m，從地面標(biāo)高加固至拱底6 m，沿盾構(gòu)掘進方向縱向加固17 m。為提高攪拌樁加固土體與中間風(fēng)井圍護結(jié)構(gòu)的膠結(jié)強度，在東端盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)沿掘進方向布置2排垂直凍結(jié)管。實際采用的加固方式及范圍如圖1所示。

表1 始發(fā)端頭相關(guān)土層主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 實際采用的加固方式及平面范圍(單位:mm)

垂直凍結(jié)采用2排凍結(jié)孔，插花布置。A排距地連墻0.4 m，B排距A排0.8 m，孔間距為0.8 m。A排布置29個，B排布置28個，總計57個凍結(jié)孔。每個凍結(jié)孔長度為31.152 m，總鉆孔深度為1 796 m。凍結(jié)管采用φ127 mm×4.5 mm無縫鋼管，供液管選用φ48 mm×3.5 mm無縫鋼管。積極凍結(jié)期鹽水溫度為－28℃ ～－30℃，維護凍結(jié)期鹽水溫度為 －25℃ ～－28℃。積極凍結(jié)時間取30 d。

2 溫度場三維數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定

計算中基本假定如下:①工程所在位置計算范圍內(nèi)各土層均水平分布;②土層視為均質(zhì)、熱各向同性體;③土層具有均勻初始溫度場;④忽略鹽水循環(huán)的影響，直接將溫度荷載施加到凍結(jié)管壁的節(jié)點上;⑤熱物理參數(shù)分層穩(wěn)定，忽略水分遷移的影響。

2.2 計算模型和參數(shù)選取

溫度場計算模型采用帶相變的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型。根據(jù)建議采用的凍結(jié)孔布置方案，考慮到現(xiàn)場問題的對稱性并為了提高計算效率，本模型取一半模擬。以掌子面正上方地表點為坐標(biāo)原點，取縱向長度(X軸)3 m，橫向?qū)挾?Y軸)12 m，垂直距離(Z軸)32 m。本模型選取了四節(jié)點網(wǎng)格劃分格式，對凍結(jié)管周圍區(qū)域進行局部網(wǎng)格細化處理。計算模型共劃分815 788個單元，149 000個節(jié)點。

根據(jù)從工程現(xiàn)場取土進行凍土試驗［8］，三軸深層攪拌樁加固后的土體熱物理參數(shù)如表2所示。由于該端頭進行了三軸深層攪拌樁加固，根據(jù)經(jīng)驗受水泥水化熱影響后的地層溫度將會提高約10℃，一般地層10 m以下恒溫帶溫度為19℃～20℃，故凍結(jié)前水泥改良后地層初始溫度取30℃，并在整體模型邊界面上保持不變。計算區(qū)域的外邊界看作絕熱邊界，凍結(jié)管表面為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載。根據(jù)降溫計劃，取凍結(jié)時間步為40 d，每步時間長為24 h。

表2 水泥加固后土體熱物理參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比

為了檢驗有限元計算模型的模擬效果，將現(xiàn)場實測凍結(jié)過程的溫度數(shù)據(jù)與有限元計算數(shù)據(jù)進行對比，典型溫度時間曲線見圖2。可見實測溫度值和數(shù)值計算溫度值變化趨勢基本一致，數(shù)值計算溫度曲線相對光滑。數(shù)值模擬計算方法及所選模型和參數(shù)基本正確，較好地模擬了真實情況，故用該模型來模擬盾構(gòu)始發(fā)時垂直凍結(jié)壁溫度場的變化過程是可行的。

圖2 數(shù)值模擬值與實測值對比曲線

圖3 凍結(jié)管直徑127 mm，z=0剖面不同時間的0℃等溫線

3 溫度場計算結(jié)果和分析

基于以上溫度場數(shù)值模型，在其它影響因素不變的情況下，凍結(jié)管直徑分別取為127，146，159和168 mm進行模擬計算，以研究凍結(jié)管直徑對溫度場的影響。

3.1 0℃等溫線

圖3為凍結(jié)管直徑127 mm，z=0剖面不同時間的0℃等溫線。

凍結(jié)4 d時，不同凍結(jié)管直徑0℃等溫線基本以凍結(jié)管為圓心呈同心圓分布，A排凍結(jié)管形成的凍土圓柱大于B排凍結(jié)管形成的凍土圓柱，這主要是因為B排凍結(jié)管周圍未凍土多，凍結(jié)所需冷量較大。凍結(jié)管直徑越大，所形成的0℃等溫線凍土圓柱的直徑也越大。此時，只有凍結(jié)管直徑168 mm的凍結(jié)管之間即將交圈。凍結(jié)5 d時，凍結(jié)管直徑168 mm的止水承重凍土墻已經(jīng)形成。凍結(jié)管直徑159 mm的雙排凍結(jié)管已經(jīng)交圈，但是連續(xù)的凍土墻還未形成，兩排凍結(jié)管之間、A排凍結(jié)管與圍護結(jié)構(gòu)之間還存在著未凍區(qū)域。凍結(jié)管直徑146 mm的A排和B排凍結(jié)管已經(jīng)開始交圈，但是排與排之間并未交圈。凍結(jié)管直徑127 mm的各凍土圓柱的半徑不斷地擴大。凍結(jié)6 d時，凍結(jié)管直徑168 mm所形成的垂直凍結(jié)墻繼續(xù)向外發(fā)展。凍結(jié)管直徑146和159 mm的連續(xù)的凍土墻已經(jīng)形成。凍結(jié)管直徑127 mm的A排凍結(jié)管和B排凍結(jié)管開始交圈，并且兩排凍結(jié)管也相互交圈。凍結(jié)7 d時，凍結(jié)管直徑168，146和159 mm所形成的垂直凍結(jié)墻繼續(xù)向外發(fā)展。凍結(jié)管直徑127 mm的連續(xù)的凍土墻已經(jīng)形成。此時不同凍結(jié)管直徑的連續(xù)垂直凍土墻都已經(jīng)形成，所形成的凍土墻厚度相差不大。從凍結(jié)7 d開始一直到凍結(jié)40 d為止，不同凍結(jié)管直徑的垂直凍結(jié)壁繼續(xù)發(fā)展，交圈后0℃等溫線的弧度逐漸變緩趨于直線，凍土墻的擴展速度也逐漸變緩，凍土墻厚度不斷增大。

由此可知，不同凍結(jié)管直徑的凍結(jié)壁交圈時間即形成閉合的垂直凍土墻的時間分別為:凍結(jié)管直徑127 mm為7 d，凍結(jié)管直徑146 mm為6 d，凍結(jié)管直徑159 mm為5.5 d，凍結(jié)管直徑168 mm為5 d。垂直凍土墻交圈時間與凍結(jié)管直徑的關(guān)系如圖4所示，凍結(jié)管直徑每增加1 cm，凍結(jié)壁交圈時間減小約12 h。隨著凍結(jié)管直徑的增大，凍結(jié)壁交圈時間呈線性減小。

3.2 0℃與－10℃等溫線的對比

圖5為不同凍結(jié)管直徑z=0剖面凍結(jié)30 d，40 d的0℃和－10℃等溫線。

圖4 垂直凍土墻交圈時間與凍結(jié)管直徑的關(guān)系

1)凍結(jié)30 d時，不同凍結(jié)管直徑的0℃和－10℃等溫線的位置基本一致，即－10℃等溫線的凍土墻厚度基本一致，約為1.6 m。凍結(jié)管直徑168 mm的－10℃等溫線凍土墻厚度要比凍結(jié)管直徑127 mm的大約0.1 m。0℃等溫線的凍土墻厚度比－10℃等溫線還要厚約0.2～0.3 m。

圖5 不同凍結(jié)管直徑z=0剖面凍結(jié)30，40 d的0℃和－10℃等溫線

2)凍結(jié)40 d時，不同凍結(jié)管直徑的0℃和－10℃等溫線的位置也基本一致，－10℃等溫線的凍土墻厚度基本為1.8 m。凍結(jié)管直徑168 mm的0℃等溫線與－10℃等溫線之間的距離要比凍結(jié)管直徑127 mm的大約0.1 m。同樣，凍結(jié)管直徑168 mm的－10℃等溫線凍土墻厚度要比凍結(jié)管直徑127 mm的大約0.1 m。

由此可知，不同凍結(jié)管直徑最終形成的－10℃等溫線的凍土墻厚度相差很小，凍結(jié)30 d時約為1.6 m，凍結(jié)40 d時約為1.8 m。凍結(jié)30 d后，不同凍結(jié)管直徑所形成的垂直凍土壁厚度均可＞1.6 m。

4 結(jié)語

1)實測溫度值和數(shù)值計算溫度值總體變化趨勢基本一致，數(shù)值計算溫度曲線相對光滑，用數(shù)值模型來模擬盾構(gòu)始發(fā)時垂直凍結(jié)壁溫度場的變化過程是可行的。

2)不同凍結(jié)管直徑的凍結(jié)壁交圈時間即形成閉合的垂直凍土墻的時間分別為:凍結(jié)管直徑127 mm為7 d，凍結(jié)管直徑146 mm為6 d，凍結(jié)管直徑159 mm為5.5 d，凍結(jié)管直徑168 mm為5 d。凍結(jié)管直徑每增加1 cm，凍結(jié)壁交圈時間減小約12 h。隨著凍結(jié)管直徑的增大，凍結(jié)壁交圈時間呈線性減小。

3)不同凍結(jié)管直徑－10℃等溫線的凍土墻厚度相差很小，凍結(jié)30 d時約為1.6 m，凍結(jié)40 d時約為1.8 m。凍結(jié)30 d后，不同凍結(jié)管直徑所形成的垂直凍土壁厚度均可＞1.6 m。

［1］胡俊，楊平，董朝文，等.盾構(gòu)始發(fā)端頭化學(xué)加固范圍及加固工藝研究［J］.鐵道建筑，2010(2):47-51.

［2］胡俊，楊平，董朝文，等.蘇州地鐵一號線盾構(gòu)隧道端頭加固方式現(xiàn)場調(diào)查研究［J］.鐵道建筑，2010(11):32-35.

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［4］胡俊.蘇州地鐵盾構(gòu)隧道端頭加固方式及其關(guān)鍵問題研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2009.

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［6］胡俊.高水壓砂性土層地鐵大直徑盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方式研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2012.

［7］江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.南京地鐵十號線(西延線)DW-XK01-0000-1006標(biāo)江心洲～中間風(fēng)井區(qū)間巖土工程初步勘察報告［R］.南京:江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2011.

［8］胡俊.水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性試驗研究［J］.鐵道建筑，2013(4):156-159.