城市地铁隧道冻结法施工水热耦合特性研究

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1、城市地铁隧道冻结法施工水热耦合特性研究　　摘要：本文以考虑相变的水热耦论理为论支撑，分析了地层温度场、水分场随时间的变化规律。计算分析表明：随着冻结时间的增加，冻结管周边土体的温度随之降低并逐渐发生冻结现象；冻结帷幕内存在的未冻结水，随着冻结时间的增加，其含量出现先增大后减小的变化趋势。冻结法施工使得隧道开挖上方土层竖向变形量处于可控范围。关键词:水热耦合；温度场；水分场；冻结法施工中图分类号：U45文献标识码：A1引言7在城市地铁施工中，冻结法施工已经成为一种较成熟的施工方法。冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有[]100多年的历时，我国采用冻

2、结法施工技术至今也已有40多年的历史[1-3]，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m.自1992年起，冻结法工艺被广泛应用于上海、北京、深圳、南京等城市地铁工程施工中。国内近年相继开展了关于地铁施工冻结问题的相应数值分析和试验研究。由于土体冻结过程受控于土体中的水分场、温度场、应力场及其变化规律，是一个典型的水热力耦合问题[4]，为此，李洪升等[5]提出了考虑水分迁移、热传导和约束压力之间耦合作用的土体冻胀量计算算法；许强等[6]则提出了三场耦合分析的一般数学格式和非线性数值求解的迭代方法。这些研究从不同侧面揭示了冻结效应，

3、但对冻结温度场，尤其是对冻结帷幕的扩展过程揭示、冻结帷幕内存在的冻结水的变化情况的研究都还不够。本文为解决上述问题，以数值模拟的方法对该过程进行了阐述、分析。2水热耦合理论土层冻结温度场的控制微分方程为：(1)土体中水分迁移方程为：(2)土体热流输运方程和水分迁移方程可通过下式建立联系：(3)上述式中：C为土体的容积热容量，J/(m3.℃)；λ为土体的导热系数，J/(sec.m.℃)；L为冰水的相变潜热，J/m3；和分别为冰和水的密度，kg/m3；和分别为土体的体积含冰量和液相水体积含量，D为土体的水分扩散系数，T和Tm分别为土体的温度和冻结临界温度，℃；t为时间，se

4、c。利用方程（1）、（2）、（3）可得：(4)7式中：为土层的等效容积热容量，J/(m3·℃)；为等效导热系数，J/(sec·m·℃)。其表达式分别为：(5)整个求解区域内土体的导热系数λ、容积热容量C分别由下式决定：(6)(7)土层水分扩散系数也相应取为分段函数：(8)通过求解，即建立起了求解冰水相变和液态水迁移问题的数学模型。3工程算例某城市地铁隧道自上而下依次为淤泥土，粉质粘土、粉土、粉砂、粉质粘土。隧道采用人工水平冻结实施开挖。图1为该隧道冻结施工冻结孔布置图，隧道断面为半圆拱直墙式，直墙宽2.5m，高1.5m，拱形部分宽2.5米，高1.25m。冻结孔的布置均采

5、取在隧道两侧打孔方式进行，共施工冻结孔44个，测温孔6个，冻结管为直径110mm，壁厚8mm的无缝钢管。地层冻结供冷工艺设计参数和指标如下：积极冻结盐水温度为-24～-28oC，积极冻结时间为47d。图1冻结孔布置7图2为该隧道有限元计算模型，模型水平方向取60m，竖向取55m，拱顶埋深25m。地层采用平面三角形单元进行模拟，冻结管采用可输入参数（冻结管周长、循环冻结液温度时间变化曲线）的点单元进行模拟。计算范围地层中均设置为理想砂粘土层，砂粘土层体积含水量为31%，天然重度为18.9kN·m-3，弹性模量为5.4MPa，泊松比为0.35，粘聚力为40.5kPa，内摩擦

6、角为7.4°，土体热传导系数为0.28MJ/(sec.m.℃)，容积热容量1.78MJ/(m3.℃)，相变温度0℃，未冻结前整个地层天然温度为15℃。特别的，图中不规则的粗蓝实线为冻结锋面（0℃线）图2有限元计算模型3.1地层温度场图2为温度监测点A、B、C、D、E所处位置，图中实心小三角形代表冻结管，提取温度监测点温度随时间的变化曲线如图3所示。从图3可知：A、B、C、D、E各点温度都随冻结时间的增加而减小，处于冻结管旁边的C点温度下降最快，在冻结约7d后就进入了负温，其次是离冻结管较近的D点，大致冻结16d后进入负温；A、B、E、F四点的温度尽管都在下降，但在47d

7、的积极冻结期一直未进入负温，处于冻结帷幕边缘（蓝色粗实线区域）。图3监测点的温度变化曲线7图4、图5和图6分别是冻结12d、20d和47d后隧道周边的温度场分布图。图中，粗黑实线为开挖轮廓线，不规则的粗蓝实线为冻结锋面（0℃线），相邻两条冻结锋面之间为冻结区域，实心小三角形代表冻结管。由图可见：12d时隧道周边出现部分负温区，冻结现象微弱，20d时在冻结管周边出现了较大片负温区，且各冻结管周边的冻结区域开始相互交融，初现很薄且不均匀的冻结帷幕，47d相对20d冻结帷幕已经进一步扩展，其最厚约1.4m、最薄约1.0m，已经达到了冻结帷幕厚度