拱北隧道管幕凍結(jié)溫度場(chǎng)分析

拱北隧道管幕凍結(jié)溫度場(chǎng)分析

香港珠澳大橋拱北隧道位于軟土層中，隧道垂直下有一個(gè)大曲線。為了解決拱北隧道施工的問(wèn)題，采用了一種曲線管牧場(chǎng)法和凍結(jié)法。溫度場(chǎng)的發(fā)展與分布規(guī)律是凍結(jié)工程中重要的研究?jī)?nèi)容之一,研究手段主要有解析法、模擬法和數(shù)值計(jì)算方法等。管幕凍結(jié)法作為一種全新的工法,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于該方面的研究與應(yīng)用還不多。胡向東等以上研究均以簡(jiǎn)化模型或簡(jiǎn)化溫度荷載的加載過(guò)程為基礎(chǔ),對(duì)拱北隧道凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè),未完全考慮工程實(shí)際工況。本文以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況為基礎(chǔ),利用凍結(jié)溫度場(chǎng)疊加的數(shù)值模擬方法1凍結(jié)管的布置港珠澳大橋拱北隧道采用管幕凍結(jié)暗挖法施工,在隧道開(kāi)挖面周?chē)贾?6根直徑為1620mm的鋼管組成鋼管管幕,其中奇數(shù)頂管用混凝土填充,并在兩腰處布置2根直徑為133mm的圓形凍結(jié)管作為主力凍結(jié)管,為控制凍土體積發(fā)展過(guò)大,在遠(yuǎn)離開(kāi)挖面一側(cè)布置直徑為159mm的限位管,必要時(shí)循環(huán)熱鹽水;偶數(shù)頂管為未充填混凝土的空頂管,在偶數(shù)頂管兩腰處焊接125mm×125mm×8mm的角鋼構(gòu)成異形凍結(jié)管,如圖1所示。港珠澳大橋拱北隧道暗挖段長(zhǎng)約255m,為掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)發(fā)展情況,工程中沿隧道縱向等間距布置了32個(gè)溫度監(jiān)測(cè)斷面,相鄰監(jiān)測(cè)斷面相距8m,由東往西依次編號(hào)為1號(hào)—32號(hào),如圖2所示。2維凍結(jié)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)于不含內(nèi)熱源的二維溫度場(chǎng),其溫度場(chǎng)的控制微分方程未凍結(jié)區(qū)凍結(jié)區(qū)土體結(jié)冰時(shí)釋放出的潛熱為:式中:T式(1)的初始條件為:式中:T在模型中將凍結(jié)管視為單一的點(diǎn),則凍結(jié)管的邊界條件為:式中:(X在距離凍結(jié)管中心無(wú)限遠(yuǎn)處土體溫度為:以上溫度場(chǎng)控制方程式(1)—式(3)、初始條件式(4)和邊界條件式(5)及式(6)構(gòu)成了二維溫度場(chǎng)的定解問(wèn)題。3計(jì)算模型的構(gòu)建3.1數(shù)值模型的建立本文主要考慮積極凍結(jié)期溫度場(chǎng)的分布及發(fā)展規(guī)律,不考慮限位管的作用。為便于數(shù)值計(jì)算,進(jìn)行如下的基本假定①假設(shè)各土層呈水平狀分布,且相同層位的未凍土和凍土均為各向同性材料;②忽略不同土層之間熱阻對(duì)熱傳導(dǎo)的影響;③不考慮水分遷移的影響;④鋼管、混凝土和空氣的熱學(xué)參數(shù)不隨溫度變化;⑤不考慮模型與外界進(jìn)行熱量交換,假定模型的外邊界為絕熱邊界。數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示,采用三角形自由剖分網(wǎng)格。模型尺寸為36.85m×36.45m,由上至下的土層依次為:人工填土(7m)、中礫砂(3m)、淤泥質(zhì)黏土(5m)、粉質(zhì)黏土(4m)、中砂(7.7m)、礫質(zhì)黏土(3.1m)和風(fēng)化花崗巖(6.65m)。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可得材料參數(shù)(表1)。3.2溫度和邊界條件土體的初始溫度取20℃;圓形凍結(jié)管溫度T3.3d時(shí)開(kāi)啟凍結(jié)前土體的初始溫度為20℃,圓形凍結(jié)管先開(kāi)啟31d,異形凍結(jié)管在凍結(jié)至32d時(shí)開(kāi)啟。圓形凍結(jié)管和異形凍結(jié)管邊界為熱荷載邊界,將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的圓形凍結(jié)管和異形凍結(jié)管鹽水去路溫度作為溫度荷載,直接分別加到圓形凍結(jié)管和異形凍結(jié)管的邊界上。根據(jù)積極凍結(jié)期的降溫計(jì)劃,取凍結(jié)時(shí)間為90d,每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為1d。4數(shù)值計(jì)算和分析4.1模擬溫度和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度對(duì)比5號(hào)溫度測(cè)面(圖2)中6號(hào)頂管(D6)上的溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示,其中S1—S5分別表示設(shè)置于6號(hào)頂管測(cè)溫孔上的5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的合理性,選取5號(hào)溫度監(jiān)測(cè)斷面上6號(hào)頂管測(cè)溫孔中的S2和S3測(cè)溫點(diǎn),進(jìn)行模擬溫度和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度比對(duì)分析,如圖5所示。兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度和模擬溫度變化規(guī)律基本一致,其中D6-S2測(cè)點(diǎn)的模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度最大相差1.8℃,D6-S3測(cè)點(diǎn)的模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度最大相差1.9℃,2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度和模擬溫度同一時(shí)刻的誤差均滿足要求,因此,采用數(shù)值計(jì)算對(duì)管幕凍結(jié)法溫度場(chǎng)的分布和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析是可行的。4.2凍結(jié)管圈內(nèi)凍土越界見(jiàn)表1凍結(jié)過(guò)程中溫度場(chǎng)變化如圖6所示,為了解頂管周?chē)鷥鐾玲∧坏陌l(fā)展情況,同時(shí)截取淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中部分頂管周?chē)臏囟葓?chǎng)云圖。如圖6所示,積極凍結(jié)過(guò)程中,凍土帷幕以凍結(jié)管圈為同心圓圈,逐漸向凍結(jié)管圈內(nèi)側(cè)和凍結(jié)管圈外側(cè)發(fā)展,且凍結(jié)管圈內(nèi)側(cè)凍土帷幕比外側(cè)的發(fā)展速度快,這種趨勢(shì)在頂管間形成連續(xù)的凍土帷幕后愈發(fā)凸顯;在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中,凍結(jié)約30d時(shí),實(shí)頂管完全被凍土所包裹,且凍土已經(jīng)由實(shí)頂管發(fā)展至空頂管邊緣;頂管間初步形成連續(xù)的凍土帷幕,但未達(dá)到封水的性能要求;凍結(jié)50d時(shí),空頂管完全被凍土所包裹;凍結(jié)90d時(shí),凍土帷幕的平均溫度約為-11℃。4.3土體等距布置為更好地研究溫度場(chǎng)的發(fā)展和分布規(guī)律,在7號(hào)頂管、8號(hào)頂管及兩頂管間的土體中共設(shè)置6條溫度研究路徑(路徑1—路徑6)。路徑1(1號(hào)—5號(hào)溫度測(cè)點(diǎn))的溫度測(cè)點(diǎn)沿兩頂管中心連線方向分布,在兩頂管間的土體中等距布置;路徑2(5號(hào)—17號(hào)溫度測(cè)點(diǎn))垂直于路徑1,且經(jīng)過(guò)路徑1中點(diǎn)進(jìn)行各溫度測(cè)點(diǎn)的布置,相鄰測(cè)點(diǎn)間距離400mm;路徑3(1號(hào)、18號(hào)—27號(hào)溫度測(cè)點(diǎn))和路徑4(4號(hào)、28號(hào)—36號(hào)溫度測(cè)點(diǎn))的溫度測(cè)點(diǎn)布置在靠近凍結(jié)管圈外側(cè)土體,等距布置且剛好分布于頂管半個(gè)圓周;路徑5和路徑6上的溫度測(cè)點(diǎn)沿頂管兩側(cè)等距布置,共59個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。所有溫度測(cè)點(diǎn)均位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中,土體冰點(diǎn)為-1.1℃,如圖7所示。4.3.1凍結(jié)管間距對(duì)凍土的影響如表2所示,在異形凍結(jié)管打開(kāi)之前,路徑1上1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距離圓形凍結(jié)管越近,溫降速率越快;凍結(jié)進(jìn)行到第32天時(shí),異形凍結(jié)管打開(kāi)后,距離異形凍結(jié)管越近的點(diǎn)溫降速率越大。由圖8可知,由于異形凍結(jié)管的開(kāi)啟使得路徑1上各點(diǎn)的溫差在逐步減小。異形凍結(jié)管打開(kāi)20d后,隨著凍結(jié)的不斷進(jìn)行,各點(diǎn)的溫度逐漸趨于穩(wěn)定。凍結(jié)進(jìn)行到90d時(shí),各點(diǎn)的溫度幾乎均達(dá)到-20℃,說(shuō)明異形凍結(jié)管的開(kāi)啟有利于頂管間形成溫度均勻的凍土,從而可以保證凍土帷幕的可靠性。由圖9可知,隨著凍結(jié)時(shí)間的增加,各點(diǎn)的溫度開(kāi)始依次降低,到凍結(jié)30d時(shí),所有點(diǎn)的溫度均降低至-1.1℃以下,說(shuō)明此時(shí)管幕間已經(jīng)初步形成了連續(xù)的凍土帷幕。4.3.2頂管間培養(yǎng)內(nèi)溫降速率的時(shí)間如表3所示,在異形凍結(jié)管開(kāi)啟之前,距離圓形凍結(jié)管越近的點(diǎn)降溫越快,異形凍結(jié)管的開(kāi)啟對(duì)于凍結(jié)管圈外的頂管間中線土體溫降速率影響較凍結(jié)管圈內(nèi)中線土體大,這是因?yàn)楫愋蝺鼋Y(jié)管更加靠近外側(cè)土體;且異形凍結(jié)管開(kāi)啟對(duì)于增大頂管間中線土體溫降速率的時(shí)間很短,基本上在異形凍結(jié)管打開(kāi)5d后,影響就會(huì)消失。隨后,隨著凍結(jié)時(shí)間的增大,各點(diǎn)的溫降速率基本趨于相同,這也說(shuō)明異形凍結(jié)管的開(kāi)啟有利于減小前期在僅有圓形凍結(jié)管凍結(jié)時(shí)頂管間中線土體溫降速率的差異性。由圖10可以看出,異形凍結(jié)管的開(kāi)啟對(duì)于頂管間中線溫度場(chǎng)有明顯影響的范圍基本局限在7號(hào)至13號(hào)溫度測(cè)點(diǎn)間的土體。4.3.3空頂管開(kāi)啟動(dòng)力系統(tǒng)的初步分析由圖11和圖12可知,凍結(jié)30d左右時(shí),與實(shí)頂管相接觸的土體溫度均已降低至-1.1℃以下,實(shí)頂管已完全被凍土包裹。此時(shí)空頂管表面僅距離圓形凍結(jié)管最近的點(diǎn)的溫度達(dá)到-1.1℃以下,說(shuō)明此時(shí)頂管之間初步形成連續(xù)的凍土帷幕,這與路徑1的分析結(jié)果一致。凍結(jié)進(jìn)行到32d時(shí),空頂管中的異形凍結(jié)管開(kāi)啟,此時(shí)位于空頂管上各溫度測(cè)點(diǎn)的溫降曲線陡然下降,表現(xiàn)為越靠近異形凍結(jié)管的測(cè)點(diǎn)溫度下降的越多。到凍結(jié)50d左右時(shí),空頂管上各點(diǎn)溫度均降至-1.1℃以下,空頂管也完全被凍土包裹。異形凍結(jié)管打開(kāi)后,對(duì)于實(shí)頂管上溫度測(cè)點(diǎn)的溫降曲線也有所影響,越靠近異形凍結(jié)管的溫度測(cè)點(diǎn),其溫降曲線受異形凍結(jié)管的影響越大,但總體上異形凍結(jié)管的開(kāi)啟對(duì)于實(shí)頂管上測(cè)點(diǎn)的溫度影響較小。4.3.4凍結(jié)前實(shí)頂管和空頂管處凍土控制效果通過(guò)布置在土體中溫度測(cè)點(diǎn)的溫度是否達(dá)到土體冰點(diǎn)來(lái)推算凍結(jié)壁的厚度,分別對(duì)實(shí)頂管與空頂管處的凍結(jié)壁進(jìn)行分析。由圖13和圖14可知,在異形凍結(jié)管打開(kāi)前,實(shí)頂管附近土體的降溫要快于空頂管附近土體。凍結(jié)30d時(shí),實(shí)頂管內(nèi)外兩側(cè)已經(jīng)形成凍土,而空頂管處的測(cè)溫點(diǎn)還沒(méi)有降至土體冰點(diǎn)以下。在第32天打開(kāi)異形凍結(jié)管后使得實(shí)頂管和空頂管附近的凍土帷幕發(fā)展速度逐漸趨于均勻,凍結(jié)50d時(shí),實(shí)頂管和空頂管處凍土帷幕厚度均超過(guò)0.6m;凍結(jié)70d時(shí),實(shí)頂管和空頂管附近凍土帷幕均超過(guò)1.2m;凍結(jié)90d時(shí),實(shí)頂管和空頂管處凍土帷幕厚度均超過(guò)2.0m。且由圖10可知,凍結(jié)90d時(shí),頂管間中線處凍土帷幕厚度也超過(guò)2.0m。5復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行a.運(yùn)用有限元軟件COMSOL建立管幕凍結(jié)法二維溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)積極凍結(jié)期的溫度場(chǎng)發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行研究,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證表明數(shù)值模擬方法的有效性。b.凍結(jié)30d時(shí),實(shí)頂管完全被凍土包裹,頂管間初步形成連續(xù)凍土帷幕,其與頂管組成強(qiáng)度較高的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu);在異形凍結(jié)管打開(kāi)前,越靠近圓形凍結(jié)管的土體溫降速率越快;第32天異形凍結(jié)管開(kāi)啟,圓形凍結(jié)管與異形凍結(jié)管開(kāi)始協(xié)同工作,空頂管處附近土體溫度迅速降低,頂管間土體溫差在逐步縮小,異形凍結(jié)管加強(qiáng)凍結(jié)效果顯著;凍結(jié)50d時(shí),空頂管完全被凍土包裹,頂管間凍土溫度逐漸趨于穩(wěn)定。c.根據(jù)凍土帷幕平均厚度計(jì)算,凍結(jié)30d時(shí)