第３８卷第２４期 ２ ０ １ ２年８月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０ｌ｜３８ Ｎｏ．２４ Ａｕｇ． ２０１２ ・１０５・ 文章编号：１００９—６８２５（２０１２）２４．０１０５．０２ 人工冻土解冻温度场数值分析 龚 旭 （镇江新区建设工程质量中心，江苏镇江２１２０００） 摘要：以某车站盾构到达人工水平冻结加固工程为背景，利用大型有限元软件建立自然解冻数值模型进行模拟分析，并将现场 监测数据与数值模拟结果进行对比分析。研究表明：水平冻土帷幕在停止冻结后６０ ｄ可以完成自然解冻过程；冻土的自然解冻 速率随解冻时间的延长而减慢；影响盾构达到人工水平冻土帷幕自然解冻的主要因素为隧道空气散热及未冻土的热传导。 关键词：人工冻结，自然解冻，温度场，数值计算 中图分类号：ＴＵ４７１．７ ０ 引言 随着社会经济的发展，国内许多大中城市出现了地面交通拥 堵及城市用地的危机。地铁作为一种快捷便利的地下交通运输 工具在解决交通拥堵问题的过程中具有重要作用。然而地铁在 建造过程中也存在着一定的风险，主要是在盾构到达过程中洞门 后土体稳定的问题。因此需对盾构到达或始发区域内洞门土体 作一定的加固。冻结法作为一种形式灵活、适应性强、施工无污 染、对环境影响小的土体加固方法在盾构进出洞施工应用中具有 广阔的发展前景。关于冻结地层加固技术在城市隧道建设中的 应用已经获得了一些有益的施工经验 刮。 本文根据某车站盾构到达人工水平冻结加固工程为例，运用 数值计算对此展开理论研究，并据此为类似工程提供借鉴。 １ 工程概况 １．１工程、水文地质 根据详勘报告，盾构到达施工场地内工程、水文地质较为复 杂，且地下水具有承压性，地下水与秦淮河及长江均存在水力联系。 场地内土层自上而下依次为：杂填土（①．．）、粉质粘土 （②．ｈ。２。）、淤泥质粉质粘土（②譬）、粉砂（②一ｄ２，。）、粉土（② ）以及 粉砂（② ）。 １．２盾构到达加固方案 盾构机外径为６．３４ ｍ，为保证盾构机到达过程中洞门范围内 土层的稳定性和周边建筑物、管线的安全，采用三圈冻结管的加 固方案，最终形成水平杯状冻结壁，防止盾构到达过程中水土涌 人车站北端头的盾构井内，如图１所示。 ２ 自然解冻数值分析 ２．１ 计算模型 盾构到达后，仅留下最外层１．８ ｍ厚冻土帷幕，其自然解冻 数学模型如图２所示。 图１冻结管布置图 图２数学模型图 边界２存在着未冻土与冻土间的三维热传导，其数学表达式： 收稿日期：２０１２－０６—１４ 作者简介：龚旭（１９８５，），男，助理工程师 文献标识码：Ａ 堡～ Ｏｔ ｔ‘（ ＋ ＋ ）Ｊ （１）（ ） 其中， 为冻土中温度， ＝ｓ时为冻结区温度，ｉ＝ｚ时为未冻 区温度； 为导温系数，ｉ＝ｓ，Ｚ。 边界１存在着隧道内的空气与混凝土管片之间的热对流： ｑ＝ｈ（ｔ 一￡，） （２） 其中，ｑ为热流密度，Ｗ／ｍ；ｈ为表面对流换热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ）； ｔ 为边界温度；ｔｒ为温度在边界面上的给定值。 管片内热传导方程同式（１），当通过热传导后管片与冻土壁 交界面处温度达到解冻温度后，相变就开始自边界１以环状向四 周扩展，在相变界面上有： （ ， ）＝ （ ，ｔ）＝ （３） （Ｙ，ｔ）＝ （Ｙ，ｔ）＝ （４） （ ，ｔ）＝ （ｚ，ｔ）＝ （５） ［Ｋ ａＴ ，）（ ｏｒ，）］ Ｋ（ ｏｒ，）（ ａＴ，）］＋ 一 一 ｄ） 警）卜 （６） 其中，Ｘ（ｔ）为相界面位置； 为冻结温度；Ｌ为相变潜热； ， 分别为固相区和液相区导热系数； ， 分别为固相区和液相 区温度。 ２．２计算参数 计算参数见表１。 表１材料参数表 导热系数／ｗ・（ＨＩ ・℃）一。 比热／Ｊ・（ｋｇ・℃）一‘ 土层编号 未冻土 冻土 未冻土 冻土 ①一ｌ １．３４ ２．１２ ｌ ５０６ １ ２５Ｏ ⑦ 。 １．３５ ２．２２ ｌ Ｓ４７ ｌ ３３０ ② １．ｏ６ ２．１０ ｌ ７ｌ７ ｌ ３２ｌ ② ０ １．８７ ２ ５０ １ ４７３ １ ０８３ ②曙’ １．３２ ２．０７ ｌ ４９９ １ １７２ ２．３有限元模型 三维有限元模型采用８结点单元，对洞门附近进行网格细分 处理，冻结过程计算６０ ｄ，自然解冻计算１２０ ｄ。三维有限元模型 见图３。 ３计算结果分析 由冻结计算结果可以看出，盾构达到后在洞门上方形成了 ３ ｍ长的水平冻土帷幕，在洞门下方形成了６ ｍ长的水平冻土帷 幕，如图４所示。将该温度场作为自然解冻温度场初始条件进行 进一步分析。 ・１０６・ 第３８卷第２４期 ２ ０ １ ２年８月 山 西 建 筑 度较大导致热传导较为迅速，而解冻后期随着冻土壁内温度梯度 的减小，热量传导也随之减缓引起的。ｍ ５ ｏ 绝热边界 、 嘣 枷 隧 内衬墙 旧 需 ｛目罡 图３盾构到达水平冻结加固有限元模型 解冻时间，ｄ 图６相界面距离轴面随时间关系曲线 １ Ⅲ０＂ 水平冻土帷幕 冀 齄 解冻时间，ｄ 图４盾构到达后水平冻结温度场 图７解冻速率随时间关系曲线 ３．１ 与实测数据对比 为确保工程的安全性，在进行数值计算的同时，笔者也对洞 ４结语 通过对有限元数值计算结果的分析和与实测结果的对比，得 门处冻结与自然解冻温度场进行了全场监控量测，将处于相同位 到以下几点结论：１）盾构到达水平冻结加固形成的冻土帷幕自然解冻时间约 置的实测与计算结果进行对比，如图５所示，两者基本吻合。说 明所提出的数学模型和采用的数值计算模型是合理可行的。 为６０ ｄ。 ２）人工冻结壁自然解冻速率随着解冻时间的增加而减慢。 ．． １ ： ３０ ｄ ３）影响盾构达到人工水平冻土帷幕自然解冻的主要因素为 隧道空气散热及未冻土的热传导。 ・一计算值 －－实测值 ～ …／ 解冻时间／ｄ 参考文献： ［１］Ｐｉｎｇ Ｙａｎｇ，Ｊｉｅ—ｍｉｎｇ Ｋｅ，Ｊ．Ｇ．Ｗａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌｍｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｓｔ ｈｅａｖｅ ｗｉｔｈ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ 《 ｌ ｓｔｒｅｓｓ矗ｅｌｄｓ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｃｈ． ｎｉｃｓ，２００６（３３）：６－７． 图５计算值与实测值对比曲线图 ［２］ 翁家杰．井巷特殊施工［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９１． ［３］ 白楠．人工冻土强制解冻融沉控制研究［Ｄ］．上海：同济 大学土木工程学院，２００８． Ｋｕｎｉｅｄａ Ｔ，Ｓａｔｏ Ｔ，Ｉｄｏ Ｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｆｒｅｅｚ－ ３．２冻土帷幕自然解冻时间分析 根据自然解冻０ ｏＣ等值线图判断，３ ｍ长的水平冻土帷幕自 然解冻时间为４０ ｄ左右，６ ｍ长的水平冻土帷幕自然解冻时间为 ［４］ ６０ ｄ左右。 ｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒａｉｎ ｐｕｍｐ ｃｈａｍｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｇｒｏｕｎｄ Ｆｒｅｅｚｉｎｇ９１．Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ：Ｂａｌｋｅｍａ，１９９１（１３）：９７－９９． ３．３冻土帷幕自然解冻速率分析 图６，图７所示。 李述训，吴通华．冻土温度状况研究方法和应用分析［Ｊ］．冰 自然解冻过程中相变界面位置及解冻锋面推进速率曲线如 ［５］川冻土，２００４，２６（４）：１１２—１１３． 纳夫，苏普力克．立井冻结壁形成规律［Ｍ］．陈文豹，伍 由图６，图７可以看出，随着停止冻结后自然解冻时间的延 ［６］期建，梁惠生，译．北京：煤炭工业出版社，１９８１． 长，解冻速率逐渐减缓。这主要是由于解冻前期，冻土壁内温度梯 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｓｏｉｌ ｔｈａｗｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ＧＯＮＧ Ｘｕ （Ｎｅｗ ｅ耐ａｕｇ Ｒｅｇｉｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｅｎ￣ｒ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｒｅａｃｈｉｎｇ ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｈｏｒｉｚｏｎｔｌ ｆｒｅｅｚｉａｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ鹊ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｔｈａｗｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ：ｈｏｒｉｚｏｎｔｌ ｆｒｅｅｚｉａｎｇ ｓｏｉｌ ｃｕｒｔａｉｎ ｃａｎ ｂｅ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ｕｎｆｒｅｅｚｅｄ ａｆｔｅｒ ６０ ｄａｙｓ ｏｆ ｆｒｅｅｚ— ｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅ ｎａｔｕｒｌａ ｔｈａｗｉｎｇ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｓｏｉｌ ｗｉｌｌ ｓｌｏｗ ｄｏｗｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈａｗｉｎｇ ｔｉｍｅ ｐｒｏｌｏｎｇ，ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ａａｉｉｆｃｉｌ ｈｏｒａｉｚｏｎｔａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｓｏｉｌ ｃｕｒｔａｉｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｔｈａｗｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｉｒ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｎｆｒｅｅｚｉｎｇ ｓｏｉｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｉｃｉｆａｌ ｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｎａｔｕｒａｌ ｔｈａｗｉｎｇ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
