人工冻结法技术应用方法研究
2009-09-10 00:14
人工冻结法技术应用方法研究
【摘 要】目前,在冻结法市政工程中的应用中,多采用监测温度的方法来反映冻结工程中存在的问题。而单纯根据监测数据,并不能系统地分析冻土帷幕场的发展规律。本文依托上海长江隧道1#联络通道冻结工程,采用了温度监测、解析计算和数值计算三种方法。通过这三种方法对比和结合分析,得出冻土帷幕温度场的形成规律,并计算出冻土帷幕厚度及平均温度等指标,进而指导并确保在这种复杂工程中冻结施工的安全。
【关键词】盾构隧道;冻土帷幕;联络通道;人工冻结法
市政工程建设中的隧道联络通道施工,多采用冻结法。在冻结法应用中,往往采用监测几个温度点的方法分析冻结帷幕发展的过程,或是选取几个截面做解析计算和数值计算。解析计算建立在一定的理论和工程经验基础上,虽然经过反复修正,但是经验公式没有直接结合土体的性质参数,且只能选取了有限个数的截面做分析研究。数值计算在有限元分析基础上结合了土体的特性,使得有限元分析能系统地反映冻结发展的规律,但有限元分析的结果往往和实际数值存在一定的偏差。实践证明,单纯依靠某种方法不能系统全面地阐述冻结发展的过程。
1 工程概况
上海长江隧道起自浦东新区外高桥东的五好沟, 向北穿越长江南港直至长兴岛南岸新开河以西约400m处登陆,全长约8.955km,其中盾构隧道段长约7.47km。长江隧道工程拟建的8个联络通道。1#联络通道上行线隧道里程为SK1+282.494、下行线隧道里程为K1+279.665,联络通道处上、下行盾构隧道中心距30.200m,上行线隧道中心标高-32.985m,下行线隧道中心标高-32.939m。联络通道由与隧道钢管片相连的喇叭口、水平通道构成,采用水平冻结法加固地层,矿山暗挖法施工以确保施工安全和减轻对周围环境的影响。根据地址资料[1],1#联络通道在范围-27.53~-42.53m内,冻结的土体主要是上海⑤2灰色粘质粉土。
2 温度监测
现场温度监测数据是解析计算和数值模拟的依据。通过对去回路盐水温度的监测,保证冷冻设备正常进行;通过合理布置测温点对冻土壁温度监测,可以大体得出冻土帷幕发展规律,为隧道施工提供可靠依据。监测系统坐标系说明:x轴沿联络通道轴线,指向盾构推进方向右侧为正;盾构隧道推进方向为z负方向;竖直向上为y正向;坐标原点位于联络通道结构对称中心。
2.1 长江隧道1#联络通道温度监测方案
1#联络通道冻结工程盐水供应系统分为上行线和下行线两个去回路,在去路和回路的干管上各设一个测温点,在每组回路的冻结管上设一个测温点。上行线回路冻结管上共设有11个测点,下行线回路冻结管上共设有9个测点。1#联络通道冻结工程共布设7个测温孔,其中上行线隧道2个测温孔C6、C7,下行线隧道5个测温孔C1、C2、C3、C4、C5。冻土帷幕区的温度监测共有测点104个。
2.2 盐水温度监测数据及分析
1#联络通道上行线盐水去回路温度从2007年11月8日开始监测。下行线盐水去回路温度从2007年11月13日开始监测。上下行线盐水干管去回路温度变化情况分别见图1、图2。
从盐水监测图可以看出,积极冻结期内的盐水温度迅速下降,三天内降至-18℃以下,达到了“积极冻结7d盐水温度降至-18℃以下”的设计目标;盐水的温度维持在-28~-30℃,达到设计要求;去回路干管温度温差一直较小,都维持在1.0℃以内,说明冷冻站制冷量充沛。从曲线变化规律可以看出,冻结开始时热交换量大,以后逐渐减少;进入维护冻结后,热交换达到稳定,冻结系统运行正常。盐水箱水位记录数据没有大的变化,亦说明冻结正常。
2.3 冻土温度监测及分析
测温孔C1和C2分别布置在冻土帷幕设计外边界和内边界上,是用于判断冻土帷幕水平向发展的基本测孔。其它测孔布置成斜孔,用于辅助分析。由斜孔C3及其辅助孔C4的几何坐标数值和温度监测数值,可以直接观测冻土帷幕在隧道正上方发展的情况。斜孔C6及其辅助孔C7,直接观测冻土帷幕在隧道正下方的发展情况。C5则用于直接观测冻土帷幕水平向发展的情况。结合联络通道周围上、下、左、右四个方向的温度监测数据,较为直观得出土体降温的规律及冻土帷幕厚度值。以土层冻结温度-2.1℃确定冻土帷幕边界,表1给出积极冻结期第40d,距离冻土帷幕边界最近的测温点及坐标值。
通过合理的布置测温点,时时监测冻土帷幕厚度在各个方向的发展情况。例如,在积极冻结结束的第40d,可以监测得到距离冻土帷幕边界最近的两个测温点的温度。测温点的坐标值是已知的,通过插值的方法,可以了解冻土帷幕厚度半径的数值。在表1数据中,可以看出C2、C3、C5所布置的测点已经全部位于冻土区(该区土体温度低于结冰温度-2·1℃)。由C1监测数值及坐标可以插值计算得,联络通道开挖后(联络通道开挖半径为1.970m)得冻土帷幕厚度半径约为2.676m。由C6监测数值及坐标可以插值计算得,联络通道开挖后得冻土帷幕厚度半径约为2.530m。
综合分析40d积极冻结期内各测点温度监测情况,可发现如下特征:①靠近冻结管的测温点,下降速度较快;②受隧道内空气热量的影响,位于测温孔孔口附近的测点温度下降较慢,孔外测点温度处于正温;③冻结区域内的测点温度,早期下降较快,中期下降速度减小,后期下降缓慢甚至不再下降;④冻土帷幕外围较远处的土体温度也基本保持不变,说明这些测点基本处于冻结影响范围之外;⑤处于冻土帷幕外边界附近的测温点温度仍然以基本匀速下降,表明尚未达到热平衡,冻土帷幕外边界仍在发展,继续冻结仍然可以增加冻土帷幕厚度;⑥两喇叭口周围的冻结速度相对较慢,上行线的冻结情况比下行线冻结情况良好。其原因可能是上行线冻结开始较早。
3 冻土厚度及平均温度解析计算
解析法分析冻土帷幕性状是选取联络通道纵向截面和横向截面做研究。结合这两种类型截面的数据来分析冻土帷幕发展的情况。其中,沿联络通道的纵向,取了7个横截面。分别为:下行线喇叭口管片与土体交界面(曲面)C,E,B,F,A和上行线喇叭口管片与土体交接面(曲面)。
结合截面温度监测数值,由双排管冻结的温度场公式[2],可计算各截面土帷幕厚度,见表2:
式中,l为每排中两根冻结管的间距;L为两排冻结管的排距;ξ为每排冻结管至冻土墙边缘的厚度。其中坐标定义为:x轴为管排内冻结管连线方向,y为其垂直方向。对于双排错位冻结管排列:
冻土帷幕平均温度的计算,基于巴霍尔金公式[2],并采用界面平均温度代替双排管冻结的整体冻土帷幕平均温度的计算方法,界面的平均温度可用下面的方法计算:
表2给出了积极冻结期第40d,联络通道各个截面的冻土帷幕及平均温度计算结果。
经解析计算分析,可以得出几点结论:
(1) 联络通道中部的冻结效果明显优于通道两头的喇叭口部位;联络通道开挖后,冻土帷幕厚度半径, 即有效厚度,在喇叭口位置为2.578、2.601m,中间界面有效厚度值2.704m。
(2) 各截面冻土帷幕厚度方向上的平均温度均低于-14℃,满足设计要求的-13℃的要求[3]。管片-冻土交界面的冻土帷幕平均温度为下行线-14.1℃,上行线-16.4℃,达到设计-8℃[3]的要求。
4 冻结过程数值计算
运用有限元软件ANSYS,采用solid87热实体单元建立三维弹性有限元分析模型。冻结参数弹性模量、泊松比、比热容、导热系数等选取来源于同济大学冻结试验[4]。考虑水的相变及钢管片、混凝土管片热性能不同等因素,制定较为合理冻结计划,计算得出温度数值和分析冻结中温度变化规律。结构模型如图6所示。
计算结果图3、4可看到积极冻结40d时温度分布规律:以呈现最低温度值冻结管周围土体为中心,温度向两侧呈梯度升高趋势,联络通道中心位置已经冻实。数值计算显示,冻土帷幕平均温度可达-19.03℃。
5 结语
在上海长江隧道1#联络通道冻土帷幕分析中,综合运用了温度监测、解析计算和数值计算三种方法来分析冻土帷幕的发展过程,掌握了符合工程实际的冻土帷幕发展的规律。另外,通过对比可知解析计算、数值计算、现场监测的数值之间相差不大。温度监测数值可以直观判断帷幕厚度的有效半径约2.53~2.67m,解析计算的冻土帷幕有效半径约为2.561~2.704m,数值计算的冻土帷幕有效半径约为2.7m,三种方法都得出冻土帷幕厚度约为2.6m。在冻土帷幕平均温度的计算中,解析计算中给出了的不同计算截面的平均温度范围为-14.1~-18.1℃,数值计算计算冻土区所有单元的平均温度-19.03℃,两种方法的得出了相近的平均温度值。
1#联络通道施工已经圆满结束。实践证明,三种方法的有机结合的理论值与工程实际吻合较好。通过定量和定性分析出的冻土帷幕发展规律,较为真实的反映了联络通道的冻结过程,为2#~8#联络通道工程的施工提供了有理有据的可靠性指导。
参考文献
[1]上海长江隧道连接通道岩土工程补充勘查报告[R].上海:上海市隧道工程轨道交通设计研究院,2007.
[2]БахолдинБ.В.Выбороптимальногорежимазамораживаниягрунтоввстроительныхцелях[M]. -М.,Госстройиздат,1963. 71.
[3]上海崇明岛隧道连接通道冻结结构计算书[R].南京:中煤国际工程集团南京设计研究院,2007.
[4]胡向东.上海长江隧道冻土试验报告[R].上海:同济大学,2007.
