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冻结管水平间距对温度场变化规律的影响分析
刘宇波
,
洛阳市轨道交通集团有限责任公司河南洛阳471000
【摘要】为探究冻结管水平间距对温度场发展规律的影响,文章结合洛阳市轨道交通1号线史家湾
站—杨湾站盾构区间联络通道的冻结法施工实例,~
化时冻结管周围的温度场变化规律,分析结果表明1越靠近冻结管,土体温度降低越明显,故加固区的降
温梯度以冻结管为中心呈扩散状,冻结管间距越小,则交圈区域土体的温度越低。2在冻结前期,冻结壁厚
度随冻结管间距的增加逐渐减小,故冻结管间距对冻结范围的影响较大,在冻结后期,各间距下冻结壁平均
厚度相差不大,。3其它条件相同时,积极冻结时间大致随冻结管水平间距的增大而增
加,~,冻结壁交圈速度较为理想,且冻结壁厚度满足施工要求。
【关键词】联络通道温度场数值模拟冻结法冻结管间距
【中图分类号】【文献标志码】A
人工地层冻结法是使用人工制冷技术,使岩土层中的水成都地铁一联络通道三维数值模型,通过数值模拟探究了冻
结冰而变为冻土,从而拥有更高的强度及稳定性的同时隔绝结管直径对冻结温度场的影响,得到了较优冻结管直径刘
[]
地下水的工法在冻结壁的保护下,可以更加安全方便地进10
。文博等使用有限元软件ADNIA研究了在冻结管直径变
,
行井筒以及其它地下工程的开挖施工。1883年德国工程师化的情况下冻结温度场的发展规律,发现其相较于普通圆柱
采用冻结法开凿了的井筒并获得冻结法凿

井技术专利在年后,国内也将冻结法广泛应用于地
。1992上述研究对冻结法在一些特殊地层中的施工、冻结管的
,
铁施工中。但在冻结法的施工过程中存在土体冻胀以及融构造及整体布置等方面进行了分析,而关于冻结管水平布置
沉个过程,控制不当则会对地下结构地表产生一定影响
2、间距对冻结范围的影响的研究有所缺失。本文以洛阳市轨
甚至危害其中,冻结管是土体与冷却液热量交换的主要形
。道交通1号线史家湾站—杨湾站盾构区间联络通道工程为
式,其构造和布置直接影响冻结过程与效果,目前针对此部,
~1.
分,已有一些研究
。5m时冻结管周围的温度场变化规律以及水平间距对冻结
[]
梅源等1基于西安地铁某联络通道的实测数据以及数加固范围的影响,以期得到较理想的冻结管布置间距,对于
值分析,对黄土地区富水砂层冻结法暗挖施工的土体温度
盾构隧道联络通道的冻结法施工具有一定参考价值。
[]
场应力场规律进行了研究郜新军等2基于郑州地铁一联
、工程背景
络通道的实测数据,对富水黏土地层条件下冻结法施工过程1
[]

洛阳轨道交通号线工区史家湾站杨湾站盾构区
层中地铁区间联络通道冻结全过程的土体温度、深层土体冻109—
[]
胀融沉位移及地表变形情况进行了研究潘旭东等4构建水间自史家湾站向东沿中州东路敷设,依次下穿二广高速西箱
,
热耦合方程,通过数值模拟方法,建立单排冻结管数值模型,涵、侧穿二广高速立交主桥及匝道桥桥桩后止于杨湾站左、
,,

[],其间共设两座联络通道其中#联络通道顶部
。2
,
进了单管稳态冻结温度场计算公式,、细
沿径向呈对数分布,并通过数值模拟探讨了公式的适用性砂卵石卵石卵石由于整个施工区位于砂
、②9-2、③9-3、③9-4。
[]
6,,卵石地层,并且地下水丰富,施工难度较大,故采用冻结法施
郑立夫等基于热-力耦合理论结合FLAC数值分析对浅
,
埋隧道冻结法施工过程进行了模拟,发现土体融沉变形量大工保证施工的安全性与灵活性。
[]

3D根据史家湾站杨湾站区间#联络通道施工设计方案,
FLAC数值软件分别模拟了两圈冻结管与三圈冻结管情况—2
,,
下冻结壁温度场的发展在与实测数据的对比下得到了冻其周围冻结管的施工布置如图1所示。
结壁厚度与冻结时间的公式并且发现三圈管冻结的扩展速
[]
8[]
度更快马俊等对Z字型联络通道的冻结加固方案进行了定稿日期2022-02-17
温度与变形的实测,分析了其与常规直交联络通道的温度场[作者简介]刘宇波1971—,男,本科,工程师,从事轨
[]
9
发展及地表变形规律的区别宋修元等利用ABAQUS建立道交通管理工作。
202
刘宇波冻结管水平间距对温度场变化规律的影响分析
图1冻结管施工布置
具体的布置参数共设置冻结管根,管身采用
70φ89
,
mm低碳钢无缝管于联络通道上部和下部水平布置多排冻
结管冻结管平均长度为,竖向平均间距约为

,
。通道左右线冻结孔侧
,,
面布置如图2所示其中左线共47个右线共23个。
图4双线隧道与联络通道位置
络通道结构位置关系如图4所示。
模型X、Y、Z方向分别取为沿隧道横向、竖直方向、沿隧
,
道轴向。根据圣维南原理确定3~5倍隧道直径为开挖影响
,
区域故最后确定计算模型尺寸为64m×50m×50m。模型
a左线冻结孔位置
整体如图5所示。
图5计算模型
为探究冻结管水平布置间距对冻结范围的影响,需对原
b右线冻结孔位置
工程中冻结管布置形式进行变量调整因此,将联络通道上
图2冻结孔布置单位mm。
下侧冻结管的水平间距范围取为,建立不同的计
根据施工方案,降温冻结天数共为天,开始冻结后,~
50,
算工况具体工况设置情况如表1所示。
盐水温度分别在1天、7天、15天后下降至-℃、
,表1工况设置
-℃、-℃盐水降温曲线如图3所示。
,,,工况序号水平间距总冻结管根数根
此外在冻结50天后计划开始进行联络通道的开挖/m/
此时要求冻结壁的厚度不小于,冻结壁平均温度小于

-10℃。

计算模型建立及参数选取

计算模型

,
根据施工设计方案使用ANSYS有限元软件建立史家

#,
湾站—杨湾站区间2联络通道数值计算模型双线隧道与联
203
·工程结构·第42卷第4期
,

的冻结管在左线开孔处的布置情况,如图所示导热比热
6。天然
土层内摩粘聚弹性系数容
重度泊松//
名称厚度/擦角力模量
///比/W·J·
kN·-1-1
m-3°kPaMPam·kg·
m--
K1K1


卵石
②9-
卵石
③9-
卵石
③9-
管片衬砌———
固化注浆层———

表3温度场模拟过程
计算步序模拟内容
,
1地层自重固结沉降设置模型初始温度20℃
左右线隧道开挖,管片衬砌及注浆层施作,
2
设置模型初始温度20℃
,
3对土体开始降温冻结管盐水温度降至-11℃
4-9冻结管盐水温度降至-℃
10-17冻结管盐水温度降至-℃
18-40冻结管盐水温度降至-℃
41-59冻结管盐水温度维持在-℃

图6不同冻结管间距示意单位mm

,
考虑到问题的复杂性在数值模拟中假设土体均质、连
续且各向同性,不考虑土体非线性采用弹性关系材料模拟
,
隧道的衬砌结构及注浆层。为了简化计算不考虑隧道管片
之间的螺栓连接,将管片视为一个整体的环状结构,并使用
刚度折减法考虑管片接头对衬砌刚度的影响。
在计算模型中,混凝土以及土体采用三维瞬态静态或热图7冻结加固区温度云图
,
分析的SOLID70单元而冻结管采用杆单元LINK33。管片更明显,故整个加固区的降温梯度以冻结管为中心,呈扩
衬砌采用钢筋混凝土材料,根据文献[],将横向和纵
C5011散状。
。随着冻结管水平间距的增大,各冻结管的冻结影响区之
根据工程的地质勘察报告,并参考相关资料,可以得到,
间形成相同温度交圈的情况有所不同。其中工况1在冻结
土层及上述结构材料的物理力学参数和热力学参数如表,
250天后位于联络通道中央的顶部的-25~-29℃低温区土
所示,
。体在左、右两端已经分别均匀形成而工况5的-25~-29℃
,
、右两端冻结管的低温区
根据节提到的盐水降温曲线,在数值模拟中按表,
、未交圈的。究其原因冻结管水平间距的
所示过程体现冻结方案。增加致使各冻结管的相互影响作用降低,低温扩散速率由此
受到影响,进一步导致土体的降温速率减小
3计算结果分析。
冻结壁厚度变化

,认为形成了冻
提取工况及工况下冻结加固区在冻结天后的温-10℃
1550结壁为进一步分析冻结管水平间距对冻结壁形成的影响,
度云图,如图所示。
7。提取在冻结天后的个工况下的冻结壁厚度值,如表
由图可以看出,在冻结过程中,冻结加固区个边角5054
74所示
处温度最高,靠近冻结管的土体与其热交换更剧烈,温度降低。
204
刘宇波冻结管水平间距对温度场变化规律的影响分析
表4不同工况下冻结壁厚度工况下冻结壁厚度变化量均较小并趋于冻结限界。
冻结天之前,冻结管间距越大,冻结壁厚度越小在
冻结壁厚度/m50。
工况冻结天时,工况与工况的冻结壁厚度差达到了

,,
m。随着冻结时间增加各工况间冻结壁厚度差逐渐减小在
工况,,

,

减小的

积极冻结时间

,可以绘制积极冻结时间随冻结管水平间
工况,

,
分析表4可知由于联络通道下侧布置的冻结管范围更
大且冻结管数量更多,所以各工况下的联络通道下侧形成的
冻结壁厚度均大于上部而联络通道左、右两侧的冻结管因
,,
为对称布置所以冻结壁厚度相差不大。此外随着冻结管
水平间距的增大,联络通道四周的冻结壁厚度整体上是在逐
,
渐减小的上、下、左、右侧冻结壁厚度的减小率分别为
%、%、%、%。
提取所有工况下联络通道四周在冻结17天、30天、50
,
天、59天后的平均冻结壁厚度如表5所示。
根据相关数据绘制曲线图如图8所示。
表5不同冻结时间的平均冻结壁厚度
图9积极冻结时间曲线
平均冻结壁厚度
/m,,
工况从图9可以看出最短积极冻结时间出现在工况1为
天天天天,,,
1730505922天最长积极冻结时间出现在工况5为29天且在其它
条件不变的情况下,积极冻结时间大致随冻结管水平间距的

增大而增加其中,冻结管间距从增加到时,积

极冻结时间增加了天冻结管间距从增加到

,
.
工况,

值得注意的是,尽管工况与工况的冻结管间距不

,,

,
m间距过小造成了相邻冻结管间冻结影响区域的较大重
,,

是相对更合理且更节约工程造价的方案。
,,
~
较为理想的冻结壁交圈速度,此时既不会对冻结管的数量造
成浪费,也不会使积极冻结时间过于延长,故在实际施工的
,
~
方案。
4结论
本文以洛阳市轨道交通1号线史家湾站—杨湾站盾构
图8平均冻结壁厚度随时间变化曲线区间联络通道工程为背景,通过数值模拟方法研究了冻结管
综合分析表和图可知,在积极冻结天时,各工况
~
,
下联络通道周围的冻结壁厚度已经大于2m满足设计要求。以及水平间距对冻结加固范围的影响,得到结论
冻结天与冻结天之间的冻结壁厚度增幅较大,其中工,
17301越靠近冻结管土体温度降低越明显降温梯度以冻
况在此段时间的冻结壁厚度增量为,这是因为此段,,
。冻结管水平间距越小则相同条件
时间内盐水持续降温,土体与冻结管热交换的范围未达限
下越能够形成温度更低的交圈。
界,并且热交换速率相较于其它时间段更大而在冻结,
。50~2在冻结前期前30天冻结壁厚度随冻结管间距的
天时,由于盐水温度不再下降且冻结管影响范围有限,各
59下转第209页
205
钟小春基于数值模拟的隧道温度场分布规律研究
,,
。隧道开通后隧道纵向温度总体
,,
致纵向距离越大滞后现象越明显。上呈现中间高两边低的规律其分布与地形起伏有明显关联。
,
2与洞外气温变化规律一致隧道内气温和地温随时
,
间发生正弦函数型变化二者存在明显的相位变化。
,
3隧道围岩温度随径向深度的增加而升高当埋深达
,,
到10m后地层温度则基本不受洞内气流的影响呈现恒温
规律。
参考文献
[],,,

[],
方法现状、
224-48.
[],[]

,,
隧道技术201249139-43.
[][]

图8隧道底部温度沿纵向距离变化曲线
化,
由图和图可知201324112-115.
78[]朱艳峰,吴亚平,李文英寒区高速铁路长大隧道温升问题研究
埋深大于后,温度沿纵向上温度分布规律基本4.
11m[]隧道建设,,
,-777.
一致且温度随时间变化规律也一致同时温度滞后的规律基[],,,

本保持一致[],,
。-72.
随着埋深从到的增加最低温也从[],,,
21m3m-℃
增加到,这说明埋深越大隧道温度场温度越高[],,
-℃。-122.
[],,,

4[],,
-7471.
本文通过建立三维数值传热模型研究季冻区隧道温度[],,,

场分布规律,依据数值计算结果,分析得到结论[],,
-132.
,
1隧址原始地温的等温线走势与地形走势基本一致
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
,[]潘旭东,白云龙,白云飞,等富水地层冻结法施工渗流场对温
上接第205页增加变化较大故冻结管间距对冻结范围4.
,度场的影响规律研究[]现代隧道技术,,

,
度维持在最低温度-℃不再变化且冻结管布置范围一122-128.
[],,,
定,因此,各间距下的冻结壁平均厚度相差不大,
[],,
-311.
。[]郑立夫,高永涛,周喻,等浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉
其他条件相同时,积极冻结时间大致随冻结管水平6.
3规律冻结壁厚度优化研究[]岩土力学,,
,
间距的增大而增加。~
时,联络通道加固区有较快的冻结壁交圈速度,且冻结壁厚-2121.
[],,,

度最迟在冻结第天就已满足施工要求的[],,
242m。-44.
[],,

参考文献[],,
-1972.
[],,,

[]梅源,赵良杰,周东波,等冻结法在富水砂层暗挖施工中的应[],,
-75.
用[]中国铁道科学,,[],,,
-
[]郜新军,李铭远,张景伟,等富水粉质黏土中地铁联络通道冻[],,

结法试验研究[]岩石力学与工程学报,,
**********-383.
[],,
-
[]杨平,陈瑾,张尚贵,等软弱地层联络通道冻结法施工温度及[],,

位移场全程实测研究[]岩土工程学报,,
-2069.
-2234.
209

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