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地鐵通道三維凍結溫度場的有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:08 閱讀:
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      人工地層凍結法是利用人工制冷技術,在設置于地層中的凍結管內循環低溫冷媒劑(鹽水或液氮),吸收地層熱量,使地層中的水結冰,把天然巖土變成凍土,同時在地下工程周邊形成連續的凍結壁,以抵抗巖土壓力,并隔絕地下水與地下工程的聯系,然后在凍結壁的保護下進行地下工程施工的一種特殊地層加固技術。地鐵聯絡通道(旁通道)主要用于地鐵運營中上、下行隧道間的安全通道和隧道的集、排水,為地鐵隧道施工過程中的最后一道工序。在富水軟土層中,聯絡通道的施工技術難度大、風險高,因而一般采用人工水平凍結法施工。在我國上海地鐵建設過程中,據不完全統計,98%的聯絡通道以及全部越江隧道的聯絡通道均采用水平凍結法施工。另外,水平凍結法也在我國北京、廣州和南京等城市的地鐵聯絡通道施工中得到了大范圍應用。人工地層凍結溫度場是一個有相變、移動邊界、內熱源以及邊界條件復雜的瞬態導熱問題,其精確求解過程較為復雜,需要利用有限元分析軟件進行求解。
      在地鐵聯絡通道凍結法施工中,均需在凍結區域布設測溫孔,凍結施工中可根據測溫孔內的測點溫度數據實時反演凍結溫度場,某特定時刻的凍結溫度場分布規律和凍結鋒面位置均可由穩態溫度場計算方法近似得到,但這不便于凍結施工前的瞬態凍結溫度場預測分析。地層凍結溫度場的預測分析可提前判斷凍結壁的發展狀況和評定凍結方案的合理性,進而科學地指導工程施工。地鐵隧道聯絡通道水平凍結法施工中的凍結管群通常設計為傾斜放射狀,并不是嚴格意義上的水平凍結,即沿聯絡通道軸向上各個斷面的凍結管布置形式和位置都是不同的。但現行對地鐵聯絡通道凍結溫度場的分析大都簡化為平面問題,難以反映實際情況。為此,本文以上海地鐵13號線某區間聯絡通道凍結法施工為工程背景,建立三維有限元計算模型,對該聯絡通道積極凍結期的地層三維凍結溫度場分布規律進行分析。
      上海市地鐵13號線某區間聯絡通道所在位置的盾構區間隧道內徑為Ф5.5 m,管片厚度為0.35m,上行線隧道中心標高為-21.104 m,下行線隧道中心標高為-20.967 m,地面標高為+2.92 m,兩隧道中心距離為14.416m。
      該聯絡通道由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道和泵站構成。其中通道和喇叭口為直墻圓拱型結構,泵站為矩型結構,均采用二次支護方式。所有初期支護層厚度為200 mm,采用型鋼架結合素噴C25早強混凝土。二次支護結構層采用現澆鋼筋混凝土,混凝土強度等級為C40,抗滲等級為S10,通道及泵站結構層厚450 mm,喇叭口結構層拱頂、底板厚700 mm,兩側墻厚750 mm。結構層與初期支護層之間采用EVA防水板進行防水。
      聯絡通道及泵站施工所處地層由上至下為⑤1-1黏土層、⑤1-2粉質黏土層、⑥粉質黏土層、⑦1砂質粉土層組成。其中黏土層為高含水量、高壓縮性、低強度、低滲透性的飽和軟黏性土,具有較高的靈敏度和觸變特性,在動力作用下極易破壞土體結構,使土體強度驟然降低,易造成開挖面的失穩;粉質黏土層較黏土層土質佳,但強度仍然較低,其在外力作用下易呈現流變特性;砂質粉土層含水量高,施工中極易造成涌水冒砂。
      依據上述地層特點,該聯絡通道決定采用“隧道內鉆孔、臨時凍結加固土體、礦山法暗挖構筑”的施工方案,即在隧道內利用水平孔、傾斜孔和冷凍排管凍結加固地層,使聯絡通道及泵站外圍土體凍結,形成強度高、封閉性好的凍土帷幕。


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