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对于在建造地下隧道时的人工地面冻结的计算机模拟

在德国,在建造一个新的通往地方运输公司,德国联邦铁路公司,和一个城市地下铁路线路的交汇点时,一个有着总长度为1.3公里新的铁路段是必需的。这部分的一个特有的特性是它的路径穿过了一个大型的受法律保护的综合体建筑,而综上考虑决定在这部分建立一条隧道。然而,这个任务被这部分的一个区域的高速的地下水流速所严重的复杂化了。由于这个区域下隧道钻井时这样的高滤水率,非常可能的是,位于地基下的泥土需要被处理。这样的情况可能导致任何建于上方的建筑沉降,而这是不可接受的。

 

在钻探区域上设置一个人工冰盾被提议为这个非标准难题的解决方案。这套方案让土地得到强化从而在隧道施工时保护了地基。隧道由两条路径组成,每一条路径需要不同的钻探作业。下图显示了隧道钻探区域的土地纵切面。

 

土地人工冻结的隧道区域

 

图中蓝色区域显示了要被冷冻的区域。
Verwitterungshorizont – 在沉积物层中的风化岩石。
Keupergestein – 岩床。
GW – 浅表地面。

 

为了证明应用这套设计方案的合理性,在隧道建设区域使用专业软件完成人工土地冻结的计算机仿真就很有必要了

 

当建立一个计算机模型是,以下计算域的几何尺寸被确定了:

• 长-62米。

• 宽-20.2米。

• 高-18.4米。

 

计算域的大小是基于隧道以及冷却设备还有土地的岩土工程结构的几何尺寸来选择的。热过程在计算域内边界的影响也被考虑进去了。

 

研究区域的土层有着非常复杂的结构。在对该区域地质勘探以后,得到了以下有钻孔深度的表格。

 

钻井名称

 

井口海拔 [m]

沉积物和风化岩石层,容量[m]

岩床层, 容量 [m]

钻孔 1

18.4

7.3

11.2

钻孔 2

18.4

5.7

12.8

钻孔 3

18.4

4.3

14.1

钻孔 4

16.7

9.3

7.4

钻孔 5

16.7

9.3

7.4

钻孔 6

16.7

9.3

7.4

钻孔 7

17.8

10

7.8

钻孔 8

17.8

10

7.8

钻孔 9

17.8

10

7.8

 

钻井布局在下图表示出来:

 

在隧道钻井工地的钻井设计图

 

地理统计工具被用来在计算域中创建一个土地的三维重构模型,如下图所示。这张图也同时揭示了隧道通道区域和等待安置的冷冻管。

 

为了土壤冻结的在隧道施工场地的热虹吸管的配置

 

23根总长超过1200米的冷冻管,被用来冻结土地并制造冰盾。每根关注的直径为3.5英寸。这套冷冻装置的冷却功率为465 KW,而这能够让温度降到-40  oC。30%的钙溶液被选为冷冻剂。

 

冷冻管的剖面图布置被展示在了下图。

 

熱虹吸土壤凍結在隧道施工現場搭配

 

钻出来的冷却管孔有个微小角度。下表是准备安置的冷却管的初始和最终深度总结表。

 

冷冻管

 

初始冷冻区域的海拔高度, 米  

最终冷冻区域的海拔高度,米  

冷冻管 1

7.09

8.80

冷冻管 2

8.06

9.77

冷冻管 3

8.95

10.66

冷冻管 4

9.73

11.44

冷冻管 5

10.29

12.00

冷冻管 6

10.67

12.38

冷冻管 7

10.8

12.51

冷冻管 8

10.64

12.35

冷冻管 9

10.18

11.90

冷冻管 10

9.45

11.16

冷冻管 11

8.71

10.42

冷冻管 12

7.70

9.41

冷冻管 13

6.72

8.43

冷冻管 14

9.47

11.18

冷冻管 15

10.18

11.90

冷冻管 16

10.62

12.33

冷冻管 17

10.78

12.50

冷冻管 18

10.66

12.37

冷冻管 19

10.26

11.97

冷冻管 20

9.68

11.39

冷冻管 21

8.90

10.60

冷冻管 22

8.00

9.70

冷冻管 23

7.02

8.73

 

在砂层中水的滤过速度为1.25米每天;地下水的温度为+12.9oC.

 

土壤性质在下表被表示出来了。

土层

 

Ρdry, [kg/m33]

 

kf, [m/s]

 

λ2, [W/m*K]

 

λ1, [W/m*K]

 

C2, [MJ/m3*К]

 

C1, [MJ/m3*К]

 

α, [%]

 

β, [-]

 

沉积物和风化岩石

1700

10-4

2.20

3.40

2.78

2.03

1.5

-0.7

岩床

2000

10-14

2.00

2.16

2.40

1.95

-

-

 

Ρdry – 土层密度; kf – 滤过系数; λ2,1 – 融化和冻结土地的导热系数; C2,1 — 融化和冻结土地的热容量; α, β – 描述尚未冻结的水气量的系数。

 

第一类型的边界条件在计算域的表明设立,即温度变化与时间的相关性,在下图表明。

 

地面冻结模拟的第一类型边界条件

 

第二类型的边界条件在计算域的侧边界以热流等于0的形式设定。第一类型的边界条件则表示下边界已经被设定为常温+12.90

 

由于计算域的离散化,我们获得了一个由2,037,312个节点组成的计算网格。

 

网格化的在隧道施工工地上的土地冻结模拟

仿真时间段为120天(从二月到六月);仿真计算花费的时间为35分钟

 

 

隧道中的土地冻结的模拟结果

在冷却设备运转了30天以后计算域的中央横截面

 

冷却设备性能仿真结果表明,在第120天,在两条通道上的冰盾就已经完全形成了。而且,第一条通道周围几乎全部都冻上了。这些都可以由下图的仿真结果看出。

 

在隧道处用热虹吸管人工土地冻结的温度模拟结果

在冷却设备运转了120天以后的仿真结果

 

在被热虹吸管冻结120天以后以等温线形式在隧道中的温度分布

對計算的第120天YZ平面部分的等值線

 

項目舉例:

 

FROST 3D

应用人工土地冻结于下列工程的仿真软件包:

 

  • 隧道
  • 礦業
  • 基坑
  • 水壩和堤防
  • 地下儲藏和坦克

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软件开发进展的绩效十分令人满意,并且在关于软件开发进展过程的周报中清楚的表现出来了。

D.G. Dolgikh
副总裁
Fundamentstroyarkos RPA Ltd, 俄罗斯

 

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