富水砂卵石地層全方位高壓噴射工法+盆形垂直凍結溫度場分析

韓琳亮 楊平 趙宇輝

摘 要：為研究全方位高壓噴射（Metro Jet System，MJS）工法+盆型垂直凍結加固砂卵石地層溫度場的發展規律，運用有限元軟件建立加固區溫度場模型，分析不同季節和MJS水化熱對局部凍結區（盆底）及全長凍結區（盆壁）溫度發展的影響。結果表明，加固區內土體縱向凍結交圈時間早于橫向;距凍結管越近，土體相變時間越早，凍結結束時溫度越低，受MJS加固區水化熱影響大的土體溫度會出現先升后降趨勢;全長凍結區受季節影響較大，端部交圈時間夏季比冬季多6～10 d，凍結壁厚度為0.98 m，需采取保溫絕熱措施;MJS加固區影響下初始地溫每升高5.9 ℃，局部凍結區中心處交圈時間延長1 d， 在實際工程中需合理選擇凍結開機時間，保證積極凍結期凍結帷幕形成所需厚度。所得結果可指導實際工程施工。

關鍵詞：MJS水化熱;盆形垂直凍結;溫度場;交圈;凍結帷幕

中圖分類號：U231.3;TU472.9?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）03-0163-12

Analysis of the Omni-directional High Pressure Jet+Basin

Shaped Vertical Freezing Temperature Field in Water

Rich Sandy Pebble Stratum

HAN Linling， YANG Ping*， ZHAO Yuhui

（College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：In order to study the development law of temperature field of sand pebble stratum strengthened by omni-directional high pressure jet （Metro Jet System，MJS）+basin vertical freezing， the temperature field model of reinforcement area is established by using finite element software， and the influence of different seasons and MJS hydration heat on the temperature development of local freezing area （basin bottom） and full-length freezing area （basin wall） are analyzed. The results show that the longitudinal freezing intersection time of soil in the reinforcement area is earlier than that in the transverse direction. The closer it is to the freezing pipe， the earlier the phase change time of soil and lower the temperature at the end of freezing， the temperature of soil greatly affected by hydration heat in MJS reinforcement area will rise first and then fall. The full-length freezing area is greatly affected by seasons， the end circle time is 6-10 days more in summer than in winter， and the thickness of the frozen wall is 0.98 m， so thermal insulation measures should be taken. When the initial ground temperature rises by 5.9 ℃ under the influence of MJS reinforcement area， the circle time at the center of local freezing area is extended by 1 day. In practical engineering， the freezing start-up time must be reasonably selected to ensure the thickness required for the formation of freezing period. The results obtained can guide the actual engineering construction.

Keywords：MJS hydration heat; basin shaped vertical freezing; temperature field; circle; freezing curtain

0 引言

隨著軌道交通線路發展，地鐵車站埋深越來越大，地層和地下水情況更為復雜，給工程施工帶來巨大困難。人工凍結法由于幾乎不受地質條件限制[1-4]，可有效隔絕地下水和提高土體強度[5-7]，已在復雜地層地鐵建設施工中廣泛應用，而凍結溫度場的研究是凍結法應用的關鍵。國內外學者從多個方面對溫度場展開了研究。黃磊等[8]對聯絡通道現場實測，分析去回路鹽水溫度和土體溫度場的發展;馬俊等[9]對平面斜交“Z ”形聯絡通道水平凍結進行研究，分析該類凍結溫度場發展規律;胡俊等[10]建立帶相變的瞬態導熱三維模型研究，與實測對比驗證了數值模擬的可行性;Fan等[11]對聯絡通道凍結溫度場的研究，在淤泥質土中，凍結壁向聯絡通道的發展速度比遠離聯絡通道的發展速度快1.43倍;郜新軍等[12]對富水粉質黏土地層聯絡通道凍結法溫度場變化研究發現凍結壁向凍結管外側發展的速率是向內側發展的1.35倍;胡俊等[13]對大直徑杯型凍結溫度場研究，并分析了溫度場影響參數敏感性。在理論分析方面，由于“成冰”公式保守[14]以及平均溫度理論解的計算公式復雜，胡向東等[15]根據凍結管布置的不同排列，通過數值擬合，得到多排管平均溫度計算公式;劉建鵬等[16]考慮靠近地連墻熱輻射作用對凍結的影響，推導給出雙排及多排凍結管的平均溫度計算公式。在試驗方面，唐益群等[17]對飽和淤泥質黏土進行室內試驗，建立凍結溫度場，總結其凍結鋒面發展與時間的關系。段寅等[18]對拱北隧道管幕凍結進行模型試驗，研究了不同頂管組合方式下管幕凍結效果。

在富水地層周邊有敏感性建筑物，地鐵建設需要止水及嚴格控制變形時，可采用全方位高壓噴射（Metro Jet System，MJS）工法結合凍結法[19]加固方式。郝明強等[20]在上海17號線青浦站3號出入口附近場地進行現場試驗研究，MJS水化熱3～7 d 內溫度達到峰值（60 ℃），持續15 d 后開始降溫，積極凍結時間受水化熱影響需要延長;考慮到凍結法高成本和時間敏感項目的施工，Zhao等[21]通過MJS和凍結法聯合加固南京地鐵7號線下穿既有地鐵站工程數值模擬研究，對合理凍結法開機及凍結時間進行預測。

北京地鐵12號線某車站負三層車站施工中存在超厚砂卵石富水高壓難題，若施工過程中地表沉降過大，易造成建筑物和管線的破壞。擬采用MJS+盆形垂直凍結加固，通過有限元數值模擬，選擇合理凍結開機時間，研究不同季節與MJS水化熱影響下土體局部凍結區（盆底）及全長凍結區（盆壁）溫度發展規律。

1 工程概況

北京地鐵12號線某車站為暗挖地下3層島式站臺車站，雙柱三跨拱形斷面。車站主體長度246.7 m，斷面寬度24.7 m，車站底板埋深約37.93 m，標準斷面頂板覆土約15 m。車站兩端區間均采用礦山法施工。車站位于北三環西路與西土城路東路的交叉路口東側，沿北三環西路東西向設置，路口西北角為薊門里小區，東北角為國家知識產權局，東南角為交通運輸部科學研究院，西南角為明光北里小區。車站周邊規劃以教育科研、居住用地、商業用地和綠地為主。

車站所處地層分布如圖1所示。車站主體負三層地層為卵石-圓礫、粉質黏土、粉細砂和卵石，其物理力學參數見表1，具有滲透性大和不透水層埋深大的特點，且存在水頭標高18.66～21.40 m 的潛水。

車站采用洞樁法暗挖施工，其開挖工序為：

（1）導洞開挖。豎井與輔助橫通道施工完成后，利用小導管法對導洞上部地層進行超前深孔注漿;采用臺階法對導洞進行開挖并施工導洞初期支護。

（2）邊樁與中柱施工。在兩側導洞內施工鉆孔灌注樁和樁頂冠梁;中間導洞內鉆孔，施工中柱下基礎，搭設鋼護筒與鋼管柱，澆筑混凝土。

（3）頂縱梁與扣拱施工。利用大管棚法對扣拱（連接相鄰導洞的拱形結構）上部地層進行超前深孔注漿;臺階法開挖管棚下方土體并施工初期支護。

（4）負一、二層車站土體開挖及主體施工。沿車站縱向分段開挖土體。并依次施工底板梁、底板及側墻。

（5）MJS和凍結法加固。開挖負一層底板以下土體至負二層底板附近，利用MJS工法對車站底板（負三層底板）以下土體進行加固，凍結法對MJS加固區以下土體進行局部凍結并對車站開挖區域四周進行全長凍結。

（6）負三層車站主體開挖。沿車站橫斷面方向切除一半（隔一切一）局部凍結管;開挖負二層底板以下土體至負三層底板設計標高，并及時鋪設墊層;施工車站底板梁、底板及站臺側墻，切除剩余凍結管，回填注漿。

2 加固方案

根據本工程地質和水文條件，可采用MJS+盆形垂直凍結加固土體。MJS工法可以保證在富水砂卵石地層地下工程中加固體的強度和質量，同時輔以垂直凍結進一步加固止水，形成具有一定強度的MJS固結體和人工凍結止水帷幕。該方案兼具MJS工法加固土體強度高與人工凍結法止水性好2種優勢，MJS加固體能夠有效防止承壓水突涌以及抑制后期解凍所產生的融沉問題。

車站負一層底板混凝土強度達到設計要求后，繼續向下開挖土體至負二層底板以上1 m 處。對車站負三層底板以下0～-6 m 地層進行MJS加固，形成長×寬×高為246.7 m ×24.7 m ×6 m 的長方體MJS加固區。單個加固體截面形狀為圓形，直徑2.4 m 、搭接寬度1 m 、漿液水泥摻量45%。

車站采取分區凍結與開挖構筑。MJS加固區形成28 d 后，對各開挖分區進行垂直成孔作業。采用規格為Φ127×6 mm 的20#無縫鋼管對車站負三層底板以下-6～-9 m 地層進行局部凍結，橫向間距2.4 m，縱向間距2 m，形成長×寬×高為246.7 m×24.7 m×3 m 的長方體凍結加固區;凍結管采用規格為Φ159×6 mm的20#無縫鋼管，對車站各開挖區域四周進行全長凍結（間距同局部凍結管），形成直徑約1.5 m的“回”字形垂直凍結帷幕。預計積極凍結時間為60 d，維護凍結時間為75～102 d 。MJS加固區以下凍結壁有效厚度為3 m，凍結壁平均溫度應小于等于-10 ℃ 。為優化確定凍結參數，擬采用數值模擬先行研究。

3 有限元數值模型建立

MJS加固區的水泥摻量為45%，水灰比1∶1，位于車站負三層底板以下地層;而人工凍結法則主要用于MJS加固區底部以及車站開挖區域四周止水。因MJS施工注漿加固區會發生水泥水化反應并產生大量水化熱，進而導致周圍地層初始溫度升高，所以其下部凍結加固區實際凍結效果將受到一定影響。

3.1 基本假定

根據工程實際對計算模型做如下假設：①計算范圍內各土層水平分布，土質均勻，為各向同性熱傳導材料，MJS加固區均勻;②忽略車站負二層底板以下土層分布，只考慮MJS水泥土加固和垂直凍結對透水砂卵石層的影響;③忽略鹽水循環冷量損耗，冷溫荷載直接施加在凍結管管壁節點上;④忽略地下水滲流對凍結溫度場擴展的影響;⑤計算范圍內各土層不同部位初始溫度均相同;⑥假定計算范圍內各土層密度（ρ）、比熱容（c）、導熱系數（λ）均為常量，只考慮地層中的凍結狀態、非凍結狀態，且凍結狀態、非凍結狀態下具有獨立熱參數;⑦假定距凍結加固區較遠的模型外側面為絕熱邊界，開挖掌子面為對流邊界。

3.2 幾何模型和邊界條件

利用有限元軟件ADINA對單一凍結分區車站負二層底板以下土體進行水化熱和凍結溫度場建模，模型采用3-D帶相變瞬態導熱模型。坐標原點位于幾何模型左下角，上邊界取至車站負二層底板。根據凍結壁溫度擴散影響范圍為3～5倍凍結區域，取模型幾何尺寸縱向長度、橫向寬度、垂直高度為：67 m 、45 m 、21 m 。

邊界條件：在幾何模型中與空氣接觸界面的熱傳遞主要以熱對流方式進行，與土體接觸邊界的熱傳遞以熱傳導方式進行。①對不與空氣接觸遠離凍結區域的邊界不約束（設置為絕熱邊界）;②對與空氣接觸的邊界，應在邊界上施加熱對流，同時應根據現場實際設置對流面環境溫度，如圖2所示。

3.3 參數選取

45%水泥摻量的水泥土水化放熱速率采用SHR-6型水泥水化熱測定儀測定。測定方法：①將攪拌好45%水泥摻量的800 g 水泥土加入圓筒中，用中心有黃銅管的蓋子密封;②將試樣裝入真空瓶，并用膠泥密封;③將真空瓶浸入恒溫水槽（水溫（20 ± 0.1）℃）中，通過軟件實時記錄水泥土的溫度變化和水化熱數值。其試驗結果如圖3所示。

模型中砂卵石熱物理參數依據相關文獻[22]給出，水泥摻量45%的MJS水泥土熱物理參數通過室內試驗直接測得，模型土體各項參數見表2。

3.4 荷載處理

MJS水化熱以內熱的形式釋放，以熱荷載的形式施加于加固區。根據室內試驗所得的水化熱放熱速率-時間曲線作為時間函數，以24 h 為一時間步，共設28步。設計積極凍結60 d，以24 h 為一時間步，共設60步。因夏季開機凍結為最不利條件，土層初始溫度設置為20 ℃，考慮水泥發生水化反應，先對MJS加固區水化熱計算，再將計算結果作為凍結溫度場初始溫度。冷源荷載由循環鹽水的溫度施加在凍結管壁外側，鹽水降溫計劃見表3。

氣溫荷載根據北京當地近五年5—7月氣溫數據對平均溫度變化曲線進行線性回歸確定。依據文獻[23]車站負二層底板混凝土與空氣對流換熱系數取16.49 W/（m2·℃） 。

4 模擬結果分析

4.1 MJS 水化熱溫度發展規律分析

凍結溫度場模擬計算前，先對MJS加固體中產生的水化熱溫度場進行模擬計算，得到MJS加固區下部地層（局部凍結區中心剖面Z=4.9 m）因水化熱而升溫過程云圖，如圖4所示。水化熱對周圍土體溫度影響十分明顯，在MJS施工后水泥加固區下部土體溫度隨時間不斷升高，30 d 達到34 ℃，少數邊緣地帶維持在29 ℃ 。MJS加固區中水化反應所產生的熱量從加固土體內部不斷向四周擴散。MJS施工10 d，水化熱影響范圍繼續向四周擴散，并到達局部凍結區以下1.7 m 處;20 d 水化熱影響范圍已基本覆蓋車站開挖區內砂卵石層以及四周全長凍結區，向下已擴散至局部凍結區以下3.4 m 。

4.2 凍結溫度場發展規律分析

MJS水化熱影響下28 d 后的土層溫度作為凍結溫度場計算的初始溫度場，再施加冷源荷載進行凍結溫度場數值模擬計算。

為研究凍結帷幕發展情況，提取Z=4.9 m （局部凍結沿Z軸的中心面）剖面處凍結過程云圖，如圖5所示。凍結加固區溫度受MJS水泥土水化熱影響，地層溫度下降與凍結帷幕發展變化較為緩慢。

凍結20 d，局部凍結區凍結管影響范圍內土體溫度迅速降低至3 ℃，此時全長凍結區已降至-3 ℃;40 d局部凍結區地層溫度全部降至0 ℃ 以下，而全長凍結區溫度大部分已降至-13 ℃ 。此后凍結區內土體溫度持續下降，凍結壁厚度隨時間推移繼續增加，凍結鋒面發展速度先快后慢，60 d 凍結區內土體溫度已基本降至-16 ℃ 。

分析Z=4.9 m 截面土體內部凍結交圈情況，由圖6可知：積極凍結25 d，全長凍結區沿Y軸方向凍土圓柱完成交圈;凍結30 d，全長凍結區（沿X軸與Y軸方向）形成1.13 m 厚“回”字形凍結帷幕，同時局部凍結區沿Y軸方向凍土圓柱完成交圈;凍結管沿Y軸方向布設間距較為密集，因此凍結區凍土圓柱總是沿Y軸方向先于X軸方向完成交圈。全長凍結區先于局部凍結區交圈，主要是全長凍結區凍結管直徑大，傳冷量大、且初始溫度偏低，因此凍土圓柱交圈時間更早;而全長凍結區角點處凍結薄弱，則因外側靠近砂卵石層，冷能損失較多，所以該處土體內部凍結鋒面發展速度最為緩慢。

為進一步分析局部凍結區長方體凍結壁在Z軸方向上的發展變化規律，截取凍結加固區X=-22.5 m （左）與Y=33.5 m （右）2個斷面0 ℃ 等溫線發展變化圖如圖7所示，由圖7可見，在X=-22.5 m 斷面，局部凍結區凍結30 d 交圈。在MJS加固區下方初步形成長方體凍結壁，厚度約1.89 m，并與位于車站開挖區兩側的全長凍結區組成完整的封水結構;此后局部凍結區凍土圓柱繼續沿Z軸正負2個方向擴展，結束時凍結帷幕整體形態呈“凹”字形，局部凍結區厚度約4.24 m 。

對于Y=33.5 m 斷面，凍結管沿X軸與Y軸方向布設間距有所差別，直到凍結35 d 時凍土圓柱才完成交圈;凍結60 d 全長凍結區凍土壁頂部距車站負二層底板仍有一段微小距離，這是因為凍結端面上方即為開挖掌子面，凍結施工時受環境溫度和空氣熱對流影響大，所以在凍結過程中凍土圓柱頂部凍結鋒面發展速度緩慢，積極凍結結束時凍結帷幕頂部尚未達到車站負二層底板所在高度。因此實際凍結施工應采取端部保溫絕熱措施，還應增設凍結管，以確保整個凍結帷幕均能達到設計厚度。

凍結溫度最低點位于局部凍結區沿Z軸方向中心部位靠近全長凍結區一側，原因是局部凍結區上端面與MJS加固區相互接觸，受MJS水泥土產生的水化熱影響較大;局部凍結區下端面與砂卵石層相交，同樣發生著劇烈的熱交換冷量損失巨大，而相對于局部凍結區，全長凍結區內凍結管管徑更粗，同一時間凍結管內集中冷流可提供更多冷能，所以溫度最低處位于局部凍結區沿Z軸方向中心部位靠近全長凍結區一側。

為研究垂直凍結過程中MJS加固區與受水化熱影響下砂卵石層不同斷面上的溫度發展規律，在模型中設置3條分析路徑，如圖8所示。路徑1位于全長凍結區上端面（Z=21 m;Y=13.5 m）頂部凍結效果薄弱處，5個分析點R1-1～R1-5沿X軸正方向坐標依次為X=-9.1、-8.1、-7.1、-6.1、-5.1 m;路徑2位于MJS加固區與局部凍結區交界面（Z=6.4 m;X=-22.5 m），5個分析點R2-1～R2-5沿Y軸正方向坐標依次為Y=51.7、52.7、53.7、55.7、57.7 m;路徑3位于局部凍結區中心（X=-22.5 m;Y=33.5 m），5個分析點R3-1～R3-5沿Z軸負方向坐標依次為Z=8.4、6.4、4.9、3.4、1.4 m;各分析點處地層溫度隨時間變化曲線以及各時刻溫度隨空間變化曲線如圖9—圖14所示。

由圖9和圖10可知，各分析點溫度隨凍結時間延長而下降。距離凍結管中心越遠，冷量傳遞損耗越大，除R1-2外，其余各點凍結60 d 溫度仍在0 ℃ 以上。分析點R1-2在2根凍結管中心處，凍結20 d 溫度仍在0 ℃ 附近，降溫速率由快至慢，凍結60 d 降至-7.3 ℃。此路徑分析點基本不受水化熱影響，起始溫度為22 ℃。 不同時刻土體溫度與凍結管中心連線的空間位置關系基本呈對稱分布，分析點距離中心線越遠，溫度下降趨勢越平緩，說明土體溫度下降速率隨著與凍結管距離的增加而減小。

從圖11和圖12可以看出，分析點R2-2、R2-3溫度下降較快，凍結30 d 時已降至0 ℃ 附近，進入相變階段，持續時間比凍結薄弱區路徑1的短，這是因為該2點距凍結管近，且處于車站開挖區地層內部，與暴露在夏季高溫空氣中的路徑1相比基本不受空氣熱對流影響。由于分析點R2-1相對于R2-2、R2-3更接近MJS加固區中心，故該點所在地層受MJS水泥土水化熱影響更大，導致土體溫度下降相對緩慢，至40 d 時才到達0 ℃。分析點R2-5僅受到單個凍結管的影響且距離較遠（1.2 m），外側與砂卵石土層熱交換劇烈，從開始凍結直至凍結結束溫度幾乎沒有變化，且距凍結管3.2 m 處溫度隨空間變化曲線最終歸于一點，說明MJS水化熱沿Y軸正方向擴散影響范圍在4 m 以內，也進一步說明了幾何模型尺寸取值合理。

由圖13和圖14可知，與MJS加固區距離越小，受MJS水化熱影響越大，分析點R3-1位于MJS加固區內部，凍結0 d 溫度達65.5 ℃。分析點R3-2位于局部凍結區上端面，該處土層與MJS加固區相接觸受水泥土水化熱影響熱交換劇烈;分析點R3-4位于局部凍結區下端面，下部地層為未凍砂卵石層同樣熱交換劇烈，土體在凍結過程中冷量損失大，故該2點土體溫度下降緩慢，凍結40 d 降至0 ℃ 附近。分析點R3-3處于局部凍結區中間截面，土體溫度下降迅速，至30 d 時已到達0 ℃ 。不同時刻土體溫度與局部凍結區中心截面的空間位置關系基本呈對稱分布，且與局部凍結區中心截面相距3.5 m 的分析點R3-1、R3-5直至凍結60 d 時土體溫度僅下降了4 ℃ 左右，依此趨勢，距凍結管4 m 處溫度隨空間變化曲線將歸于一點，說明凍結管所提供的冷量沿Z軸正、負方向擴散影響范圍應在4 m 之內。

綜合3條路徑分析可得，距凍結管越近，土體相變階段時間越早且持續短，凍結結束時溫度越低; MJS加固區中心范圍土體受水泥土水化熱影響較大，溫度會先升再降;全長凍結區端部土體受空氣對流的影響較大，而對內部土體沒影響。MJS水泥土產生的水化熱和凍結管所提供的冷量在地層中的擴散影響范圍小于等于4 m 。

4.3 冬季與夏季對凍結溫度場的影響

為對比冬夏季凍結溫度場發展變化規律的差異性，對冬、夏季不同環境溫度下凍結溫度場進行模擬計算。數值模型除了初始地層溫度與環境氣溫不同外，其他參數條件完全一致。初始地溫夏季20 ℃ 、冬季10 ℃，水化熱溫度分別取第28天MJS加固區溫度場模擬結果，環境氣溫依據北京近5年夏季5—7（冬季10—12）月平均溫度數據回歸取得。

由于全長凍結區頂部端面處空氣熱對流影響大，凍結后60 d 后仍無法交圈，因此選取端面下1 m處（Z=20 m）剖面凍結壁發展結果進行分析，見表4。由表4可見，全長凍結區上端面Z=20 m 處冬、夏季凍結交圈時間和凍結帷幕厚度差異十分明顯，全長凍結區沿Y軸方向夏季交圈時間為26 d，而冬季僅為20 d，相差6 d，凍結帷幕厚度相差0.35 m;同樣，沿X軸方向夏季交圈時間為40 d，冬季僅30 d，相差10 d，且凍結帷幕厚度相差0.68 m。

對局部凍結區中間截面Z=4.9 m 處凍結壁發展結果，見表5，由表5分析得冬、夏季局部凍結區交圈時間一致，不同季節凍結壁厚度相差僅0.04 m。因此季節因素對局部凍結區土體凍結效果影響不大。

4.4 不同地層溫度對凍結溫度場的影響

為探究夏季車站底板下方MJS加固區施工后產生的水化熱對凍結溫度場的影響，分別選取MJS加固后地層初始溫度30、40、50、60 ℃ 模型進行計算。據前文所述，凍結加固區交圈時間主要取決于土體內沿X軸方向凍土發展情況，因此分別對局部凍結區中間截面Z=4.9 m 與全長凍結區端部Z=20 m 處，不同初始地溫時凍結90 d 進行模擬計算，凍結參數匯總見表6。

分析表6得，局部凍結區中間截面Z=4.9 m 處地層溫度每升高1 ℃，土體內凍土圓柱沿X軸方向交圈時間延長約0.17 d，凍結90 d“ 回”字形凍結帷幕厚度減小約8 mm，凍結帷幕平均發展速度下降約0.09 ?mm /d，凍結帷幕達到設計要求（≥1.5 m）所需時間延長約0.3 d;全長凍結區端部Z=20 m 處地層溫度每升高1℃，土體內凍土圓柱沿X軸方向交圈時間延長約0.8 d，90 d“回”字形凍結帷幕厚度減小約7.33? mm，凍結帷幕平均發展速度下降約0.08 mm /d，凍結帷幕達到設計要求（≥1.5 m）所需時間延長約1.73 d 。

增加相同的初始地溫，凍土圓柱交圈時間與凍結壁達到設計厚度（≥1.5 m）所需時間基本呈線性增長，而凍結90 d 時的凍結壁厚度與平均發展速度基本呈線性下降;且車站開挖區土體內部與端部位置沿X軸方向交圈天數差異較大，說明與季節影響因素相同，不同初始地溫對車站開挖區土體內部凍結效果影響不大，而對端面位置凍結效果影響十分明顯。因此，建議在凍結加固區端部鋪設保溫材料進行隔熱處理或增加凍結管，用以提高端部冷凍效果。

5 結論

（1）提出了洞樁法開挖深層富水砂卵石地層MJS+盆形垂直凍結加固方案，并對凍結溫度場計算給出了數值模擬方法，通過數值模擬分析，證明了該工法可行。

（2）距凍結管越近，土體相變階段時間越早且持續短，最終溫度越低;在凍結前期，處于MJS加固區中心位置的土體因受水泥土水化熱影響較大，土體溫度會出現先升再降;全長凍結區端部土體受空氣對流的影響較大，而對內部土體沒影響;凍結管所提供的冷量在地層中的擴散影響范圍小于等于4 m。

（3）季節因素對車站開挖區土體內部凍結效果影響不大，而對凍結加固區端部影響十分明顯，因此夏季凍結施工時，應對凍結端面采取保溫措施（如鋪設隔熱材料聚氨酯），保證凍結壁達到設計厚度與平均溫度。

（4）隨著MJS加固區初始地溫的升高，凍土圓柱交圈時間與凍結壁達到設計厚度（≥1.5 m）所需時間基本呈線性增長;初始地溫每升高5.9 ℃，局部凍結區中心處交圈時間延長1 d 。在MJS加固區水化熱影響下產生不同的初始地溫，須合理選擇凍結開機時間，否則在設計的積極凍結期無法形成所需厚度。

【參 考 文 獻】

[1]梅源，趙良杰，周東波，等.凍結法在富水砂層暗挖施工中的應用[J].中國鐵道科學，2020，41（4）：1-10.

MEI Y， ZHAO L J， ZHOU D B， et al. Application of AGF in underground excavation construction of water-rich sand layer[J]. China Railway Science， 2020， 41（4）： 1-10.

[2]向亮，王飛，靳寶成，等.紅砂巖地層聯絡通道凍結法施工溫度場分布研究[J].土木工程學報，2020，53（S1）：306-311.

XIANG L， WANG F， JIN B C， et al. The distribution of temperature field with the construction of connecting passage in red sandstone formation by freezing method[J]. China Civil Engineering Journal， 2020， 53（S1）： 306-311.

[3]ZHANG C C， LI D W， WANG Z C， et al. Feasibility analysis of freezing method in strong permeability strata[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2021， 719（4）： 042062.

[4]KANG Y S， HOU C C， LI K J， et al. Evolution of temperature field and frozen wall in sandy cobble stratum using LN2 freezing method[J]. Applied Thermal Engineering， 2021， 185： 116334.

[5]胡俊，歐陽素娟，李春芳，等.新型管幕凍結法不同凍結管布置方案溫度場數值分析[J].森林工程，2018，34（3）：86-92.

HU J， OUYANG S J， LI C F， et al. Numerical analysis of development of freezing temperature field in different arrangement of new pipe freezing method[J]. Forest Engineering， 2018， 34（3）：86-92.

[6]江汪洋，楊平，陳斌，等.寧波海相軟弱土層人工凍土強度特性試驗[J].林業工程學報，2017，2（5）：126-131.

JIANG W Y， YANG P， CHEN B， et al. Experimental study on strength properties of artificial frozen soil in marine soft soil area of Ningbo City， China[J]. Journal of Forestry Engineering， 2017， 2（5）： 126-131.

[7]黃星，李東慶，明鋒，等.凍土的單軸抗壓、抗拉強度特性試驗研究[J].冰川凍土，2016，38（5）：1346-1352.

HUANG X， LI D Q， MING F， et al. Experimental study of the compressive and tensile strengths of artificial frozen soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（5）： 1346-1352.

[8]黃磊，劉文博，吳雨薇，等.南寧地鐵東濱區間聯絡通道凍結法加固施工監測分析研究[J].森林工程，2019，35（6）：77-85.

HUANG L， LIU W B， WU Y W， et al. Monitoring and analysis of reinforcement of Dongbin section communication channel of Nanning metro[J]. Forest Engineering， 2019， 35（6）：77-85.

[9]馬俊，胡導云，楊平.平面斜交聯絡通道水平凍結及實測分析[J].隧道建設（中英文），2019，39（12）：1965-1972.

MA J， HU D Y， YANG P. Horizontal freezing and measurement analysis of plane oblique connection gallery[J]. Tunnel Construction， 2019， 39（12）：1965-1972.

[10]胡俊，衛宏，劉勇.凍結法加固地鐵聯絡通道周邊土層溫度場發展規律研究[C].2016中國隧道與地下工程大會（CTUC）暨中國土木工程學會隧道及地下工程分會第十九屆年會論文集，2016，10：284-292.

HU J， WEI H， LIU Y. Temperature field development at cross-passage of subway improved by ground freezing method[C]. Proceedings of China tunnel and Underground Engineering Conference （CTUC） and the 19th Annual Meeting of Tunnel and Underground Engineering Branch of Chinese Society of Civil Engineering， 2016， 10：284-292.

[11]FAN W H， YANG P. Ground temperature characteristics during artificial freezing around a subway cross passage[J]. Transportation Geotechnics， 2019， 20：100250.

[12]郜新軍，李銘遠，張景偉，等.富水粉質黏土中地鐵聯絡通道凍結法試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2021，40（6）：1267-1276.

GAO X J， LI M Y， ZHANG J W， et al. Field research on artificial freezing of subway cross passages in water-rich silty clay layers[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2021， 40（6）： 1267-1276.

[13]胡俊，楊平.大直徑杯型凍土壁溫度場數值分析[J].巖土力學，2015，36（2）：523-531.

HU J， YANG P. Numerical analysis of temperature field within large-diameter cup-shaped frozen soil wall[J]. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36（2）： 523-531.

[14]何挺秀，胡向東.凍土帷幕平均溫度“成冰”公式的適應性研究[J].低溫建筑技術，2009，31（5）：77-81.

HE T X， HU X D. Study on adaptability of “chengbing” formula for average temperature of frozen soil wall[J]. Low Temperature Architecture Technology， 2009， 31（5）： 77-81.

[15]胡向東，郭曉東.直線排管凍結凍土帷幕平均溫度通用公式[J].煤炭學報，2016，41（4）：850-857.

HU X D， GUO X D. Unified formula for average temperature of frozen soil wall by row-piped freezing[J]. Journal of China Coal Society， 2016， 41（4）： 850-857.

[16]劉健鵬，沈陽，楊平，等.地連墻影響下多排管凍結壁平均溫度計算方法[J].地下空間與工程學報，2019，15（5）：1425-1433，1450.

LIU J P， SHEN Y， YANG P， et al. Average temperature calculation methods for straight multi-row-pipe frozen soil wall considering the influence of diaphragm wall[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2019， 15（5）： 1425-1433， 1450.

[17]唐益群，洪軍，楊坪，等.人工凍結作用下淤泥質黏土凍脹特性試驗研究[J].巖土工程學報，2009，31（5）：772-776.

TANG Y Q， HONG J， YANG P， et al. Frost-heaving behaviors of mucky clay by artificial horizontal freezing method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2009， 31（5）： 772-776.

[18]段寅，榮傳新，程樺，等.不同頂管組合方式的管幕凍結溫度場模型試驗[J].冰川凍土，2020，42（2）：479-490.

DUAN Y， RONG C X， CHENG H， et al. Model test of freezing temperature field of the freeze-sealing pipe roof method under different pipe arrangements[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（2）： 479-490.

[19]楊平，趙記領，張存，等.MJS法與水平凍結法聯合加固承壓富水砂性地層交疊車站下穿段的體系及其施工方法：CN109296371A[P].20190201.

YANG P， ZHAO J L， ZHANG C， et al. System and construction method of MJS method and horizontal freezing method for strengthening the underpass section of overlapping station in confined water rich sandy stratum： CN109296371A[P]. 20190201.

[20]郝明強，張帆，李永迪，等.MJS工法與凍結法結合加固區溫度場研究[J].建筑科技，2018，2（6）：80-84，93.

HAO M Q， ZHANG F， LI Y D， et al. Cross use of MJS and freezing method for temperature field improvement[J]. Building Technology， 2018， 2（6）： 80-84， 93.

[21]ZHAO J L， YANG P， LI L. Investigating influence of metro jet system hydration heat on artificial ground freezing using numerical analysis[J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2021， 25（2）： 724-734.

[22]李思齊，楊平，趙方舟.礫石地層凍土熱物理特性研究[J].水文地質工程地質，2018，45（6）：122-126，149.

LI S Q， YANG P， ZHAO F Z. A study of the thermal physical properties of frozen soil in gravel layers[J]. Hydrogeology & Engineering Geology， 2018， 45（6）： 122-126， 149.

[23]趙宇輝，楊平，王寧，等.下穿車站交疊區域MJS+水平凍結加固解凍溫度場研究[J].林業工程學報，2021，6（4）：159-166.

ZHAO Y H， YANG P， WANG N， et al. Study on MJS + horizontal freezing reinforcement and thawing temperature field in the overlapped area of the underpass station[J]. Journal of Forestry Engineering， 2021， 6（4）： 159-166.