地鐵聯絡通道凍結法施工凍融全過程溫度場發展特性及影響因素分析*

黃 潔 何 亮 陳軍浩

(1.中煤科工集團南京設計研究院有限公司，210031，南京; 2.地下工程福建省高校重點實驗室，350108，福州∥第一作者，高級工程師)

為保證地鐵運營安全，區間隧道每間隔600 m必須設置1條聯絡通道。常規聯絡通道處上下行繞路的線間距為10～15 m。凍結法因具有加固與止水效果良好、提升地層強度明顯、綠色無污染、能適用在絕大部分地層中等優點，而被廣泛應用[1-3]。自2000年以來，軟弱地層中的聯絡通道普遍采用“水平凍結法加固+礦山法開挖”的施工模式[4-6]。凍結工法雖加固優點突出，但由于軟弱土層具有含水率高、強度低、結構性強、壓縮性高等特點，在凍結加固后土體存在凍脹、融沉、部分區域凍結壁薄弱等風險，故采用凍結法施工的聯絡通道加固與開挖項目時有事故發生[7-9]。針對聯絡通道凍結法施工的安全問題，國內外已有眾多專家學者開展研究。文獻[10]從去回路鹽水溫度、凍結帷幕溫度、地表變形3個方面總結某線路工程監測的變化規律，并對凍結效果、風險評估進行分析；文獻[11]考慮了滲流作用影響，采用蟻群優化算法對地鐵隧道開挖人工凍結方案進行優化；文獻[12-16]通過有限元計算開展凍結壁溫度場發展規律影響研究，并得出一系列與凍結變化相關的結論。通過查閱文獻可以發現，針對溫度場發展的研究大部分都是停留在凍結加固階段，而對聯絡通道開挖階段以及后期融化階段溫度場發展變化的研究還較少。本文結合福州地鐵凍結法工程實例，進行聯絡通道凍結-融化全過程凍結溫度場發展變化規律研究，以期進一步掌握聯絡通道施工全過程的安全與穩定性。

1 工程概況

福州地鐵2號線金山站—金祥站區間聯絡通道處的中心線間距為17.0 m，聯絡通道頂板埋深為10.15 m，其上方的市政道路下埋設了多條市政管線。聯絡通道自上而下土層主要為2-5-2粗中砂(稍密)、2-5-2粗中砂(中密)及2-4-2淤泥質土。設計采用水平凍結法加固+礦山法開挖法施工。聯絡通道為直墻半圓拱形狀，凈寬為2.50 m，凈高為2.70 m。凍結壁設計厚度正常通道段為1.8 m，喇叭口處為1.5 m；平均溫度≤-10 ℃。設計凍結孔數59個。聯絡通道結構及凍結孔布置情況如圖1和圖2所示。

尺寸單位:mm

2 凍結溫度場數值模擬分析

2.1 建立凍結溫度場模型

采用ANSYS有限元分析軟件進行建模分析。考慮到積極凍結結束后溫度場影響范圍為實際尺寸的2～3倍，本文按3倍影響范圍進行分析。結合工程實際尺寸，建立40 m×30 m×24 m的計算模型。由于聯絡通道所處的地層以粗中砂(中密)為主，因此本次計算對所有地層采用均一化處理，單元類型為SOLID70。土體常溫與低溫條件下導熱系數分別為1.45 W/(m·K)及1.89 W/(m·K)，其余計算參數與地質勘察數據保持一致。計算時將溫度荷載與現場實際鹽水回路溫度保持一致，并將溫度直接施加在凍結管上，設置初始地溫為23 ℃。有限元計算模型圖見圖3。

a)單元網格劃分

2.2 不同斷面的溫度場發展對比

聯絡通道喇叭口處與一般通道段為整個聯絡通道代表性位置，故選取積極凍結階段該兩處斷面溫度場發展情況進行分析，見圖4及圖5。

a)凍結21 d

a)凍結21 d

由圖4及圖5可以看出：不同斷面受凍結管布置而影響凍結壁輪廓線的差異較大，喇叭口處凍結壁呈馬蹄形，一般通道處凍結壁呈類矩形狀；在凍結早期，凍結管內外側相同距離處的土體溫度差異較小。凍結壁交圈后，凍結管內、外側水力聯系隔絕，其中：內側土體因體量小并處于封閉空間，且土體溫度僅受凍結管冷量的影響，故仍保持較大降溫速率；外側土體體量大并與大地直接相連，其土體溫度在受凍結管冷量影響的同時，還受大地熱源影響，因此外側土體降溫速率較內側土體降溫速率小。

2.3 不同時段的溫度場發展對比

由凍結溫度場模型，可分別獲得聯絡通道一般通道段截面積極凍結時段、維護凍結時段、自然解凍時段的溫度場分布情況，如圖6所示。

a)積極凍結階段

聯絡通道在3個不同凍結階段結束時溫度分布存在一定差異。在積極凍結階段結束時，斷面凍結壁的有效厚度平均值達2.62 m，遠大于設計厚度(1.80 m)；平均溫度達-11.3 ℃，低于設計值(-10 ℃)，滿足開挖條件要求。在維護凍結階段，由于保持-25 ℃的溫度荷載，因此凍結壁有效厚度平均值進一步增加，達到2.85 m，但凍結壁平均溫度為-11.5 ℃，近乎保持不變，表明在維護凍結階段，凍結壁強度與穩定性都得到進一步加強，為施工安全性提供了更大的保障。在自然解凍階段，凍結管停止供冷，凍結壁受大地熱源影響，凍結管內外側土體溫度逐漸回升，且外側土體溫度回升速率高于內側。

3 凍結溫度場現場實測與分析

為掌握聯絡通道凍結溫度場發展情況，在地層中布設了C1—C8共8個測溫孔，其中C1、C2在主凍結側，C3—C8在輔凍結側，C1、C5、C8在凍結管外側，其余測溫孔在凍結管內側。每個測溫孔均埋設有3個測點，測點深度分別為0.9 m、2.0 m、3.0 m。為減小外界對土體降溫影響，選取孔深為3.0 m的測點溫度變化情況進行對比分析，見圖7所示。溫度數據采集包括聯絡通道積極凍結階段(45 d)與維護凍結階段(22 d)，其中維護凍結階段即聯絡通道開挖構筑階段。

圖7 測溫孔溫度變化曲線

從圖7可以看出：在積極凍結前期，靠近凍結管內側土體溫度下降較快；在積極凍結后期，凍結管內外側土體降溫速率相當；在維護凍結階段，土體溫度處于平穩狀態，溫度變化較小。考慮測點與凍結管之間距離，以及各測點溫度降至-1 ℃(土體結冰溫度)所需要時間，可獲得測點處土體降溫速度，計算得出凍結管內側5個測點及外側3個測點的降溫速度平均值分別為30.7 mm/d及24.4 mm/d，即凍結管內側土體降溫速度為外側土體降溫速度的1.26倍。

為能更好地校核模型的有效性，將C2測溫孔2.0 m深處溫度模擬值與實測值進行對比，如圖8所示。

由圖8可以看出，C2測溫孔的模擬溫度與實測溫度皆隨時間增加而逐漸降低，變化趨勢保持一致，兩者平均溫度變化速率差值僅為0.03 ℃/d。可見，凍結溫度場模型能較好地反映工程實際溫度變化。

圖8 C2測溫孔2.0 m深處溫度模擬值與實測值

4 凍結溫度場發展影響因素

地鐵聯絡通道凍結溫度場發展受多種因素影響。從土層埋藏條件來看，地層初始地溫與土體導熱系數對溫度場發展影響較大。基于此，本文通過變換初始地溫與導熱系數兩個參數，分析對比C2測溫孔深2.0 m處測點的溫度變化情況。考慮到本工程施工期間(10月份)實際平均地溫為23 ℃，故選取初始地溫為20 ℃、23 ℃、26 ℃；導熱系數按本工程實際導熱系數的0.9倍、1.0倍、1.1倍取值。通過有限元計算可得測點溫度變化情況如圖9所示。

從圖9 a)可知，C2測點2.0 m深處，土體溫度降至結冰溫度所需時間與初始地溫呈正相關的關系，即初始溫度越高，所需的時間越長。當初始溫度為20 ℃、23 ℃、26 ℃時，土體溫度降至結冰溫度的時間分別為16 d、18 d、19 d。隨著凍結時間增長，土體最終降溫趨于一致。主要特點為：地溫越高則初期凍結管周圍溫差大，所需冷量越大，則土體降溫至結冰溫度時間越長。當降至結冰溫度后，凍結管周邊溫差減小，其熱量交換速率減緩，導致不同地溫之間的溫度變化差異逐漸減小，且最終趨于一致。

從圖9 b)可知，C2測點2.0 m處的土體溫度降至結冰溫度所需的時間與導熱系數呈負相關的關系，即導熱越大所需時間越短。當導熱系數為實際導熱系數的0.9倍、1.0倍、1.1倍時，土體由初始土溫降至結冰溫度的時間分別為21 d、18 d、16 d。而且當土體溫度降至結冰溫度后，不同導熱系數的降溫曲線差值增大，主要原因為土體溫度降至結冰溫度后，水受冷凍結、釋放潛熱，降溫變緩，導熱系數越大，則相變“階梯”越短，進而導致凍結后期雖然土體降溫趨勢一致但差值明顯。至凍結45 d時，0.9倍與1.0倍實際導熱系數影響下的測點溫度差值為1.96 ℃，而1.0倍與1.1倍實際導熱系數影響下的測點溫度差值為2.28 ℃。

a)初始地溫對測點溫度變化的影響

5 結論

1)土體溫度變化受凍結管布置影響較大，凍結管內側土體降溫速度可達外側土體降溫速度的1.26倍。

2)與積極凍結階段末期相比，維護凍結階段溫度場凍結壁有效厚度進一步增大，但平均溫度變化較小，維護凍結有利于凍結壁強度與穩定性提升。

3)聯絡通道凍結溫度場發展在凍結早期受地層初始地溫影響較大，在凍結后期受導熱系數影響較大。