超長聯絡通道凍結溫度場發展特性分析

摘要：掌握超長地鐵聯絡通道凍結溫度場的變化規律，能夠預測分析地層凍結溫度場的發展狀況。本文首先研究超長聯絡通道凍結設計方案，從凍結效果、凍結施工難度等方面進行分析，決定采用雙側隧道安裝凍結機組的施工方案。根據監測數據驗證土體凍結方案的可行性。最后進行凍結溫度場數值模擬分析，采用ANSYS有限元軟件建模，對比模擬結果和工程施工現場實測結果，兩者的吻合程度高，驗證了有限元數值模擬分析方法的可靠性，現場溫度監測結果顯示，凍結溫度場具有階段性發展規律特性：第1階段，平均降溫速率為1.37 ℃/d，鹽水與土層溫差較大使得土層溫度快速下降；第2階段，土體降溫速度達到0.90 ℃/d；第3階段，降溫速度放緩，由于熱交換趨于平衡而下降至0.5 ℃/d以內，至此則基本完成了超長聯絡通道土體的積極凍結。積極凍結期結束能夠安全地進行超長聯絡通道施工活動。

關鍵詞：地鐵隧道；超長聯絡通道；凍結法；現場監測；數值模擬

中圖分類號：TU44" "文獻標識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0096-05

Development Characteristic Analysis of Freezing Temperature Field in Ultra-Long Contact Channel

LIU Dejun

（China Railway 16th Bureau Group Beijing Metro Engineering Construction Co.，Ltd.，Beijing 101100，China）

Abstract：To master the changing law of freezing temperature field in ultra-long subway communication channels，it can predict and analyze the development of freezing temperature field in strata.This paper first studies the freezing design scheme of ultra-long subway contact channel，analyzes the freezing effect，freezing construction difficulty and other aspects，and decides to adopt the construction scheme of double-sided tunnel installation of freezing units.According to the monitoring data，the feasibility of the soil freezing plan was verified.Finally，the numerical simulation analysis of the freezing temperature field was carried out，and ANSYS finite element software was used to build a model，and the simulation results were compared with the measured results on the construction site.The high degree of agreernent between the two verified the reliability of the finite element numerical simulation analysis method，and the field temperature monitoring results showed that the freezing temperature field has the characteristics of phased development：in the first stage，the average cooling rate is 1.37 ℃/d，and the temperature difference between brine and soil layer is large，which makes the soil layer temperature drop rapidly；in the second stage，the cooling rate of soil reaches 0.90 ℃/d；in the third stage，the cooling rate slows down and drops to less than 0.5 ℃/d because the heat exchange tends to be balanced，so that the active freezing of the soil in the ultra-long contact channel is basically completed.The end of the active freezing period can safely carry out the construction activities of the ultra-long contact channel.

Keywords：subway tunnel；super ultra-long communication channel；freezing method；field monitoring；numerical simulation

1 工程概況

蘇州市軌道交通S1線洞庭湖站-時代大廈站區間，左右線隧道總長1 535.664 m，合建聯絡通道與廢水泵房，聯絡通道于左DK24+391.22、右DK24+392.500處分別與左、右線隧道相交。常規聯絡通道中心距一般為11 m～13 m，而此聯絡通道中心直徑為29.41 m，頂部覆蓋土體埋深約16.50 m。上部以淤泥質粉細砂土層為主，下部以含有液化砂層和軟土層的淤積夾砂土層為主。調查資料顯示，土層的穩定性差，透水性強，在此類特殊地質條件下進行長距離聯絡通道鉆孔施工時，施工難度高，容易引起偏斜現象，甚至誘發安全事故?？紤]到現場施工條件的特殊性，經過技術可行性分析后，決定采用凍結法開挖聯絡通道。

2 凍結孔位設計

在本工程中采用單側凍結方法時，會存在如下問題。

1） 鉆孔難度大，鉆孔作業的可控性差，容易引起鉆孔偏斜，不利于后續的凍結施工，且由于聯絡通道的距離過長，將增加所需冷量。

2） 只有在單側開挖面布置足量的凍結機組和凍結管后，凍結壁的厚度才能夠達到設計要求，但隧道施工空間狹窄，加大了施工難度[1]。

雙側隧道安置凍結機組對土體進行凍結的方案相比于單側凍結模式具有以下優勢：①提高凍結孔的準確性。由于凍結孔在兩側隧道中進行布置，可以減少由于距離過長和鉆孔難度大而造成的偏斜問題，從而提高凍結孔的準確性。②減少所需冷量。相比于單側凍結，雙側隧道安置凍結機組的方案可以減少所需冷量。由于凍結孔在兩側隧道中布置，冷量可以從兩側同時傳導，減少了冷量的損失。③降低施工難度。采用雙側隧道安置凍結機組的方案可以減少單側開挖面的密集凍結管和凍結機組，避免有限空間內各類設施分布過于密集的情況，降低施工難度。相比單側凍結模式，在雙側隧道安置凍結機組進行凍結時，能夠更有效地保證凍結效果，適用于超長距離聯絡通道。

綜合考慮凍結有效、施工便捷、安全可靠等要求后，擬采用雙側隧道安裝凍結機組的施工方案，按上仰、水平、下俯3種角度布置凍結孔，使聯絡通道及泵房凍結壁具有均勻性，對于喇叭口及拱頂，布置雙排孔，以保證凍結效果。聯絡通道凍結孔總量為165個，其中左線隧道83個，右線隧道82個，凍結孔成孔間距1.3 m，單側單孔最長為34.8 m。

凍結孔偏斜時，凍結壁厚度不均勻，且以聯絡通道中間區域凍結壁厚度不足的問題尤為明顯，導致凍結效果差，可能引起涌水、涌砂等事故。為避免該問題，綜合考慮凍結管偏斜、現場地質條件等因素后，在聯絡通道中間規劃長度為6 m的凍結管交叉區域，使此部位的凍結柱交圈，形成厚度達標且均勻的凍結壁。施工主要凍結設計參數見表1。

3 現場監測分析

3.1 凍結溫度場分布規律

3.1.1 土體凍結溫度

對于右線聯絡通道，按照如圖1所示的要求布置開挖面的凍結孔與測溫孔。以拱肩的J2測溫孔為例，根據溫度變化，分3個階段進行分析。

第1階段：降溫速度達到1.37 ℃/d，凍結孔中的鹽水與土層溫差較大是溫度較快下降的主要原因；土體溫度降低至0 ℃左右時，降溫速度減小至0.68 ℃/d，此變化主要與相變潛熱有關。

第2階段：土體溫度下降至0 ℃以下，土中的水固結成冰，土體降溫速度加快至0.90 ℃/d，在此階段已經基本完成潛熱釋放。

第3階段：土體溫度日差在0.5 ℃以內，測點溫度變化趨于平緩，此時土體與鹽水熱交換基本平衡，由原本的積極凍結發展至維護凍結，形成穩定可靠的凍結壁。

3.1.2 管片處土體溫度

凍結初期，管片處土體溫度以較快的速度下降且速率略超過深部土體，此現象是土體吸收鹽水冷量所致；臨近管片的土體由于管片與空氣的對流換熱作用而緩慢降溫，相比遠離管片的深部土體而言，溫度更高。根據該溫度變化規律，建議對管片處土體采取保溫隔熱措施，提供合適的溫度條件以保證管片處土體的正常凍結。

3.1.3 凍結交叉區域土體溫度

以J2測溫孔為例，溫度變化曲線見圖2。各測溫孔在最深處測點凍結降溫速度從17 d起開始加快，從此類測點的分布位置來看，則恰好是凍結管交叉部位。隨著左線隧道土體凍結作業持續進行（開始時間為右線凍結17 d后），交叉區域土體的冷量有所增加，在低溫條件下，促進凍結壁的固結。左線凍結管交叉區域的溫度以較快的速度下降，主要與右線凍結管的輔助降溫作用有關，此現象說明：在兩側隧道布置凍結機組后，可以提升凍結能力，更加有效地促進聯絡通道中部土體的凍結。

3.1.4 各土層的凍結性能

土層的組成、含水率等均是影響土體凍結效果的關鍵因素。為分析不同土層的凍結性能，從不同的土層中選取測溫孔，分析各自的溫度數據。J1，J5測溫孔分別位于淤泥質粉細砂土層、淤泥夾砂土層，對比分析在相同凍結天數時各自的溫度，J1，J5測溫孔對應土層溫度降低至0 ℃分別需要16 d，23 d，平均降溫速度分別為1.46 ℃/d，1.08 ℃/d，根據溫度降低速度，認為J1測溫孔所在土層的傳熱能力更強。J1，J5測溫孔所在土層在土體與鹽水熱交換趨于平衡時的平均溫度分別為-12.61 ℃，-15.05 ℃，對比分析溫度數據可知，淤泥夾砂土層溫度更低，凍結效果更好。究其原因，主要與該土層含水量較高（66.4%）有關[2]。

3.2 凍結壁厚度與平均溫度

3.2.1 凍結壁厚度

取J1～J4，J12測溫孔（位于淤泥質粉細砂土層）和J5～J11，J13測溫孔（位于淤泥夾砂土層）進行分析，各自的凍結壁發展速度見表2。

根據表2可知，不同土層的溫度發展速度存在差異，按設計積極凍結期為50 d考慮，從實地測量結果來看，達到該時間后，右側拱腳的凍結壁較其他部位更好，為2.15 mm，但即便最薄部位也符合凍結壁厚度為2 m的要求，因此各部位的凍結壁厚度均達標。

3.2.2 凍結壁平均溫度

以J1～J8，J12測溫孔周邊凍結壁為研究對象，按積極凍結期50 d考慮，各自的平均厚度見表3。結合超長聯絡通道凍結施工經驗，宜在凍土平均溫度達到-10 ℃時才可開挖，而凍結壁有效厚度的平均溫度為-14.18 ℃，根據兩者的關系，可知凍結平均溫度符合要求。

4 凍結溫度場數值模擬及分析

4.1 基本思路

聯絡通道建模采用ANSYS17.0有限元軟件。根據上文提及的設計方案，在聯絡通道中設置了中部凍結交叉區域，解決了常規方式下中部凍結壁偏薄弱的問題，無需作為重點建模分析對象，而由于交叉區域前的單側凍結管遠端僅有少量的凍結管，加之與凍結交叉區域較遠，獲得的冷量有限，可能難以取得良好的凍結效果，因此選取此區域截面進行建模分析，再根據分析結果綜合評價凍結溫度場的特點[3]。

4.2 模型的構建

模型的邊界尺寸為結構凍結壁的4倍寬度，構建25 m×25 m的土體模型，在土層中創建32根Φ108 mm×8 mm凍結孔模型（見圖3），用于反映截面凍結孔的開孔情況，再基于布爾運算形成整體模型。網格劃分方式為遠端土體疏散劃分，凍結區域和土層交接部位密集劃分，以期通過此網格劃分方式來提高計算精度，獲得更加準確的有限元模擬分析結果。

4.3 基礎條件

土層初始溫度設為24 ℃，凍結管邊界區受到凍結管鹽水溫度的影響，有限元建模分析考慮的是鹽水溫度由0 ℃降低至-28 ℃的情況，研究在不同溫度條件下的凍結管邊界區實際情況。

4.4 結果分析

在建立有限元模型后，進行瞬態熱分析，研究溫度分布規律，繪制土體凍結輪廓圖，見圖4。根據模擬情況，進行如下分析。

1） 凍結管周邊土體降溫開始時間早于遠離該管的土體，且越接近凍結管，土體降溫的時間越早、降溫速度越快，由于凍結時間和凍結速度的差異，產生環形凍結柱并具有逐步擴大的發展趨勢，最終形成凍結壁。凍結柱交圈出現時間為土體凍結25 d后，此模擬結果與基于實測數據推測的交圈時間吻合，滿足凍結方案設計的交圈時間控制要求[4]。

2） 對比分析相同測溫點的模擬溫度數據和實測溫度數據，判斷兩者的一致性。圖5為J12測點不同凍結天數的模擬值和實測值。分析發現，在凍結天數相同的前提下，J12測溫點的模擬值和實測值相差量＜2 ℃，兩者具有較高的一致性。

3） 凍結60 d時，不同土層的凍結壁厚度存在差異，以淤泥夾砂土層中側墻凍結壁最?。?.59 m）。隨著凍結時間的延長，凍結壁厚度有所增加，至26.5 m處開挖時，對應凍結時間為120 d，最小厚度增加至2.77 m，雖然該部位凍結壁的厚度比其他部位更薄，但仍滿足“凍結壁厚度為2 m”的要求。

4） 不同土層的凍結壁厚度存在差異，其中較厚的是淤泥質粉細砂土層，此結果與前文的監測分析結果相符，即淤泥質粉細砂土層能夠以更快的速度凍結。因此，在相同凍結時間內，對于快速凍結的土層，凍結壁相對更厚。

5 結語

1） 現場溫度監測結果顯示，凍結溫度由1.37 ℃/d降到0.90 ℃/d，最后降至0.5 ℃/d，直至完成超長聯絡通道土體的積極凍結。

2） 土體與隧道管片的距離不同時，降溫速度存在差異，隧道管片周邊土體的降溫效果可能由于其與空氣對流換熱而受到影響，因此需要針對土體與管片交界處進行保溫隔熱處理，以減少土體降溫的干擾因素。

3） 相同凍結條件下，不同土層的凍結特性各異，以淤泥質粉細砂土層、淤泥夾砂土層為例，溫度降低至0 ℃這一過程中的平均降溫速度分別為1.46 ℃/d，1.08 ℃/d。

4） ANSYS有限元數值模擬結果與超長聯絡通道凍結施工現場監測結果較為吻合，數值模擬結果具有可靠性。根據模擬結果可知，各土層、各部位的凍結壁厚度均符合要求。

5） 以單側打孔凍結的方法處理超長聯絡通道時，遠端凍結管的凍結交圈時間推遲，且難以保證凍結壁的厚度?？紤]到該方法的局限性，提出雙側凍結的方案，從凍結壁的厚度、平均溫度多個方面進行對比分析，研究此方案在超長聯絡通道中的可行性。結果表明，在科學設計和規范施工后，采用雙側凍結方案能夠有效解決單側打孔凍結的不足，同時保證了通道中部凍結管交叉區域的凍結效果。

參 考 文 獻

[1]李軍，張鵬飛，王靜.地鐵區間聯絡通道凍結法施工技術[J].中國安全生產科學技術，2023（S1）：136-143.

[2]李展鵬.粉質黏土層聯絡通道凍結法加固施工技術[J].廣東交通職業技術學院學報，2023（3）：20-24，65.

[3]趙晉龍.凍結法在地鐵工程區間聯絡通道施工中的應用[J].工程技術研究，2023（8）：70-72.

[4]趙恩旺.冷凍法聯絡通道施工風險因素探究[J].工程建設與設計，2020（6）：154-155.

編輯：楊 洋