越江泥水平衡盾構倉內水平凍結溫度場研究

摘要：人工凍結技術可以短期提升地層穩定性并隔絕地下水，是在江底構建臨時盾構檢修環境的有效方法，而已有研究成果尚無法對凍結施工過程的評價提供參考。依托南京市新濟洲越江供水廊道工程，研究了盾構泥水倉內形成凍土過程中溫度分布特征及影響規律。結果表明：通過盾構工作面的接力換熱裝置，可將地面低溫鹽水以較小循環壓力輸入凍結管，從而降低凍結管內鹽水滲漏風險，在穩定凍結階段工作面鹽水溫度較地面溫度偏高約2.5 ℃；施工過程中凍結管端頭溫度的變化過程基本一致，但受到凍結管周圍地層吸熱能力差別的影響，間距較大位置的凍結管端頭溫度偏高約1 ℃；盾構結構鋼材導熱性能和散熱系數的差別會影響冷量傳遞過程，造成盾構刀盤周圍位置的凍土溫度偏低3 ℃左右，而盾構面板的散熱導致相應位置的凍土溫度偏高約4 ℃；在水平凍結管最大布置間距3.12 m的條件下，凍結80 d時可將盾構泥水倉全部凍實，從而具備打開盾構泥水倉進行盾構應急檢修的施工條件。

關 鍵 詞：富水地層；泥水平衡盾構；凍結溫度場；越江供水廊道工程

中圖法分類號：TU47

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.021

0 引 言

作為隧道建設中高效的機械施工方法，盾構法在城市軌道交通^［1］和水利水電^［2］等領域的隧道施工中發揮了重要的作用^［3］，特別是在水下不穩定的富水地層中，盾構更能發揮控制地層變形的優勢^［4-5］。當盾構單次推進距離長，或者遭遇不良地質條件時，常常會遇到開倉等不可預計的突發檢修情形，這就需要在地層中構建常壓檢修環境，對盾構進行應急檢修^［6-10］。人工凍結技術可以短期提升地層穩定性并隔絕地下水^［11］，是構建盾構常壓檢修環境的有效施工方法，在盾構設備應急檢修中發揮了重要作用^［12］。在開倉換刀等復雜盾構檢修過程中，凍結加固后常壓換刀方式較帶壓換刀具有更好的安全性^［13］，特別是采用液氮垂直凍結等方式時，低溫快速的液氮凍結特點更能凸顯盾構常壓開倉換刀的實用性和經濟效益^［14］。

施工中凍結管布置方式會顯著影響凍土形成過程及凍結壁溫度分布特征，是人工凍結技術應用中必須關注的關鍵因素^［15］。而凍結施工過程還需要考慮盾構結構的限制^［16］，所以一般都選用地面垂直凍結的方式。采用地面施工垂直鉆孔并下放凍結管的豎直凍結方式對盾構刀盤前方土體進行加固，可以取得理想的加固效果，易于滿足盾構開倉的施工需求^［17］，特別是在冷凍加固地層中可以打破盾構常壓換刀受場地環境的限制，開創了盾構安全開倉換刀的新途徑^［18］。而不同凍結管布置方式^［19］、周圍結構的限制也會影響凍土形成過程^［20］，呈現出特有的溫度場演變規律，從而影響凍結設計和施工效果評價結果^［21］。同時，復雜環境中盾構周圍凍結施工對盾構及環境的影響評價也需要考慮凍結管布置方式^［22］，在凍結設計和施工中采取措施來減小影響^［23-24］。

目前人工凍結施工均采用豎直凍結方式，而南京新濟洲越江供水廊道工程中盾構停機位置處于長江航道底部，不具備地面施工垂直凍結孔的條件，只能從盾構內部施工水平凍結孔來完成凍結施工，而盾構結構限制了水平凍結管的布置位置，形成了大間距的凍結管布置方式。同時，隧道內狹小施工空間也無法布置冷凍設備，需要從地面制備低溫冷媒并長距離輸送至工作面，從而造成低溫冷媒溫度升高，影響凍結施工過程。凍結管水平布置方式和冷源溫度升高，會影響凍土形成過程與溫度場分布特征，已有研究成果無法對凍結施工過程的評價提供參考。為此，本文依托南京市新濟洲越江供水廊道盾構檢修凍結加固工程，對施工過程進行全流程監測，分析鹽水干管及泥水倉內凍土溫度的變化過程，研究凍結施工過程中凍脹力的變化規律，以獲得泥水倉內凍結壁溫度場的分布特征，從而形成在盾構泥水倉內通過水平凍結構建盾構檢修環境的新方法，可在江底、海底等不具備地面施工環境的盾構檢修工程中推廣應用，施工過程中獲得的溫度場監測數據，可為類似凍結工程設計和施工評價提供參考。

1 工程概況

1.1 地質條件

南京市新濟洲越江供水廊道工程采用復合式泥水平衡盾構掘進施工，隧道全長1 945 m，線路平面呈直線狀，縱斷面成“V”字坡，最大坡度為4.58%，如圖1所示。盾構臨時停機位置處于過江廊道最低點附近的軟硬不均勻段內，停機位置盾構中心埋深44.02 m，需要在該位置進行盾構常壓開倉檢修。

根據地質勘察資料，盾構停機位置刀盤頂部約1/4處于②-6 a含礫中粗砂地層，下部3/4范圍處于④-2 p破碎狀中風化閃長玢巖，具體如圖1所示。

1.2 凍結管和測溫孔的布置

根據復合式泥水平衡盾構結構特點和凍結需要，共布置20根近水平凍結管，其中利用盾構周圍超前注漿孔布置C1～C12凍結管12根，長度為3.58 m，與盾殼開孔角度呈13.5°向四周發散布置，凍結管間最大間距3.12 m。利用盾構面板上超前水平地質鉆孔布置A1～A4凍結管4根，長度至刀盤位置。另外利用盾構面板上貫通閥門，在盾構回轉中心四周布置B1～B4凍結管4根，與水平方向呈10°向四周發散布置，長度至刀盤位置。

同時，利用盾構面板上貫通閥門布置2個測溫孔T1、T2，其中T1孔深2.5 m，T2孔深1.9 m。利用盾構面板閥門設置X1～X3共3個泄壓孔監測凍結過程中泥水倉內壓力變化情況，凍結管與測試孔的具體布置如圖2所示，其中1-1截面為凍結孔終孔斷面，2-2截面為凍結孔開孔斷面。

1.3 凍結施工過程

受到盾構內部狹小檢修環境限制，凍結施工中制冷站布置在地面，通過隧道內布置的輸送管路將低溫鹽水輸送到工作面。由于盾構埋深達44.02 m，如果循環管路內低溫鹽水直接輸入凍結管內，管路內較大的循環壓力易造成凍結管出現鹽水滲漏現象，影響凍結效果，所以在盾構工作面設置接力換熱器，地面循環的低溫鹽水與工作面換熱器交換后，獲得低壓力的低溫鹽水經循環泵輸入凍結管內，而完成凍結過程。

為了平衡凍結管間的凍結效果，不同分圈凍結管串聯形成凍結循環系統，凍結管端頭之間連接方式及去、回路設置如圖3所示。凍結施工開始10 d后鹽水溫度降低到-25 ℃以下，積極凍結75 d后盾構泥水倉內全部形成凍土，滿足盾構開倉檢修施工要求。凍結施工期間，對凍結系統及測溫孔內的溫度、泄壓孔壓力進行了監測。

2 施工過程監測數據分析

2.1 地面制冷系統的溫度變化過程

凍結施工期間地面制冷系統將低溫鹽水輸送到盾構工作面，管路去、回路溫度變化過程如圖4所示。從圖4可以看出，受益于地面良好的散熱條件，制冷設備運轉效率高，凍結施工開始后循環管路內的鹽水溫度下降趨勢明顯，10 d后鹽水溫度即降低到-30 ℃以下，滿足凍結施工要求。凍結施工期間，除凍結18 d時因短時停電引起溫度少許回升外，去、回路鹽水溫度總體波動較小，基本維持在穩定狀態，保證凍結施工順利進行。

從地面制冷系統至盾構工作面的鹽水輸送管路長度約1 200 m，在管路進行良好保溫條件下，凍結施工期間干管去路溫度維持在-32 ℃左右，而去、回路溫差小于1.5 ℃，這說明隧道內輸送管路的散熱量較小，不會影響正常凍結施工。所以，在類似施工中，對管路進行保溫處理后，輸送長度不超過1 200 m的鹽水管路不會影響整體凍結施工效果，從而將冷凍設備設置在地面，可創造良好的施工條件。

2.2 工作面鹽水溫度變化過程

凍結施工期間，盾構工作面位置鹽水溫度的變化過程如圖5所示。工作面鹽水是由地面輸送的低溫鹽水經接力換熱器交換后獲得，所以工作面鹽水溫度變化過程與地面制冷系統的鹽水溫度變化過程基本一致。凍結10 d后工作面鹽水溫度降低到-25 ℃以下，除冷凍設備受短時停電檢修而停機影響外，凍結施工期間工作面鹽水溫度保持基本穩定。

工作面設置的接力換熱裝置縮短了循環系統的管路長度，而整體凍結管長度相對較小，所以工作面干管去、回路鹽水溫度差別較小。開始凍結時工作面去、回路干管鹽水溫度相差0.3 ℃左右，保證了良好的凍結效果，而凍結40 d后鹽水去、回路的溫差縮小到0.1 ℃，這是由于地層中形成凍土之后，縮小了凍結管與地層之間的溫差，從而降低了冷量傳遞效率，所以去、回路的溫差一直維持在較低水平。在穩定凍結階段，與地面制冷系統的鹽水溫度相比，工作面干管去路溫度偏高約2.5 ℃，但溫度一直維持在-29.5 ℃，可以保證凍結施工效果，符合凍結施工規范要求。

2.3 凍結管端頭回路溫度變化過程

凍結過程中，不同凍結管循環系統的端頭回路溫度如圖6所示。從圖6可以看出，凍結管端頭回路溫度的變化過程受到鹽水干管溫度的影響，其變化過程與鹽水干管溫度變化趨勢基本一致，而且其波動范圍相對較小。在凍結前4周時間內，地面制冷系統的持續制冷作用使凍結鹽水溫度不斷降低，從而導致凍結管端頭溫度也持續降低。至凍結4周后，鹽水干管溫度降低到-29 ℃以下后，凍結管端頭回路溫度基本穩定在-28 ℃左右，僅在第7周時干管溫度的波動引起凍結管端頭回路溫度略有回升。總體來說，凍結管端頭溫度波動范圍不大，凍結施工期間的凍結器一直處于良好運轉狀態，可以保證良好的凍結效果。

對比不同凍結管循環系統的回路溫度可以看出，開始凍結階段凍結系統的平衡性相對較差，不同凍結管端頭回路溫度差別較大。隨著鹽水溫度的降低，凍結管內鹽水與周圍地層間的較大溫差導致熱交換效率提升，不同凍結管端頭的溫度差別相對較小。而進入穩定凍結階段后，凍結管周圍形成的凍土限制了低溫鹽水冷量向四周地層傳遞，不同位置凍結管釋放冷量的差別導致溫度回升幅度不同，所以不同凍結管端頭溫度出現差別。

相應地，盾構上部凍結循環的端頭溫度與盾構下部也存在差別。在快速降溫階段，與周圍地層劇烈熱交換使凍結管內鹽水溫度回升幅度大，所以盾構上、下部的凍結管端頭溫度基本一致。而進入穩定凍結階段后，盾構上部位置含礫中粗砂地層中富含水會直接影響凍結管的傳熱過程，造成上部凍結管端頭溫度的差別偏大。凍結施工中，應根據凍結管回路溫度來評估凍結效果，保證凍結管端頭溫度相差不大，從而提升形成凍結壁的均勻性。

2.4 測溫孔溫度監測

2.4.1 T1測溫孔溫度

凍結過程中，T1測溫孔內不同深度測點的溫度變化如圖7所示。從圖7可以看出，凍結開始后T1測溫孔內各測點溫度快速下降，這是由于凍結管內鹽水溫度與盾構泥水倉內泥漿之間的溫差較大，較大溫度梯度提升了冷量傳遞效率，使泥漿溫度下降速度快，凍結20 d時泥漿溫度即降低到0 ℃以下。在泥漿降溫階段，深度2.0 m和2.5 m的測點溫度偏高，這是因為深度2.5 m位置測點靠近刀盤，鋼質刀盤的比熱容大，刀盤降溫需要更多冷量，造成相應位置測點溫度偏高。

泥水倉內的泥漿溫度降低到0 ℃后，泥漿中的水結冰會釋放潛熱，阻止泥漿溫度進一步降低，所以泥水倉內的泥漿溫度會維持在0 ℃附近一段時間。由于泥漿含水量大，泥水倉內溫度維持在0 ℃約30 d，直至泥水倉內全部凍實后，溫度才開始進一步降低。凍結70 d后，測點溫度基本穩定，泥水倉內形成的凍土進入平衡狀態，凍結管輸入地層的冷量主要用來平衡周圍未凍土向盾構泥水倉內傳遞的熱量。

受到盾構面板散熱的影響，凍結開始后盾構面板位置（深度為0）的測點溫度一直偏高，直至凍結70 d后測點溫度才降低到0 ℃以下。深度2.5 m位置的測點與盾構刀盤接觸，鋼材良好的導熱性能使刀盤位置測點溫度偏低，凍結80 d時該位置測點溫度達到-15.8 ℃，而此時泥水倉內其它深度的溫度維持在-10 ℃左右。泥水倉內中間位置的測點受盾構結構的影響小，不同測點之間的溫度差別不大。

2.4.2 T2測溫孔溫度

凍結期間T2測溫孔內不同測點的溫度變化過程如圖8所示。T2測溫孔距離鄰近A2凍結管的距離為398 mm，凍結管周圍凍土的快速擴展使得T2位置測點溫度在凍結20 d時即降低到0 ℃以下，各測點溫度并未在0 ℃持續較長時間，這是由于凍結管距離測溫孔較近，凍土快速擴展并通過測溫孔后，自由水結冰釋放的潛熱被凍結管傳導過來的冷量平衡，使測點溫度持續降低。受到盾構面板散熱的影響，盾構面板表面測點的溫度偏高4 ℃左右，而深部測點距離盾構刀盤0.6 m，未受到盾構刀盤結構影響，所以測點溫度維持在-12 ℃左右，而且泥水倉內不同測點之間的溫差相對較小。

由于T2測溫孔距離凍結管更近，所以與T1測溫孔相比，各測點溫度在凍結62 d后即進入基本穩定狀態，較T1測溫孔提前一周，而且凍結80 d時T2測溫孔深部和淺部測點溫度分別為-14.3 ℃和-8 ℃，較T1測溫孔對應位置的溫度偏低3 ℃左右，這也說明泥水倉內形成的凍土不均勻，評價凍結壁質量時應考慮不同深度的溫差對凍結壁質量的影響。

2.5 泄壓孔壓力變化

凍結施工期間，X1、X2、X3三個泄壓孔的壓力變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出，開始凍結后3個泄壓孔的初始壓力均保持在0.43MPa左右，和施工位置的水頭壓力基本相當，而從工程地質條件可以看出，盾構上部地層主要為粗砂層，與江水存在水力聯系，所以在未隔斷與江水聯系前，不具備盾構開倉檢修條件，采用凍結法來隔斷泥水倉與外部地下水的聯系，是盾構常壓檢修的前提。

從3個泄壓孔的壓力變化過程來看，X3泄壓孔在凍結24 d時壓力有少許增長后即降低至0，說明凍土擴展超過了X3測溫孔位置。而X2泄壓孔凍結25 d時壓力開始上漲，凍結30 d時上漲至0.55 MPa，泄壓后表現為無壓力狀態，也說明凍土發展范圍超過X2泄壓孔位置。X1泄壓孔凍結68 d時壓力才開始上漲，凍結70 d時壓力上漲至0.68 MPa，泄壓后壓力為0。泄壓孔壓力升高的原因是凍結壁形成后隔斷了泥水倉與外部的水力聯系，封閉空間內水結冰后體積膨脹引起水壓力升高。3個泄壓孔與鄰近凍結管的距離相差不大，但泄壓孔壓力開始增長的時間相差較多，這是因為盾構復雜結構的導熱影響了泥水倉內凍結壁形成形狀，同時不規則的凍結孔布置方式也使泥水倉被形成的凍結壁分割成不同封閉區域，造成不同區域內泄壓孔壓力開始增長的時間存在差異。而對于泄壓孔X3，至凍結68 d才開始壓力增長的原因是因為受到盾構面板散熱影響，泥水倉內部全部凍實后，盾構面板的散熱使泥水倉的面板后側與外部存在水力聯系。盾構面板溫度降低到0 ℃后，才會隔斷泥水倉與外部水力聯系，表現為泄壓孔壓力開始增長。所以，從圖9中可以看出，凍結68 d后盾構面板位置測點溫度降低到0 ℃，隔斷與外部水力聯系后，X3泄壓孔壓力才開始增長，相應的封閉空間內泄壓后，泄壓孔的壓力降低到0。

3 討 論

3.1 鹽水干管溫度的變化對比分析

凍結施工期間，地面和工作面位置鹽水干管的去、回路溫度變化過程如圖10所示。

地面低溫鹽水通過布置在隧道內的鹽水干管輸送到工作面，經過浸沒于鹽水箱內的換熱器進行熱交換后，回流至地面制冷站，形成地面制冷系統的循環過程。而工作面干管將鹽水箱內獲得的低溫鹽水輸送到凍結管循環內，從而完成凍結施工過程，所以在凍結施工過程中，工作面干管去、回路鹽水溫度與地面鹽水溫度的變化趨勢基本一致，特別是凍結10 d后鹽水溫度降低到-20 ℃以后，地面干管內的鹽水溫度波動會立即引起工作面干管鹽水溫度變化，從而影響凍結過程，凍結施工中只需監測地面干管或者工作面干管內的鹽水溫度，即可評價凍結施工效果。

受到工作面鹽水箱內換熱器工作效率的影響，地面干管去、回路的鹽水溫度均低于工作面干管內的鹽水溫度，在凍結開始后的快速降溫階段，地面干管和工作面干管內的鹽水溫度相差較小，而在鹽水溫度降低到-20 ℃之后，兩者之間的溫差相對較大，維持在2.5 ℃左右。這是因為在快速降溫階段，工作面鹽水箱內的溫度相對較高，較大溫差使鹽水箱內的換熱器工作效率較高，換熱之后地面干管和工作面干管的溫度相差不大，而當鹽水溫度降低到-20 ℃以后，換熱器工作效率的降低加大了兩者之間的溫差。所以施工中應適當降低地面工作站獲得的鹽水溫度，或者提高工作面鹽水箱內換熱器的工作效率，在工作面獲得較低鹽水溫度，從而保證凍結期內的循環鹽水溫度滿足施工規范要求。

3.2 不同深度測點溫度比較

為了比較不同深度測點溫度的差別，將凍結80 d時T1、T2測溫孔內不同深度測點的溫度分布繪制在圖11中 。

從圖11可以看出，受到盾構面板散熱的影響，凍結80 d時兩個測溫孔位置的面板表面測點溫度均偏高約3.6 ℃，而隨著測點深度增加，溫度逐漸降低。這是由于面板表面散熱僅會影響較淺深度泥水倉內的凍結效果，隨著深度增加，影響程度相應降低，而深度超過0.5 m測點的溫度相差不大，這說明面板散熱的影響深度不會超過0.5 m。對于深部測點來說，盾構刀盤的良好導熱性能使其成為低溫冷源，受其傳熱影響，隨著測點距離刀盤越近，溫度逐漸降低，特別是T1測溫孔內深度2.5 m位置測點，此處緊貼盾構刀盤，其溫度較中間位置測點偏低約3.2 ℃。所以，盾構鋼材良好的導熱性能及空氣中的散熱，對泥水倉內凍結效果影響較大，施工中應考慮盾構結構對凍結效果的影響，在盾構結構上設置溫度測點，獲取監測數據來評價凍結壁的質量。

凍結80 d時，T1、T2測溫孔內對應位置溫度相差3 ℃左右，這是由于測溫孔與凍結管的距離不同造成的。T2測溫孔距鄰近凍結管較近，所以溫度偏低，這也再次說明了泥水倉內形成的凍結壁均勻性差，凍結效果分析中應注意評價凍結壁不均勻性對封水及承載性能的影響。

3.3 凍結管端頭溫度對比分析

盾構開倉前，凍結管端頭溫度分布如圖12所示。從圖12可以看出，凍結管端頭溫度隨著凍結進行而逐漸降低，這是因為隨著地層中凍土形成，地層與凍結管間溫差的縮小會削弱冷量交換效率，縮小凍結管內鹽水溫度回升幅度，造成凍結管端頭回路鹽水溫度逐漸降低。凍結12周時凍結管循環系統的最低回路溫度為-29 ℃，較工作面干管溫度偏高，這是由于輸入凍結管內的鹽水向周圍地層內傳輸冷量，引起凍結管端頭鹽水溫度的回升。

比較不同凍結管端頭溫度可以發現差別較大，凍結9周時C7、C4凍結管的端頭溫度偏高約1.5 ℃，這是由于這兩根凍結管間距較大，凍結管向四周傳熱量多而使凍結管內鹽水溫度升高幅度大。隨著凍結施工的進行，凍結管周圍形成凍土后，減少了從凍結管吸收的冷量，造成不同凍結管端頭溫差的進一步縮小。凍結12周時，C3～C4凍結管端頭回路溫度仍偏高1 ℃，這是由于兩根凍結管均處于含礫中粗砂地層，高含水率地層凍結需要吸收冷量更多，導致凍結管端頭溫度偏高，但不同凍結管循環系統之間的最大溫差均小于1 ℃，說明凍結系統整體較平衡，凍結均勻性好。

3.4 凍結效果評價

凍結80 d后，T1、T2測溫孔內所有測點溫度均低于-5 ℃，而3個泄壓孔的壓力均為0，說明凍土擴展范圍已遍及盾構泥水倉。根據凍結管向外冷量傳遞的對稱性，周圈凍土向盾構外部擴散，從而形成斷面遠大于盾構范圍的凍土，進一步提升了泥水倉內隔絕地下水及承載能力，保證了施工的安全。盾構開倉前形成的凍土范圍如圖13所示，其中凍結管間距較大位置的凍土擴展范圍偏小。此時將盾構面板上的其他閥門全部打開，均無水流流出，也證明了盾構泥水倉內處于全部凍實狀態。

通過盾構人倉進入泥水倉后，發現泥水倉內形成質量良好的凍結壁。由于盾構刀盤內的凍結管布置方式與泥水倉基本相同，盾構刀盤內也相應形成了與泥水倉內相似的凍結壁。在盾構刀盤內凍結壁的維護作用下，清理盾構泥水倉內空間，形成臨時盾構檢修環境，如圖14所示。清理過程中盾構泥水倉內凍結壁質量較好，清理后盾構周圍呈現良好結霜現象，驗證了盾構外部空間形成的凍結壁質量滿足盾構常壓檢修要求。

4 結 論

本文依托南京市新濟洲越江供水廊道工程，首次完成了江底盾構泥水倉內的水平凍結施工及泥水倉內臨時檢修，通過分析凍結施工過程中的溫度和壓力監測數據，得到以下結論：

（1）利用泥水平衡盾構上的注漿孔、超前地質探孔和貫通閥門布置水平凍結管，在凍結管最大間距3.12 m條件下，凍結80 d時可將盾構泥水倉全部凍實，隔斷盾構與外部水力聯系，構建盾構檢修環境，解決了江底、海底等盾構應急檢修施工難題。

（2）地面低溫鹽水通過長1 200 m的鹽水管路及工作面接力換熱裝置輸入凍結管后，溫度升高約2.5 ℃，但可以降低凍結管內鹽水循環壓力，減小凍結管滲漏風險。

（3）盾構結構會顯著影響泥水倉內凍結壁形成過程，而凍結管間距也會影響凍結管傳熱效率，所以盾構泥水倉內形成的凍結壁均勻性較差。施工中應通過溫度和壓力監測數據綜合分析判斷，來評價不同斷面位置凍結壁的質量。

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（編輯：胡旭東）

Study on horizontal freezing temperature field in mud tank of mud-water balance shield

in cross-river water supply corridor projectSHI Zhan¹，ZHANG Tiejun¹，LI Meixiang²，BO Yin¹，CHEN Shiguang³，SHI Rongjian⁴

（1.Changjiang Survey，Planning and Design Research Co.，Ltd.，Wuhan 430014，China； 2.Nanjing Jiangning District Embankment Reservoir Management Institute of Jiangning District，Nanjing 211103，China； 3.China Construction Eighth Engineering Bureau Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China； 4.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract： It is an effective method to construct a temporary shield maintenance environment at the bottom of rivers by isolating connection with the external groundwater after horizontal freezing in the shield mud tank.However，the existing research results cannot provide a reference for the evaluation of the freezing construction process.Based on the cross-river water supply corridor project of Xinjizhou in Nanjing，the temperature distribution characteristics and influence law in the process of forming frozen soil in shield mud tank were studied.The results show that through the relay heat exchanger of the shield working face，the ground low-temperature brine can be pumped into the freezing pipe with a small circulating pressure，thereby reducing the risk of brine leakage in the freezing pipe.During the stable freezing stage，the brine temperature of the working face was about 2.5 ℃ higher than the ground temperature.The change process of the temperature at the end of the freezing pipe during the construction process is basically the same，but due to the difference in the heat absorption capacity of the strata around the freezing pipe，the temperature at the end of the freezing pipe with a large spacing was about 1 ℃ higher.The difference between the thermal conductivity and the heat dissipation coefficient of the shield structure steel will affect the cold transfer process，resulting in the temperature of the frozen soil around the shield cutterhead about 3 ℃ lower，while the heat dissipation of the shield panel causes the temperature of the frozen soil at the corresponding position about 4 ℃ higher.Under the condition that the maximum spacing of the horizontal freezing pipe was 3.12 m，the shield mud tank can be frozen completely after 80 days of freezing，so that the construction conditions for opening the shield mud tank in emergency maintenance can be realized.

Key words： water-rich stratum；mud-water balance shield；freezing temperature field；cross-river water supply corridor project