雙線隧道地層順次凍結流熱耦合分析

摘要：

人工凍結法具有隔水性能好、凍結地層強度高、施工地層適應性強等特點，被廣泛運用到富水地層施工中，而地下水流動會對凍結溫度場產生重要影響。依托一并行隧道順序凍結工程，開展了凍結溫度場現場監測。同時建立流熱耦合數值模型，研究地下水滲流速度對近距離并行隧道順序凍結溫度場發展的影響。結果表明：① 各測溫孔監測數據與數值模型模擬結果一致，數值模型具有一定可靠性。② 處于滲流區上游的凍結管會降低地下水溫度，冷量隨水流動被攜帶至下游地層。上游左線凍結壁的形成會降低下游右線地層的地下水流速。③ 單線凍結管圈首先于上側、下側和處于下游的右側形成局部凍結體，局部凍結體逐漸擴展，最后于左側管圈處實現完全交圈。④ 當地下水滲流速度大于1.0 m/d后，左右兩線交圈時間差隨滲流速度的增加而增加。⑤ 在有地下水滲流的地層中進行順序凍結法施工，應優先進行上游處凍結施工，可有效提高施工效率。

關" 鍵" 詞：

地層凍結； 人工凍結法； 流熱耦合數值模型； 凍結溫度場； 滲流速度； 地下水

中圖法分類號： U455

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.022

收稿日期：2024-01-18；接受日期：2024-04-08

基金項目：

國家自然科學基金項目（52378414）；南昌軌道集團科研項目（2019HGKYB003）

作者簡介：

胥" 明，男，高級工程師，主要從事城市軌道交通工程管理研究。E-mail：xumingxm163@163.com

通信作者：

張志強，男，教授，博士，主要從事隧道與地下工程研究。E-mail：clarkchang68@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0164-09

引用本文：

胥明，陳星，張慧鵬，等.雙線隧道地層順次凍結流熱耦合分析

［J］.人民長江，2025，56（1）：164-172.

0" 引 言

凍結法通過人工制冷的方式來降低土層溫度，使土中的水凍結，從而將離散的土顆粒凍結為整體以提高土層強度，保障施工安全。由于凍結法施工具有止水性好、復雜地層適應性強等特點［1］，近年來在隧道施工中得到越來越廣泛的運用［2-3］。人工地層凍結溫度場是一個有相變、移動邊界、內熱源以及復雜邊界條件的瞬態導熱問題，滲流場對溫度場的發展具有重要影響［4-5］。隨著土層中地下水流速的增大，水與凍結帷幕間的熱交換和水對凍結管冷量的運輸作用顯著增強，這會導致凍結壁交圈時間增加甚至無法交圈，威脅施工安全［6］。因此，研究滲流作用下人工凍結溫度場的發展具有重要的工程意義。

針對地下水滲流作用下的凍結法施工問題，諸多學者從現場試驗、數值模擬與室內試驗等方面開展了大量研究。黃建華等［7］分析了凍脹變形分布規律和設置卸壓孔前后凍結暗挖隧道的位移變化特點。王琳［8］闡明了凍結法在水工隧道工程中的應用可行性，并在引洮供水工程中成功應用。楊凡等［9］構建了水熱耦合數學模型，并進行大型物理模型試驗，研究了大流速地下水作用下凍結法鑿井單圈凍結孔優化布置方法。董艷賓等［10］提出在地下水流上游位置加密布置凍結管的優化設計，解決了大流速地下水作用下凍結管凍結壁不易交圈或交圈延遲的問題。黃潔［11］、郜新軍［12］等通過現場實測與有限元數值計算相結合的方法，分析了凍結溫度場凍融全過程發展特性及影響因素。榮傳新等［13］研制了一套監測地下水不同流速對凍結溫度場影響的試驗裝置系統，發現凍結管的“群管效應”可以有效減小水流對凍結區域的不利影響，為大流速地下水作用下凍結管的優化布置方案提供了重要參考。董新平等［14］就地層熱力學參數、凍結參數和施工工藝等對凍結壁的厚度、交圈時間及平均溫度的影響進行了研究。向亮［15］、吉艷雷［16］等提出了改進的穩態凍結溫度場計算公式，利用數值模擬和工程數據探討了其適用性，提高了凍結壁厚度取值的可靠性。王斌等［17］分析了定向滲流誘導的非均質凍結壁的力學特性，發現凍結壁的承載能力隨著水流速度的增大而減小。李珂等［18］研究了砂卵石中三維溫度場敏感性與其演變規律。

上述研究多集中在單線凍結帷幕在地下水滲流作用下的凍結溫度場，對富水地層中近距離并行隧道順序凍結的研究還鮮有報道。鑒于此，本文結合南昌一并行隧道順序凍結工程，開展現場測試研究凍結帷幕的發展規律；建立流熱耦合數值模型，以現場測試結果驗證數值模擬有效性，研究不同地下水滲流速度下近距離并行隧道順序凍結的溫度場發展特征，以期為類似工程提供參考。

1" 工程概況與凍結設計

南昌一新建雙線隧道下穿既有車站工程采用“凍結法加固土層，礦山法開挖”的施工方案。單線的水平凍結管布置方案如圖1所示，凍結施工設計參數如表1所列，左右線凍結管布置參數相同。依據相關人工凍結法設計和施工規范，凍結區域內應設置測溫孔監測凍結壁厚度、凍結壁平均溫度和開挖區附近地層凍結情況等。測溫孔宜布置在凍結孔間距較大的凍結壁界面上或預計凍結薄弱處，且凍結壁內外設計邊界上均應布置測溫孔。當地下水流可能會對凍結壁擴展產生較大影響時，還需在地下水流的上下游方向布置測溫孔。考慮上述因素，C1～C8為實際施工測溫孔布置位置，測量凍結帷幕范圍內不同部位的溫度發展狀況，每根測溫孔內布置4～6個測點。采用順序凍結開展凍結施工，右線于左線施工30 d后開始降溫。圖2為凍結施工現場。

2" 現場監測

2.1" 循環鹽水溫度

控制好凍結管中循環冷媒的溫度是保證凍結加固施工質量的關鍵。在凍結施工開始后，監測凍結站干管去路與回路的鹽水溫度。施工全過程鹽水溫度變化及去回路溫差見圖3。由圖3可知，凍結施工7 d時，去路凍結管溫度降至-21.3 ℃，回路為-20.1 ℃，符合設計要求。凍結15 d時，去路鹽水溫度-24.1 ℃，回路-23 ℃。凍結45 d時，鹽水溫度為-29.4 ℃，去回路溫度基本一致，溫差僅0.8 ℃。在整個凍結施工期間內，去回路溫差曲線基本保持為一條水平直線，其數值在2 ℃以內，符合設計要求。

2.2" 測溫孔平均溫度

為推算凍結壁溫度以及凍結溫度場發展速度，施工中對左線測溫孔溫度進行監測。如圖4所示，計算測溫孔中所有測溫點的溫度平均值，繪制各個測溫孔平均溫度隨時間變化曲線。由圖4可知，各測溫孔所測量到的溫度隨時間變化的整體趨勢相似，但數值存在較大差異，其中C6測溫孔降溫幅度最小，在凍結40 d后溫度達-4.03 ℃，其次是C7測溫孔，凍結40 d后降溫至-10.25 ℃。除C6、C7溫測溫孔外，其余測溫孔降幅度相近。凍結效果最好的為C2、C3測溫孔，分別降溫至-24，-22.6 ℃。出現上述現象的主要原因在于，施工地層為富水地層，C6、C7測溫孔布置于凍結管圈較稀疏的區域上，且C6測溫孔位于地下水滲流方向上游處，流動的孔隙水減慢了向C6測溫孔的冷量傳播速率，使降溫速度變慢。C2、C5、C8等位于滲流方向下游的測溫孔降溫速度顯著快于C6。

2.3" 凍土發展半徑

根據凍結孔降至0 ℃的天數和到最近凍結孔距離，可求得各測點凍土的發展速度，見表2。左線凍結45 d時，取凍土中所有測點最慢發展速度30.2 mm/d計算出單管凍結帷幕發展半徑為1.359 m。以最慢發展速度計算出的凍土發展半徑為基準繪制交圈圖，如圖5所示。由圖5可知，上部最薄有效凍結帷幕厚度為3.368 m，大于2.5 m，底部最薄有效凍結帷幕厚度2.539 m，大于2.0 m，凍結壁厚度均滿足設計要求。

2.4" 凍結壁平均溫度

凍結壁的平均溫度是凍結方案設計、凍結工程施工和凍結壁安全狀態評判必不可少的基本參數。凍結壁內平均溫度計算示意見圖6。當計算整個凍結壁的平均溫度時，根據平均溫度定義，可得到平均溫度的表達式為

T=1V∫VTdv（1）

式中：T為體積V中的平均溫度；V為體積。

將單管穩定溫度分布式［19-20］代入式（1）可得到圓管壁內平均溫度為

T=T1+T2-T1r2r12-1r2r12（lnr2r1-12）+12（2）

式中：T1和T2分別為凍結壁溫度和土層凍結溫度；r1，r2分別為凍結壁內、外側的距離；V1和 V2分別為凍結壁內、外側體積。

凍結壁內側的平均溫度：

T1=Td+Tc-Tdξ1+ηEdξ12-1ξ1+ηEdξ12×lnξ1+ηEdξ1-12+12（3）

式中：Td為巖土體的凍結溫度；Tc為鹽水溫度；ξ1和 ξ2分別為凍結鋒面距中心的距離；Ed為凍結壁厚度；η為擴散系數。

凍結壁外側的平均溫度：

T2=Tc+Td-Tcξ2ξ1+ηEd2-1ξ2ξ1+ηEd2×lnξ2ξ1+ηEd-12+12（4）

將凍結壁內、外兩側加權平均得到凍結壁內的平均溫度：

T=V1T1+V2T2V1+V2（5）

陳文豹等［21］在煤礦井筒凍結法施工大量實測數據基礎上，總結回歸得到了單排管凍結壁平均溫度的計算公式：

Tcp=Tc（1.135-0.352l-0.8753E+0.266lE）""" +0.25tn-0.466+ts（6）

式中：Tc為凍結管外表面的溫度，可取鹽水溫度；E為凍結壁厚度；l為凍結孔間距；tn為開挖后井幫溫度，取內側測溫孔最高溫度；ts為雙圈孔凍結的附加溫度，一般取-2.5～-1.5 ℃。

“成冰”公式廣泛應用于人工地層凍結法的凍結壁平均溫度計算，凍結壁的平均溫度是判別凍結壁是否具有足夠強度的指標，影響著對凍結法施工進程的控制。目前國內工程界依舊廣泛使用“成冰”公式來計算各種凍結管形式的凍結壁平均溫度。通過“成冰”公式計算得出凍結45 d時，左線下部基巖層凍結帷幕平均溫度為-12.0 ℃，上部礫砂層凍結帷幕平均溫度為-13.1 ℃。何挺秀［22］、胡向東［23］等對“成冰”公式的適用性進行了研究，發現“成冰”公式計算出的凍結壁平均溫度偏高，結果偏保守。公式計算結果表明，即使在保守的計算方法下，左右線凍結壁平均溫度仍滿足“小于-10 ℃”的設計要求。

3" 流熱耦合模型建立

3.1" 基本假設

凍結土體由巖土骨架、水、冰、空氣多相組成。人工地層凍結溫度場是一個有相變、移動邊界、內熱源以及復雜邊界條件的瞬態導熱問題。為簡化模型，本研究做出如下假設：

（1） 凍結過程初始狀態為含水飽和狀態。

（2） 不考慮不同凍結管溫度荷載的差異，即各凍結管溫度荷載相同。

（3） 滲流過程中不考慮滲流引起的質量損失，且地下水滲流簡化為二維滲流問題。

（4） 土體與凍結土體為連續均勻、各向同性介質。

3.2" 流熱耦合方程

當含有地下水的土體溫度下降接近至水凝固點時，孔隙水開始相變成冰。在相變過程中，孔隙水的減少也相應地改變了土體的滲透系數，阻礙地下水滲透作用。水發生相變所產生相變潛熱會影響凍土溫度場的分布，阻礙低溫凍結鋒面的推進。且伴隨凍結的進行，凍土中包含的土、冰、水三相比例發生變化，土體的熱力學參數（導熱系數k、比熱容C）時刻發生變化。

根據多孔介質傳熱及達西滲流原理，考慮相變時的傳熱方程如下：

（ρC）eff Tt+ρfCv，fu·SymbolQC@T+SymbolQC@·q=Q（7）

q=-keffSymbolQC@T（8）

（ρC）eff=εpρfCf+θsρsCs（9）

keff =εpkf+（1-εp）ks（10）

ρf=θ1ρ1+θ2ρ2（11）

Cf=1ρf（θ1ρ1C1+θ2ρ2C2）+LαmT（12）

式中：T為介質溫度場；t為瞬態分析時間；（ρC）eff為多孔介質中孔隙等效比熱，是多孔介質中各組成的算術平均值；Cv，f為流體體積熱容；θs為多孔介質中骨架占比；εp為介質中孔隙率；ρf，ρs分別為流體（包含固相、液相）密度、多孔骨架密度；Cf，Cs分別為流體（包含固相、液相）熱容、多孔骨架熱容；keff為等效導熱系數；kf，ks分別為介質中流體、多孔骨架導熱系數；q為介質傳熱熱量梯度；u為流體在多孔介質中流動速度；θ1，θ2分別為水、冰在孔隙中占比，θ1+θ2=1；ρ1，ρ2分別為水、冰密度；L為水相變潛熱；C1，C2分別為相變變體液態、固態比熱容；αm=12·θ2ρ2-θ1ρ1θ1ρ1+θ2ρ2，是一個與θ1，θ2，ρ1，ρ2相關的函數。

達西定律滲流場控制方程：

t（εpρ）+SymbolQC@·（ρu）=Qm（13）

u=-κμSymbolQC@p（14）

式中：Qm為流量變化；κ為水力傳導率；μ為水的動力黏度系數。

3.3" COMSOL流熱耦合數值模型

數值模型中的凍結管布置與實際施工的布置參數相同。土體模型范圍長54 m×高24 m，其間布置直徑108 mm的凍結管。網格劃分采用手動控制網格劃分，最大網格0.5 m，最小網格0.2 m，最大單元增長率1.2，曲率因子0.3，狹窄區域分辨率0.75。為避免凍結管附近網格劃分過度密集，提升計算的收斂性，將凍結管簡化為四邊形再劃分網格。劃分后共得到556個頂點單元，864個邊界單元，總計31 236個二維三角形單元，劃分網格后的模型見圖7。

3.4" 計算參數

地層初始地溫設置為20 ℃，地下水從左側流入、右側流出。忽略冰與水相變帶來的體積變化以及熱容隨溫度的變化。表3為地層主要計算參數。

考慮實際情況，凍結管在通入鹽水之前，與初始地溫一致。以去路鹽水溫度作為凍結管的溫度荷載。按照實際凍結施工順序，在左線凍結30 d后，右線開始采用同樣的凍結方式降溫。

數值計算過程中滲流場會隨溫度場的發展而變化，主要是因為伴隨地層凍結，地層孔隙內水由液態變為固態，降低了地層滲透系數，改變了局部的滲流場。在數值模擬中，設置一個與溫度相關的函數F（T），作為地層滲透系數的折減系數來體現溫度場對滲流場的影響。根據有關滲透系數同溫度的研究［24］，用式（15）表示：

F（T）=11+e-T+4.2（15）

式（15）反映出的折減系數隨溫度變化曲線見圖8。

4" 結果分析

4.1" 數值模擬有效性

實際施工期間凍結區域范圍內的地下水滲流速度約為0.5 m/d。模擬該滲流速度下的降溫過程，在流熱耦合模型中按照實際左線隧道C3測溫孔的坐標布置探針，獲取模擬凍結過程中C3測溫孔的溫度變化。現場監測和數值模擬得到的C3測溫孔溫度變化曲線見圖9。

由圖9可知，數值模型變化趨勢與實際監控量測相近。隨著凍結的發展，數值模擬凍結溫度由略高于實際測量溫度變為略低于實際測量溫度。整體上二者溫度誤差控制在±2 ℃以內，表明數值模型可以在一定程度上再現地層中溫度的發展過程，驗證了該模型的準確性與可靠性。

4.2nbsp; 地層溫度場發展規律

根據現有研究結果［25］，可以認為礫砂地層在-1 ℃時能形成有效的凍結壁，因此取-1 ℃等溫線作為凍結壁的輪廓線。以地下水滲流速度1.0 m/d為例，以10～15 d為間隔提取地層溫度場云圖，見圖10。

由圖10可見，左線凍結施工中形成的凍結壁呈非對稱性，在流動的地下水作用下，上游凍結壁較薄，下游凍結壁較厚。當凍結時間為10 d時，下游已經形成明顯的凍結區域，而上游各個凍結管之間仍未形成任意兩凍結管之間的凍結區域。這是由于處在相對上游區域的凍結管會對通過它的地下水進行降溫，但降溫幅度不足以使其凍結，于是伴隨地下水的流動，在凍結帷幕下游處，通過對流傳熱將上游的低溫傳輸至下游區域。被預先降溫過的地下水經過下游凍結管的再次降溫，在下游凍結管附近形成凍結區域。因此，下游各凍結管凍結鋒面相交所耗費時間小于上游區域。

左線凍結帷幕形成后，上游部分降溫后的水流繞過了凍結區，在對流作用下流向右側的凍結帷幕。如圖10（c）所示有大量被降溫過的水流在對流作用下被帶至右側區域。對比左線經歷凍結15 d與右線經歷凍結15 d，可以發現左線主要在凍結帷幕的上側、下側以及對應滲流下游的右側，凍結壁無法交圈；右線在開始凍結時，如圖10（d）所示，在左線凍結帷幕降溫作用下，右線的地層在開始凍結施工前就已經被降溫，同樣是凍結15 d，右線能形成較為完整的凍結圈。可能存在兩個方面的原因：① 前文已經提到的左線凍結管對右線地層的降溫；② 左線凍結帷幕在右線開始凍結時已經形成，阻礙了地下水滲流至右線的通道，降低了右線地下水流速，使右線凍結管開始凍結時低溫水流不易流失。

圖11為凍結時間30 d時，0.5，1.5 m/d滲流速度下地層溫度云圖。由圖11可以看出，在凍結時間均為30 d的情況下，隨著滲流速度提升，左線凍結區域溫度會略有升高，并伴隨交圈的困難。右線地層平均溫度降低。凍結時間為30 d的情況下，在0.5，1.5 m/d的滲流速度下，右線地層平均溫度分別為18.22，15.38 ℃。產生這種現象的原因主要為：地下水滲流速度增加后，左線凍結管冷量被更迅速帶到下游地區，不利于左線凍結壁進一步降低溫度；而被帶到右線的冷量降低了右線地層溫度，降低了右線凍結壁形成難度。

4.3" 凍結區域發展規律

以通道的中心為原點，右方為正方向，建立極坐標系，分別選取0°～315°八個方向作為監測方向。當凍結鋒面未入侵開挖半徑時，取凍土體厚度為有效厚度；當凍結鋒面入侵開挖區域后，取開挖范圍之外的凍土體厚度為有效厚度。滲流速度1.0 m/d條件下，8個方向有效厚度隨時間的變化曲線如圖12所示。

隨凍結時間的增加，有效厚度不斷增加，直到凍結區域整體完全凍結。在達到凍結壁交圈時間之后，凍結區域會快速整體凍結，在較短時間內形成整體的凍結區域。左線與右線在8個方向上的凍結區域有效厚度發展趨勢大致相同，0°方向的凍結區域始終發展最快且厚度最厚，左右線最終有效厚度分別為5.2 m與

5.1 m。左線發展較快的凍結方向為0°，45°和90°方向，分別在凍結壁交圈時達到了3.5，3.0，2.0 m的有效厚度，接近于凍結壁完全凍結后的厚度。而右線凍結壁整體發展趨勢均比左線快，發展較快的為0°，45°，135°和180°方向，交圈時的有效厚度分別達4.6，2.9，2.6，3.6 m。相比于左線凍結帷幕先形成右側凍結區域再形成左側凍結區域，右線凍結帷幕形成更為統一，趨向于整體形成。

最難形成凍結壁的是225°方向。左線凍結交圈的難點在于該方向凍結鋒面不相交，28 d交圈時該方向上凍結壁僅為0.6 m厚。

凍結帷幕的布置為上方內外兩圈凍結管，下方為單圈凍結管，故對于左右兩線均呈現0°～135°方向上凍結區域形成較早，且最終有效厚度更大的現象。

圖13為滲流速度1.0 m/d、凍結時間15 d的凍結區域。不難看出，在凍結管分布更密集的區域會更易形成凍土體，如下方單排布置凍結管、右上方雙排凍結管、正右方區域。

4.4" 左右凍結帷幕交圈時間分析

以任意相鄰兩凍結管之間的凍結鋒面均相交作為凍結帷幕完成交圈的標準。左線與右線的凍結壁交圈時間隨著滲流速度變化的對比情況如圖14所示。在當前凍結管布置方案下，左右兩線凍結壁交圈時間均會隨著地下水滲流速度的增加而增加，左線交圈時間的增加幅度比右線大，左線由16 d增加到39 d，而右線由13 d增加到29 d。在地下水滲流速度大于1.0 m/d后，左右線之間的凍結時間差值顯著增加；地下水滲流為1.0，1.1，1.2 m/d時，左線的凍結時間分別為28，34，39 d，右線的凍結時間分別為26，29，29 d。右線凍結壁交圈時間相比左線分別提前了2，5，10 d。當地下水滲流流速為0.1～1.0 m/d時，交圈時間差較短，大致為1～3 d。

對于在有地下水滲流作用的地層中凍結法并行雙線施工，優先進行地下水流動方向上游處凍結施工，可以有效縮短整體凍結時間。上游凍結圈施工過程中的冷量，會隨著地下水流動被帶至下游區域且上游凍結壁會阻礙下游處地下水流動，在以上因素影響下下游凍結圈凍結時間縮短，進而可提高整體凍結壁施工的效率。

5" 結 論

本文對富水地層中近距離并行隧道凍結開展了現場測試，研究溫度發展規律，并建立流熱耦合數值模型，研究不同地下水滲流速度下順序凍結的溫度場發展特征。主要得到以下結論：

（1） 在左右雙凍結管帷幕進行凍結法施工方案中，處于地下水滲流上游區域的凍結管會對地下水產生降溫作用，使得降溫后的地下水流向下游處，對將要施工的下游地層預降溫。且在上游凍結壁形成后，阻礙了流向下游的地下水，降低了地下水滲流速度，更有利于縮短下游凍結法施工的工期。

（2） 左線發展較快的凍結方向為0°，45°和90°方向，分別在凍結壁交圈時達到了3.5，3.0，2.0 m的有效厚度。而右線凍結壁整體發展趨勢均比左線快，發展較快的為0°，45°，135°和180°方向，交圈時的有效厚度分別達到了4.6，2.9，2.6，3.6 m。單線凍結鋒面相交所形成局部凍土體的順序為上側、下側和處于下游的右側，局部凍土體隨時間擴展，最后于左側帷幕實現完全交圈。

（3） 左右兩線凍結壁交圈時間均會隨著地下水滲流速度的增加而增加。在地下水滲流速度大于1.0 m/d后，交圈時間差值顯著增加；地下水滲流為1.0，1.1，1.2 m/d時，右線減少2，5，10 d的交圈時間。在地下水滲流流速在0.1～1.0 m/d之間時，交圈時間差較小，差值大致為1～3 d。

（4） 對于在有地下水流動地層中的凍結法并行雙線施工，應優先進行地下水流動方向上游處的凍結帷幕施工。在上游凍結壁交圈后，再進行下游凍結帷幕施工，可以有效縮短下游凍結壁交圈時間，兼顧整體凍結施工成本與效率。

參考文獻：

［1］" 李功洲，李小偉，陳紅蕾，等.深厚沖積層凍結孔布置分類技術對凍結調控的影響［J］.煤炭科學技術，2020，48（12）：31-38.

［2］" 唐匯春，方宗明，童克強.凍結法在星云湖撫仙湖出流改道工程隧洞施工中的應用［J］.水利水電快報，2010，31（2）：39-41.

［3］" 李守剛.富水砂巖隧道垂直凍結法施工效果數值分析［J］.人民長江，2021，52（9）：160-166.

［4］" 佘才高，黎慶，周子朋，等.交疊車站下穿段MJS+水平凍結凍脹位移場研究［J］.地下空間與工程學報，2022，18（3）：1034-1043.

［5］" 武亞軍，衛珂，劉全林，等.隧道凍結法施工風險關聯性評估模型與應用［J］.地下空間與工程學報，2021，17（3）：961-968.

［6］" 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.

［7］" 黃建華，陳偉斌，嚴耿明.卸壓孔設置對凍結暗挖隧道凍脹卸荷影響研究［J］.人民長江，2024，55（2）：146-155，170.

［8］" 王琳.凍結法在水利工程含水疏松砂巖隧洞施工中的應用［J］.甘肅農業，2013（20）：81-82.

［9］" 楊凡，榮傳新，王彬，等.大流速地下水作用下凍結法鑿井單圈凍結孔優化布置方法研究［J］.煤炭工程，2019，51（12）：5-12.

［10］董艷賓，榮傳新，王彬，等.大流速地下水作用下多圈凍結孔優化布置方法研究［J］.煤礦安全，2020，51（4）：18-25.

［11］黃潔，何亮，陳軍浩.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［J］.城市軌道交通研究，2022，25（12）：101-105，111.

［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.

［13］榮傳新，張翔，程樺，等.地下水流速對凍結溫度場影響的試驗研究［J］.廣西大學學報（自然科學版），2018，43（2）：656-664.

［14］董新平，于少輝，張毅豪，等.地鐵聯絡通道凍結法施工中涌水成因及防治［J］.地下空間與工程學報，2022，18（1）：322-329，340.

［15］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（增1）：306-311.

［16］吉艷雷，陳敬軍，王斌，等.紅砂巖地層聯絡通道凍結溫度場與應力場研究［J］.鐵道標準設計，2022，66（6）：110-117.

［17］王彬，榮傳新，程樺，等.定向滲流誘導的非均質凍結壁力學特性分析［J］.冰川凍土，2022，44（3）：1011-1020.

［18］李珂，胡俊，林小淇，等.砂卵石地層聯絡通道溫度場發展規律及敏感性分析［J］.森林工程，2023，39（1）：174-186.

［19］尹珍珍，凌宇飛.凍結管溫度場解析解與數值模擬對比分析［J］.建筑安全，2023，38（1）：51-55.

［20］向亮，葉飛，梁興，等.考慮凍結管影響范圍的多管凍結溫度場研究［J］.隧道建設（中英文），2021，41（1）：52-59.

［21］陳文豹，湯志斌.潘集礦區凍結壁平均溫度及凍結孔布置圈徑的探討［J］.煤炭學報，1982（1）：46-52.

［22］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.

［23］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.

［24］周曉敏，肖龍閣.滲流地層人工凍結溫度場和滲流場之數值研究［J］.煤炭學報，2007（1）：24-28.

［25］郭雪鸞，齊吉琳，黨博翔，等.高溫凍結砂土溫度界限試驗研究［J］.冰川凍土，2018，40（3）：539-545.

（編輯：鄭 毅）

Coupled hydraulic-thermal analysis on sequential ground freezing in double-line tunnels

XU Ming1，CHEN Xing1，ZHANG Huipeng1，XIA Ming1，ZHANG Kangjian2，ZHANG Zhiqiang2

（1.Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation，Nanchang 330038，China；

2.Southwest Jiaotong University，State Key Laboratory of Intelligent Geotechnics and Tunneling，Chengdu 610031，China）

Abstract：

The artificial ground freezing method is characterized by good waterproof，high strength of frozen strata，and strong adaptability to construction layers，which is widely applied in the construction of water-rich formations.However，groundwater seepage has a significant impact on the freezing temperature field.Based on a sequential freezing project of parallel tunnels in Nanchang，in-situ tests on the freezing temperature field were conducted，at the same time a coupled hydraulic-thermal model was established to investigate the influence of groundwater seepage velocity on development of the temperature field.The results show that：① the measured temperature in each monitoring hole was in agreement with simulated results，verifying effectiveness of the model.② The freezing pipes in the upstream seepage zone reduced the temperature of groundwater.The cold energy was carried downstream with water flow.The formation of the freezing wall on the left-side upstream area reduced the groundwater flow velocity in the right-side downstream strata.③ Local frozen bodies were first formed on the upper，lower，and right sides of the single freezing pipe loop，and it gradually developed until a closing freezing wall was formed on the left side of the pipe loop.④ When the groundwater seepage velocity exceeded 1.0 m/d，the difference of loop-closing time between the left and right lines magnified with the increase of seepage velocity.⑤ For the sequential freezing engineering in strata of groundwater seepage，it is suggested to complete upstream freezing construction first，which can effectively improve construction efficiency.

Key words：

ground freezing； artificial freezing method； hydraulic-thermal coupling numerical model； freezing temperature field； seepage velocity； groundwater