超长联络通道冻结温度场发展特性分析

摘要：掌握超长地铁联络通道冻结温度场的变化规律，能够预测分析地层冻结温度场的发展状况。本文首先研究超长联络通道冻结设计方案，从冻结效果、冻结施工难度等方面进行分析，决定采用双侧隧道安装冻结机组的施工方案。根据监测数据验证土体冻结方案的可行性。最后进行冻结温度场数值模拟分析，采用ANSYS有限元软件建模，对比模拟结果和工程施工现场实测结果，两者的吻合程度高，验证了有限元数值模拟分析方法的可靠性，现场温度监测结果显示，冻结温度场具有阶段性发展规律特性：第1阶段，平均降温速率为1.37 ℃/d，盐水与土层温差较大使得土层温度快速下降；第2阶段，土体降温速度达到0.90 ℃/d；第3阶段，降温速度放缓，由于热交换趋于平衡而下降至0.5 ℃/d以内，至此则基本完成了超长联络通道土体的积极冻结。积极冻结期结束能够安全地进行超长联络通道施工活动。

关键词：地铁隧道；超长联络通道；冻结法；现场监测；数值模拟

中图分类号：TU44" "文献标识码：A" "文章编号：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 工程概况

苏州市轨道交通S1线洞庭湖站-时代大厦站区间，左右线隧道总长1 535.664 m，合建联络通道与废水泵房，联络通道于左DK24+391.22、右DK24+392.500处分别与左、右线隧道相交。常规联络通道中心距一般为11 m～13 m，而此联络通道中心直径为29.41 m，顶部覆盖土体埋深约16.50 m。上部以淤泥质粉细砂土层为主，下部以含有液化砂层和软土层的淤积夹砂土层为主。调查资料显示，土层的稳定性差，透水性强，在此类特殊地质条件下进行长距离联络通道钻孔施工时，施工难度高，容易引起偏斜现象，甚至诱发安全事故。考虑到现场施工条件的特殊性，经过技术可行性分析后，决定采用冻结法开挖联络通道。

2 冻结孔位设计

在本工程中采用单侧冻结方法时，会存在如下问题。

1） 钻孔难度大，钻孔作业的可控性差，容易引起钻孔偏斜，不利于后续的冻结施工，且由于联络通道的距离过长，将增加所需冷量。

2） 只有在单侧开挖面布置足量的冻结机组和冻结管后，冻结壁的厚度才能够达到设计要求，但隧道施工空间狭窄，加大了施工难度[1]。

双侧隧道安置冻结机组对土体进行冻结的方案相比于单侧冻结模式具有以下优势：①提高冻结孔的准确性。由于冻结孔在两侧隧道中进行布置，可以减少由于距离过长和钻孔难度大而造成的偏斜问题，从而提高冻结孔的准确性。②减少所需冷量。相比于单侧冻结，双侧隧道安置冻结机组的方案可以减少所需冷量。由于冻结孔在两侧隧道中布置，冷量可以从两侧同时传导，减少了冷量的损失。③降低施工难度。采用双侧隧道安置冻结机组的方案可以减少单侧开挖面的密集冻结管和冻结机组，避免有限空间内各类设施分布过于密集的情况，降低施工难度。相比单侧冻结模式，在双侧隧道安置冻结机组进行冻结时，能够更有效地保证冻结效果，适用于超长距离联络通道。

综合考虑冻结有效、施工便捷、安全可靠等要求后，拟采用双侧隧道安装冻结机组的施工方案，按上仰、水平、下俯3种角度布置冻结孔，使联络通道及泵房冻结壁具有均匀性，对于喇叭口及拱顶，布置双排孔，以保证冻结效果。联络通道冻结孔总量为165个，其中左线隧道83个，右线隧道82个，冻结孔成孔间距1.3 m，单侧单孔最长为34.8 m。

冻结孔偏斜时，冻结壁厚度不均匀，且以联络通道中间区域冻结壁厚度不足的问题尤为明显，导致冻结效果差，可能引起涌水、涌砂等事故。为避免该问题，综合考虑冻结管偏斜、现场地质条件等因素后，在联络通道中间规划长度为6 m的冻结管交叉区域，使此部位的冻结柱交圈，形成厚度达标且均匀的冻结壁。施工主要冻结设计参数见表1。

3 现场监测分析

3.1 冻结温度场分布规律

3.1.1 土体冻结温度

对于右线联络通道，按照如图1所示的要求布置开挖面的冻结孔与测温孔。以拱肩的J2测温孔为例，根据温度变化，分3个阶段进行分析。

第1阶段：降温速度达到1.37 ℃/d，冻结孔中的盐水与土层温差较大是温度较快下降的主要原因；土体温度降低至0 ℃左右时，降温速度减小至0.68 ℃/d，此变化主要与相变潜热有关。

第2阶段：土体温度下降至0 ℃以下，土中的水固结成冰，土体降温速度加快至0.90 ℃/d，在此阶段已经基本完成潜热释放。

第3阶段：土体温度日差在0.5 ℃以内，测点温度变化趋于平缓，此时土体与盐水热交换基本平衡，由原本的积极冻结发展至维护冻结，形成稳定可靠的冻结壁。

3.1.2 管片处土体温度

冻结初期，管片处土体温度以较快的速度下降且速率略超过深部土体，此现象是土体吸收盐水冷量所致；临近管片的土体由于管片与空气的对流换热作用而缓慢降温，相比远离管片的深部土体而言，温度更高。根据该温度变化规律，建议对管片处土体采取保温隔热措施，提供合适的温度条件以保证管片处土体的正常冻结。

3.1.3 冻结交叉区域土体温度

以J2测温孔为例，温度变化曲线见图2。各测温孔在最深处测点冻结降温速度从17 d起开始加快，从此类测点的分布位置来看，则恰好是冻结管交叉部位。随着左线隧道土体冻结作业持续进行（开始时间为右线冻结17 d后），交叉区域土体的冷量有所增加，在低温条件下，促进冻结壁的固结。左线冻结管交叉区域的温度以较快的速度下降，主要与右线冻结管的辅助降温作用有关，此现象说明：在两侧隧道布置冻结机组后，可以提升冻结能力，更加有效地促进联络通道中部土体的冻结。

3.1.4 各土层的冻结性能

土层的组成、含水率等均是影响土体冻结效果的关键因素。为分析不同土层的冻结性能，从不同的土层中选取测温孔，分析各自的温度数据。J1，J5测温孔分别位于淤泥质粉细砂土层、淤泥夹砂土层，对比分析在相同冻结天数时各自的温度，J1，J5测温孔对应土层温度降低至0 ℃分别需要16 d，23 d，平均降温速度分别为1.46 ℃/d，1.08 ℃/d，根据温度降低速度，认为J1测温孔所在土层的传热能力更强。J1，J5测温孔所在土层在土体与盐水热交换趋于平衡时的平均温度分别为-12.61 ℃，-15.05 ℃，对比分析温度数据可知，淤泥夹砂土层温度更低，冻结效果更好。究其原因，主要与该土层含水量较高（66.4%）有关[2]。

3.2 冻结壁厚度与平均温度

3.2.1 冻结壁厚度

取J1～J4，J12测温孔（位于淤泥质粉细砂土层）和J5～J11，J13测温孔（位于淤泥夹砂土层）进行分析，各自的冻结壁发展速度见表2。

根据表2可知，不同土层的温度发展速度存在差异，按设计积极冻结期为50 d考虑，从实地测量结果来看，达到该时间后，右侧拱脚的冻结壁较其他部位更好，为2.15 mm，但即便最薄部位也符合冻结壁厚度为2 m的要求，因此各部位的冻结壁厚度均达标。

3.2.2 冻结壁平均温度

以J1～J8，J12测温孔周边冻结壁为研究对象，按积极冻结期50 d考虑，各自的平均厚度见表3。结合超长联络通道冻结施工经验，宜在冻土平均温度达到-10 ℃时才可开挖，而冻结壁有效厚度的平均温度为-14.18 ℃，根据两者的关系，可知冻结平均温度符合要求。

4 冻结温度场数值模拟及分析

4.1 基本思路

联络通道建模采用ANSYS17.0有限元软件。根据上文提及的设计方案，在联络通道中设置了中部冻结交叉区域，解决了常规方式下中部冻结壁偏薄弱的问题，无需作为重点建模分析对象，而由于交叉区域前的单侧冻结管远端仅有少量的冻结管，加之与冻结交叉区域较远，获得的冷量有限，可能难以取得良好的冻结效果，因此选取此区域截面进行建模分析，再根据分析结果综合评价冻结温度场的特点[3]。

4.2 模型的构建

模型的边界尺寸为结构冻结壁的4倍宽度，构建25 m×25 m的土体模型，在土层中创建32根Φ108 mm×8 mm冻结孔模型（见图3），用于反映截面冻结孔的开孔情况，再基于布尔运算形成整体模型。网格划分方式为远端土体疏散划分，冻结区域和土层交接部位密集划分，以期通过此网格划分方式来提高计算精度，获得更加准确的有限元模拟分析结果。

4.3 基础条件

土层初始温度设为24 ℃，冻结管边界区受到冻结管盐水温度的影响，有限元建模分析考虑的是盐水温度由0 ℃降低至-28 ℃的情况，研究在不同温度条件下的冻结管边界区实际情况。

4.4 结果分析

在建立有限元模型后，进行瞬态热分析，研究温度分布规律，绘制土体冻结轮廓图，见图4。根据模拟情况，进行如下分析。

1） 冻结管周边土体降温开始时间早于远离该管的土体，且越接近冻结管，土体降温的时间越早、降温速度越快，由于冻结时间和冻结速度的差异，产生环形冻结柱并具有逐步扩大的发展趋势，最终形成冻结壁。冻结柱交圈出现时间为土体冻结25 d后，此模拟结果与基于实测数据推测的交圈时间吻合，满足冻结方案设计的交圈时间控制要求[4]。

2） 对比分析相同测温点的模拟温度数据和实测温度数据，判断两者的一致性。图5为J12测点不同冻结天数的模拟值和实测值。分析发现，在冻结天数相同的前提下，J12测温点的模拟值和实测值相差量＜2 ℃，两者具有较高的一致性。

3） 冻结60 d时，不同土层的冻结壁厚度存在差异，以淤泥夹砂土层中侧墙冻结壁最薄（1.59 m）。随着冻结时间的延长，冻结壁厚度有所增加，至26.5 m处开挖时，对应冻结时间为120 d，最小厚度增加至2.77 m，虽然该部位冻结壁的厚度比其他部位更薄，但仍满足“冻结壁厚度为2 m”的要求。

4） 不同土层的冻结壁厚度存在差异，其中较厚的是淤泥质粉细砂土层，此结果与前文的监测分析结果相符，即淤泥质粉细砂土层能够以更快的速度冻结。因此，在相同冻结时间内，对于快速冻结的土层，冻结壁相对更厚。

5 结语

1） 现场温度监测结果显示，冻结温度由1.37 ℃/d降到0.90 ℃/d，最后降至0.5 ℃/d，直至完成超长联络通道土体的积极冻结。

2） 土体与隧道管片的距离不同时，降温速度存在差异，隧道管片周边土体的降温效果可能由于其与空气对流换热而受到影响，因此需要针对土体与管片交界处进行保温隔热处理，以减少土体降温的干扰因素。

3） 相同冻结条件下，不同土层的冻结特性各异，以淤泥质粉细砂土层、淤泥夹砂土层为例，温度降低至0 ℃这一过程中的平均降温速度分别为1.46 ℃/d，1.08 ℃/d。

4） ANSYS有限元数值模拟结果与超长联络通道冻结施工现场监测结果较为吻合，数值模拟结果具有可靠性。根据模拟结果可知，各土层、各部位的冻结壁厚度均符合要求。

5） 以单侧打孔冻结的方法处理超长联络通道时，远端冻结管的冻结交圈时间推迟，且难以保证冻结壁的厚度。考虑到该方法的局限性，提出双侧冻结的方案，从冻结壁的厚度、平均温度多个方面进行对比分析，研究此方案在超长联络通道中的可行性。结果表明，在科学设计和规范施工后，采用双侧冻结方案能够有效解决单侧打孔冻结的不足，同时保证了通道中部冻结管交叉区域的冻结效果。

参 考 文 献

[1]李军，张鹏飞，王静.地铁区间联络通道冻结法施工技术[J].中国安全生产科学技术，2023（S1）：136-143.

[2]李展鹏.粉质黏土层联络通道冻结法加固施工技术[J].广东交通职业技术学院学报，2023（3）：20-24，65.

[3]赵晋龙.冻结法在地铁工程区间联络通道施工中的应用[J].工程技术研究，2023（8）：70-72.

[4]赵恩旺.冷冻法联络通道施工风险因素探究[J].工程建设与设计，2020（6）：154-155.

编辑：杨 洋