超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場發(fā)展特性分析

摘要：掌握超長地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場的變化規(guī)律，能夠預(yù)測分析地層凍結(jié)溫度場的發(fā)展?fàn)顩r。本文首先研究超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計方案，從凍結(jié)效果、凍結(jié)施工難度等方面進(jìn)行分析，決定采用雙側(cè)隧道安裝凍結(jié)機(jī)組的施工方案。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證土體凍結(jié)方案的可行性。最后進(jìn)行凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬分析，采用ANSYS有限元軟件建模，對比模擬結(jié)果和工程施工現(xiàn)場實測結(jié)果，兩者的吻合程度高，驗證了有限元數(shù)值模擬分析方法的可靠性，現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果顯示，凍結(jié)溫度場具有階段性發(fā)展規(guī)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(dá)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(nèi)，至此則基本完成了超長聯(lián)絡(luò)通道土體的積極凍結(jié)。積極凍結(jié)期結(jié)束能夠安全地進(jìn)行超長聯(lián)絡(luò)通道施工活動。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；超長聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)法；現(xiàn)場監(jiān)測；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU44" "文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)間，左右線隧道總長1 535.664 m，合建聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房，聯(lián)絡(luò)通道于左DK24+391.22、右DK24+392.500處分別與左、右線隧道相交。常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道中心距一般為11 m～13 m，而此聯(lián)絡(luò)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(zhì)粉細(xì)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(diào)查資料顯示，土層的穩(wěn)定性差，透水性強，在此類特殊地質(zhì)條件下進(jìn)行長距離聯(lián)絡(luò)通道鉆孔施工時，施工難度高，容易引起偏斜現(xiàn)象，甚至誘發(fā)安全事故?？紤]到現(xiàn)場施工條件的特殊性，經(jīng)過技術(shù)可行性分析后，決定采用凍結(jié)法開挖聯(lián)絡(luò)通道。

2 凍結(jié)孔位設(shè)計

在本工程中采用單側(cè)凍結(jié)方法時，會存在如下問題。

1） 鉆孔難度大，鉆孔作業(yè)的可控性差，容易引起鉆孔偏斜，不利于后續(xù)的凍結(jié)施工，且由于聯(lián)絡(luò)通道的距離過長，將增加所需冷量。

2） 只有在單側(cè)開挖面布置足量的凍結(jié)機(jī)組和凍結(jié)管后，凍結(jié)壁的厚度才能夠達(dá)到設(shè)計要求，但隧道施工空間狹窄，加大了施工難度[1]。

雙側(cè)隧道安置凍結(jié)機(jī)組對土體進(jìn)行凍結(jié)的方案相比于單側(cè)凍結(jié)模式具有以下優(yōu)勢：①提高凍結(jié)孔的準(zhǔn)確性。由于凍結(jié)孔在兩側(cè)隧道中進(jìn)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(jié)孔的準(zhǔn)確性。②減少所需冷量。相比于單側(cè)凍結(jié)，雙側(cè)隧道安置凍結(jié)機(jī)組的方案可以減少所需冷量。由于凍結(jié)孔在兩側(cè)隧道中布置，冷量可以從兩側(cè)同時傳導(dǎo)，減少了冷量的損失。③降低施工難度。采用雙側(cè)隧道安置凍結(jié)機(jī)組的方案可以減少單側(cè)開挖面的密集凍結(jié)管和凍結(jié)機(jī)組，避免有限空間內(nèi)各類設(shè)施分布過于密集的情況，降低施工難度。相比單側(cè)凍結(jié)模式，在雙側(cè)隧道安置凍結(jié)機(jī)組進(jìn)行凍結(jié)時，能夠更有效地保證凍結(jié)效果，適用于超長距離聯(lián)絡(luò)通道。

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

凍結(jié)孔偏斜時，凍結(jié)壁厚度不均勻，且以聯(lián)絡(luò)通道中間區(qū)域凍結(jié)壁厚度不足的問題尤為明顯，導(dǎo)致凍結(jié)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(jié)管偏斜、現(xiàn)場地質(zhì)條件等因素后，在聯(lián)絡(luò)通道中間規(guī)劃長度為6 m的凍結(jié)管交叉區(qū)域，使此部位的凍結(jié)柱交圈，形成厚度達(dá)標(biāo)且均勻的凍結(jié)壁。施工主要凍結(jié)設(shè)計參數(shù)見表1。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 凍結(jié)溫度場分布規(guī)律

3.1.1 土體凍結(jié)溫度

對于右線聯(lián)絡(luò)通道，按照如圖1所示的要求布置開挖面的凍結(jié)孔與測溫孔。以拱肩的J2測溫孔為例，根據(jù)溫度變化，分3個階段進(jìn)行分析。

第1階段：降溫速度達(dá)到1.37 ℃/d，凍結(jié)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(guān)。

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

第3階段：土體溫度日差在0.5 ℃以內(nèi)，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(jié)發(fā)展至維護(hù)凍結(jié)，形成穩(wěn)定可靠的凍結(jié)壁。

3.1.2 管片處土體溫度

凍結(jié)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(xiàn)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(yuǎn)離管片的深部土體而言，溫度更高。根據(jù)該溫度變化規(guī)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(jié)。

3.1.3 凍結(jié)交叉區(qū)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(jié)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(jié)管交叉部位。隨著左線隧道土體凍結(jié)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行（開始時間為右線凍結(jié)17 d后），交叉區(qū)域土體的冷量有所增加，在低溫條件下，促進(jìn)凍結(jié)壁的固結(jié)。左線凍結(jié)管交叉區(qū)域的溫度以較快的速度下降，主要與右線凍結(jié)管的輔助降溫作用有關(guān)，此現(xiàn)象說明：在兩側(cè)隧道布置凍結(jié)機(jī)組后，可以提升凍結(jié)能力，更加有效地促進(jìn)聯(lián)絡(luò)通道中部土體的凍結(jié)。

3.1.4 各土層的凍結(jié)性能

土層的組成、含水率等均是影響土體凍結(jié)效果的關(guān)鍵因素。為分析不同土層的凍結(jié)性能，從不同的土層中選取測溫孔，分析各自的溫度數(shù)據(jù)。J1，J5測溫孔分別位于淤泥質(zhì)粉細(xì)砂土層、淤泥夾砂土層，對比分析在相同凍結(jié)天數(shù)時各自的溫度，J1，J5測溫孔對應(yīng)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(jù)溫度降低速度，認(rèn)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(shù)據(jù)可知，淤泥夾砂土層溫度更低，凍結(jié)效果更好。究其原因，主要與該土層含水量較高（66.4%）有關(guān)[2]。

3.2 凍結(jié)壁厚度與平均溫度

3.2.1 凍結(jié)壁厚度

取J1～J4，J12測溫孔（位于淤泥質(zhì)粉細(xì)砂土層）和J5～J11，J13測溫孔（位于淤泥夾砂土層）進(jìn)行分析，各自的凍結(jié)壁發(fā)展速度見表2。

根據(jù)表2可知，不同土層的溫度發(fā)展速度存在差異，按設(shè)計積極凍結(jié)期為50 d考慮，從實地測量結(jié)果來看，達(dá)到該時間后，右側(cè)拱腳的凍結(jié)壁較其他部位更好，為2.15 mm，但即便最薄部位也符合凍結(jié)壁厚度為2 m的要求，因此各部位的凍結(jié)壁厚度均達(dá)標(biāo)。

3.2.2 凍結(jié)壁平均溫度

以J1～J8，J12測溫孔周邊凍結(jié)壁為研究對象，按積極凍結(jié)期50 d考慮，各自的平均厚度見表3。結(jié)合超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工經(jīng)驗，宜在凍土平均溫度達(dá)到-10 ℃時才可開挖，而凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度為-14.18 ℃，根據(jù)兩者的關(guān)系，可知凍結(jié)平均溫度符合要求。

4 凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬及分析

4.1 基本思路

聯(lián)絡(luò)通道建模采用ANSYS17.0有限元軟件。根據(jù)上文提及的設(shè)計方案，在聯(lián)絡(luò)通道中設(shè)置了中部凍結(jié)交叉區(qū)域，解決了常規(guī)方式下中部凍結(jié)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(qū)域前的單側(cè)凍結(jié)管遠(yuǎn)端僅有少量的凍結(jié)管，加之與凍結(jié)交叉區(qū)域較遠(yuǎn)，獲得的冷量有限，可能難以取得良好的凍結(jié)效果，因此選取此區(qū)域截面進(jìn)行建模分析，再根據(jù)分析結(jié)果綜合評價凍結(jié)溫度場的特點[3]。

4.2 模型的構(gòu)建

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

4.3 基礎(chǔ)條件

土層初始溫度設(shè)為24 ℃，凍結(jié)管邊界區(qū)受到凍結(jié)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(jié)管邊界區(qū)實際情況。

4.4 結(jié)果分析

在建立有限元模型后，進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，研究溫度分布規(guī)律，繪制土體凍結(jié)輪廓圖，見圖4。根據(jù)模擬情況，進(jìn)行如下分析。

1） 凍結(jié)管周邊土體降溫開始時間早于遠(yuǎn)離該管的土體，且越接近凍結(jié)管，土體降溫的時間越早、降溫速度越快，由于凍結(jié)時間和凍結(jié)速度的差異，產(chǎn)生環(huán)形凍結(jié)柱并具有逐步擴(kuò)大的發(fā)展趨勢，最終形成凍結(jié)壁。凍結(jié)柱交圈出現(xiàn)時間為土體凍結(jié)25 d后，此模擬結(jié)果與基于實測數(shù)據(jù)推測的交圈時間吻合，滿足凍結(jié)方案設(shè)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(shù)據(jù)和實測溫度數(shù)據(jù)，判斷兩者的一致性。圖5為J12測點不同凍結(jié)天數(shù)的模擬值和實測值。分析發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)天數(shù)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(jié)60 d時，不同土層的凍結(jié)壁厚度存在差異，以淤泥夾砂土層中側(cè)墻凍結(jié)壁最?。?.59 m）。隨著凍結(jié)時間的延長，凍結(jié)壁厚度有所增加，至26.5 m處開挖時，對應(yīng)凍結(jié)時間為120 d，最小厚度增加至2.77 m，雖然該部位凍結(jié)壁的厚度比其他部位更薄，但仍滿足“凍結(jié)壁厚度為2 m”的要求。

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

5 結(jié)語

1） 現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果顯示，凍結(jié)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(lián)絡(luò)通道土體的積極凍結(jié)。

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(jìn)行保溫隔熱處理，以減少土體降溫的干擾因素。

3） 相同凍結(jié)條件下，不同土層的凍結(jié)特性各異，以淤泥質(zhì)粉細(xì)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(shù)值模擬結(jié)果與超長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為吻合，數(shù)值模擬結(jié)果具有可靠性。根據(jù)模擬結(jié)果可知，各土層、各部位的凍結(jié)壁厚度均符合要求。

5） 以單側(cè)打孔凍結(jié)的方法處理超長聯(lián)絡(luò)通道時，遠(yuǎn)端凍結(jié)管的凍結(jié)交圈時間推遲，且難以保證凍結(jié)壁的厚度?？紤]到該方法的局限性，提出雙側(cè)凍結(jié)的方案，從凍結(jié)壁的厚度、平均溫度多個方面進(jìn)行對比分析，研究此方案在超長聯(lián)絡(luò)通道中的可行性。結(jié)果表明，在科學(xué)設(shè)計和規(guī)范施工后，采用雙側(cè)凍結(jié)方案能夠有效解決單側(cè)打孔凍結(jié)的不足，同時保證了通道中部凍結(jié)管交叉區(qū)域的凍結(jié)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李軍，張鵬飛，王靜.地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2023（S1）：136-143.

[2]李展鵬.粉質(zhì)黏土層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法加固施工技術(shù)[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2023（3）：20-24，65.

[3]趙晉龍.凍結(jié)法在地鐵工程區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2023（8）：70-72.

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編輯：楊 洋