考慮熱力管線影響的地鐵聯絡通道凍結溫度場分布

張世雷 汪磊 何越磊 李晉鵬 李博

1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201620；2.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730070

聯絡通道是地鐵建設的重要組成部分，在施工前應在地面或隧道內采用深層攪拌樁、注漿、凍結等方法對周圍地層進行加固，其中凍結加固尤其適用于含水率較高的地層。人工凍結法是利用人工制冷技術使土中的水結冰形成凍土，隔絕地下水和地下工程的聯系，在凍結壁保護下進行施工的地基處理方法［1］。胡向東等［2-3］采用勢函數疊加法計算了多排凍結管和少量凍結管穩態溫度場的解析解。楊平等［4］基于實測數據研究了軟弱地層聯絡通道的溫度場和位移場在凍結和解凍施工全過程的變化規律。陳軍浩等［5］以福州地鐵一超長聯絡通道凍結法施工為背景，采用實測與數值模擬相結合的方法研究了兩側安裝凍結機組的雙側凍結溫度場發展和分布規律。黃建等［6］以北京地鐵聯絡通道凍結法施工為背景，通過數值模擬總結了凍結管放射布置時不同截面溫度場的變化規律。曹軍軍等［7］通過實測與數值模擬相結合的方法研究了凍結法在成都地區富水砂卵石中的適用性。向亮等［8］以蘭州一聯絡通道凍結法施工為背景研究了紅砂巖地層的單管凍結溫度場。肖朝昀等［9］采用有限差分法分析了隧道聯絡通道結構施工產生的混凝土水化熱對凍結帷幕的影響及凍結帷幕對混凝土性能的影響。

現有對凍結法施工過程中的溫度場研究主要集中在東部沿海地區，該區域以軟土地層為主，與蘭州地區強風化砂巖和卵石地層的土體性質相差較大，諸多研究成果不能直接套用。有關強風化砂巖地層中凍結法溫度場及考慮外部熱源對凍結帷幕影響的研究較少。本文以蘭州地鐵2號線一聯絡通道凍結法施工為背景，分析凍結溫度場在強風化砂巖中的變化規律，利用ABAQUS 建立三維有限元模型對凍結加固過程進行數值模擬，分析外部熱力管線溫度和位置變化對凍結溫度場的影響。

1 工程概況

蘭州地鐵2號線定西路—五里鋪站區間聯絡通道兼廢水泵房開挖地層位于第三系富水強風化砂巖層中，采用水平凍結法加固。隧道外直徑6.2 m，管片厚0.35 m，上下行隧道中心線間距約為14.3 m。聯絡通道拱頂埋深16.53 m，結構底埋深22.17 m，水位埋深8.8 m。水平通道為直墻圓弧拱結構。橫跨聯絡通道上方有2 根埋深為2.75 m 的熱力管線、1 根埋深為2.83 m的污水管線、1根埋深1.30 m的燃氣管線。

聯絡通道影響范圍內土層從上至下分別為素填土、黃土狀土、卵石和第三系強風化砂巖（紅砂巖），聯絡通道處于卵石和紅砂巖地層中。其中卵石層含水厚度大，透水性強，賦水性強，為場地主要含水層，相應的隧道圍巖屬于Ⅳ級；強風化砂巖為泥質弱膠結，成巖作用差，滲透性低，賦水性弱，可視為相對隔水層。聯絡通道采用“隧道內鉆鑿，布設水平孔、近水平孔凍結臨時加固土體，礦山法暗挖構筑”的施工方案。

2 凍結加固及監測方案

聯絡通道共設計61 個凍結孔，按照上仰、水平和下俯3 個方向布置，其中左線46 個，右線15 個，透孔4個。設計積極凍結45 d，要求凍結孔單孔流量不小于5 m3∕h。開挖時鹽水溫度降至-28 ℃，維護凍結期溫度低于-25 ℃，凍結期貫穿聯絡通道開挖和主體施工始終。根據結構力學計算和相關工程經驗，凍結帷幕設計如下：聯絡通道凍結壁厚度為2.0 m，平均溫度不大于-10 ℃，凍土交界面的溫度不大于-5 ℃。

如圖1 所示，在凍結帷幕的內部和周圍布置8 個測溫孔，其中左線隧道布置2 個（C01、C02），右線隧道布置6 個（C03—C08）。其中C04 測溫孔長7.318 m，孔內布置5 個測點，分別在入土0.5、2.0、3.5、5.0、6.5 m 處，測點編號由管片到土體深處依次為1#—5#；其余測溫孔長度均為2 m，孔內布置3 個測點，分別在入土0.50、1.25、2.00 m 處，測點編號由管片到土體深處依次為1#—3#。

圖1 聯絡通道凍結孔、測溫孔布置

工程于2019年11月1日開始凍結，實際積極凍結40 d。溫度監測主要包括去回路鹽水溫度和土體溫度監測。采用熱電偶溫度傳感器測量去回路鹽水溫度，每天測量1次。

3 監測結果及分析

3.1 鹽水溫度實測分析

控制好鹽水溫度的變化是保證凍結壁形成的關鍵。去回路鹽水溫度監測結果見圖2。可知：前期去回路鹽水溫度下降較快，平均降溫速率2.42 ℃∕d，去回路鹽水溫差達到2 ℃，此階段持續12 d；積極凍結12 d 之后，去路鹽水溫度穩定在-30 ℃左右，去回路鹽水溫差由2 ℃逐漸減小至1.5 ℃，此階段持續28 d；積極凍結40 d 后轉入維護凍結期，去路鹽水溫度保持在-28 ℃左右，鹽水溫差逐漸降低至1℃左右，這表明凍結帷幕形成效果良好。

圖2 鹽水去回路溫度變化曲線

3.2 土體溫度監測分析

側面凍結壁為單排凍結管。以左線隧道凍結壁兩側的測溫孔C01 和C02 為例，分析凍結加固過程中側面凍結壁的溫度場分布情況。測溫孔C01位于凍結管外側0.75 m，測溫孔C02 位于凍結管內側1.25 m處。兩測溫孔平均溫度變化曲線見圖3。可知，凍結壁內外兩側土體溫度場變化趨勢一致，溫度場變化有如下特點：

1）按溫度場變化規律可以將測溫孔平均溫度的變化分為三個階段。①溫度快速下降階段。由于前期土體溫度與鹽水溫度相差較大，土體溫度快速下降，此階段持續約25 d；溫度下降速度未受水潛熱的影響，C01、C02 平均降溫速度分別為0.88、1.07 ℃∕d。②溫度緩慢下降階段。凍結壁厚度接近設計厚度時溫度下降逐漸減緩，此階段持續約15 d，C01、C02平均降溫速度分別為0.12、0.17 ℃∕d。③維護凍結階段。此階段溫度變化趨于平緩。受開挖擾動的影響，開挖面一側與外部空氣發生熱交換，導致部分位置溫度升高，其中距離開挖面較近的測溫孔C02升溫更明顯，但隨著冷凍液的持續作用，溫度重新下降。

2）兩測溫孔溫度下降到0 ℃前，C01溫度低于C02溫度，這是因為凍結前期參與凍結反應的土體較少，距離凍結管距離更近的C01 溫度更低；溫度低于0 ℃后，C02 溫度逐漸低于C01，且兩測溫孔的溫差隨著凍結進行逐漸擴大，最高達4.5 ℃。這是因為隨著凍結的進行外側凍結壁參與凍結反應的土體多于內側，造成了更多的冷量損失。

3）測溫孔C01、C02 到達0 ℃的時間分別為9、10 d，凍結壁發展速度為83.33、125.00 mm∕d，內側凍結壁發展速度是外側的1.5倍。這說明內側凍結壁凍結加固效果更好，外側凍結壁溫度場發展速度是影響凍結帷幕達到設計溫度的關鍵因素。

由于每個測溫孔入土深度不同，其溫度場發展情況也有較大的差距。測溫孔C01 和C02 的1#和3#測點的溫度分布見圖4。可知：①入土較淺的1#測點溫度變化更小，凍結效果更差，測溫孔C01和C02淺處與深處測點最大溫差為5.1 ℃和6.9 ℃。這主要是由于管片與外部空氣接觸發生熱交換，影響了溫度場的降溫效果。②開挖后各測點溫度均有小幅上升，測溫孔C01位于凍結壁外側，受開挖影響較小，在溫度小幅上升后重新快速下降；測溫孔C02位于凍結壁內側，受開挖影響較大，入土較淺的C02?1#測點一直處于溫度上升狀態，入土較深的C02?3#測點溫度短暫上升之后重新下降。因此，為了保證管片和開挖面附近的凍結效果，應加強管片處和開挖面土體的保溫隔熱措施。

4 凍結溫度場數值模擬結果及分析

4.1 模型建立

利用ABAQUS 建立土體、隧道、聯絡通道和凍結管的三維數值模型，各結構尺寸均采用設計尺寸。土體整體模型尺寸為40 m（長）×25 m（寬）×40 m（高）。土體、襯砌和凍結管均選用DC3D8單元。聯絡通道附近各土層的物理力學參數和熱物理參數根據地質勘查報告取值。本模型中，土體相變潛熱為52.3 kJ∕kg，固相溫度為-2 ℃，液相溫度-1 ℃。同時考慮土體的表面和隧道內部需要與空氣接觸，取大氣溫度10.6 ℃，隧道內溫度15.0 ℃，其表面散熱系數分別為8.16 、2.00 W∕（m2·℃）。根據地質勘查報告，土體的初始溫度T0設置為13.4 ℃。凍結管鹽水的溫度按照現場實測溫度取值。

4.2 聯絡通道溫度場分布

凍結法施工過程中聯絡通道縱向中間斷面處溫度場變化如圖5 所示。可知，凍結壁形成過程主要包括兩個時期：①凍結前期凍結管周圍土體溫度降低，形成凍結圓柱且不斷擴展；②隨著凍結圓柱的擴展，各凍結管周圍的凍結圓柱開始連接并逐漸相交成圈，最終形成強度高、凍結效果良好的回字形凍結壁。

圖5 不同凍結時期聯絡通道溫度場云圖（單位：℃）

在積極凍結40 d 時，凍結壁上部厚4.5 m，底部厚4.6 m，側面最薄處厚2.3 m，均超過設計標準，可以進行開挖。

為了驗證模型設計的合理性，從數值模擬結果中選取測溫孔C01對應測點的平均溫度與實測溫度進行對比分析，結果見圖6。可知：數值模擬結果與實測結果吻合較好。在0 ℃附近，數值模擬溫度小幅減緩，受自由水結冰釋放潛熱的影響明顯；實測溫度受土體各種內部因素和外界諸多條件影響，沒有明顯變化。凍結過程中兩者最大溫差為2.4 ℃。可見，數值模型設計合理，可以較好地反映凍結溫度場的發展過程。

圖6 測溫孔C01數值模擬溫度與實測溫度對比

4.3 熱力管線溫度、凍結壁厚度對溫度場的影響

凍結壁附近有熱力管線等熱源存在，會嚴重影響凍結壁的厚度和強度。而凍結壁作為保證安全施工重要的支護結構，其厚度和強度是否滿足設計要求，將嚴重影響后續施工的安全。因此，基于溫度場計算模型，根據實際熱力管線方位，設置熱力管線在上下行隧道中心線位置順隧道方向穿過土體，位于凍結管上方4.5 m。根據CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》要求，熱力管線壓強大于2.5 MPa，溫度在110 ~150 ℃，回路溫度大于70 ℃。

采用模型模擬計算熱力管線分別為70、90、110、130、150 ℃及無熱力管線工況下，不同設計厚度的凍結壁上方邊緣溫度的變化曲線，結果見圖7。

圖7 不同凍結壁厚度下凍結壁上方邊緣溫度隨時間變化曲線

由圖7 可知：①凍結壁設計厚度為1 m 時，熱力管線的存在并不影響積極凍結期凍結溫度場的發展。但隨著凍結的進行，在凍結40 d 后，凍結壁邊緣溫度受熱力管線溫度場影響溫度逐漸升高；凍結63 d 后，熱力管線溫度150 ℃時凍結壁邊緣溫度相對于無管線工況升高4.2 ℃。②凍結壁設計厚度為2 m 時，熱力管線溫度越高，凍結壁邊緣溫度到達0 ℃的時間越長，管線溫度150 ℃時與無管線時相比，時間差達13 d。③凍結壁設計厚度為3 m 時，受熱力管線影響，凍結壁邊緣在設計積極凍結期內無法到達0 ℃。應采取保溫隔熱措施降低熱力管線等熱源對凍結壁的影響。

5 結論

1）土體凍結過程包括溫度快速下降、溫度緩慢下降和維護凍結3 個階段。在維護凍結階段，開挖面一側與外部空氣發生熱交換，導致部分位置溫度升高，距離開挖面越近升溫越明顯。

2）測溫孔靠近管片位置的降溫速度低于內側，凍結壁內側溫度場發展速度是凍結壁外側的1.5倍。外側凍結壁溫度場發展速度是影響凍結帷幕達到設計溫度的關鍵。

3）由于管片與外部空氣接觸發生熱交換，影響溫度場的降溫效果。為了保證凍結效果，應加強管片處和開挖面土體的保溫隔熱措施。

4）凍結壁設計厚度一定時，熱力管線溫度越高，凍結壁邊緣溫度到達0 ℃時間越長。凍結壁厚度大于3 m 時，凍結壁邊緣無法凍結。應采取保溫隔熱的措施降低熱力管線等熱源對凍結壁的影響。