某地鐵區間聯絡通道凍結溫度場發展規律研究

劉志堅

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司， 濟南 250101）

1 引言

作為不降水施工的典型方法，人工凍結法自1883年德國工程師 F.H.Poetsch首次使用以來，迅速在世界各國的礦井、隧道、基坑等地下工程領域得到廣泛推廣[1]。人工凍結法是指在復雜水文地質條件下掘進地下工程時，在其四周建造起臨時凍結壁，用以隔絕凍結壁內、外地下水的聯系并抵抗水土壓力，保證含水土體在掘進施工中的穩定性，其實質是利用人工制冷技術臨時改變巖土性質，進而實現加固地層的目的[2]。本文依托某地鐵聯絡通道凍結工程，現場監測典型測點的溫度變化，分析凍結帷幕的溫度場發展規律，保證凍結施工的安全。

2 工程概況

2.1 工程環境

某地鐵區間結構埋深為12.07～28.3 m，聯絡通道設置于K40+975.000處，并兼做廢水泵房。聯絡通道位置隧道中心線距為12.677 m，左（右）行線隧道軌面標高+15.342 m，地面標高約為+47.70 m。聯絡通道拱頂埋深28.86 m，臨近上水管、燃氣管、熱力管、雨水管和污水管等市政管線。聯絡通道位于地下水位以下，采用冷凍法加固，采用礦山法施工。

2.2 工程地質與水文地質

聯絡通道及排水泵站所在范圍為⑦卵石、⑨卵石層，圍巖穩定性很差，施工過程中容易發生坍塌，需要及時支護。本次勘察在65.0 m深度范圍內揭露1層地下水，根據總體組要求，全線統一水層編號，水層號為潛水（二）層，主要賦存于第⑦層卵石層、第⑨層卵石層中。地層為強透水層，滲透系數較大，其補給主要為大氣降水和側向徑流，排泄方式主要為人工開采和側向徑流。

3 凍結設計與測溫管布置

3.1 凍結設計方案

根據設計方案，凍結孔分別按上仰、水平和下俯3種角度設置在聯絡通道的四周，如圖1所示。該聯絡通道及泵房共設置88個凍結孔（含6個透孔），其中凍結站一側隧道設置15排（共55個凍結孔），對側隧道設置10排（共33個凍結孔），鉆孔工程量總計651.58 m。

圖1 聯絡通道凍結孔布置圖

3.2 測溫管布置

區間聯絡通道及泵房布置測溫孔8個，其中1號、2號測溫孔布置在凍結站一側，3～8號測溫孔布置在凍結站對側，以監測凍結壁厚度、凍結壁平均溫度、凍結壁與隧道管片界面溫度和開挖區附近地層凍結情況[3]。

4 聯絡通道凍結溫度場實測分析

4.1 鹽水去回路溫度

在積極凍結期，冷凍機組達到滿負荷運轉，確保聯絡通道盡快達到凍結開挖條件，及時進行結構施工。圖2是鹽水去回路溫度變化曲線。可以看出，凍結前12 d，鹽水去回路溫度變化劇烈，溫度下降極快。后期，鹽水去回路溫度在-25～-30 ℃波動，逐漸趨于穩定，且溫差控制在2 ℃左右。凍結站運轉43 d，鹽水溫度去路-29.4℃，回路-27.9 ℃，去回路溫差1.5 ℃，經現場連續觀察其溫度變化和溫差情況，基本保持穩定。說明凍結管周圍土體與鹽水溫度之間熱負荷減小，凍土帷幕形成良好。

圖2 鹽水去回路溫度變化曲線

4.2 測溫孔溫度

選取2號測溫孔分析其溫度變化規律，如圖3所示。可以看出，測溫孔溫度變化主要經歷了3個階段。第Ⅰ階段為凍結前20 d，由于地層與鹽水溫差較大，熱傳導效應顯著，地層溫度快速降低。第Ⅱ階段為凍結21～34 d，隨著地層與鹽水溫差減小，地層溫度下降速度減緩。第Ⅲ階段為凍結25～43 d，鹽水循環提供的能量與地層傳導補充的能量趨于平衡，地層溫度逐漸保持穩定。此外，凍結過程中，0.5m深度處測點溫度明顯高于1.5 m和2.5 m深度處測點溫度，這是由于0.5m 處埋深較淺，更容易受到隧道臨空面溫度傳導的影響，降溫較困難。但整體而言，凍結43 d后，測溫孔平均溫度低于設計要求的-10 ℃，滿足開挖要求。

圖3 地層溫度變化曲線

5 結語

依托某地鐵聯絡通道凍結工程，現場監測典型測點的溫度變化，分析凍結帷幕溫度場發展規律，保障聯絡通道開挖的安全。現場監測結果表明：凍結43 d后，鹽水去路溫度-29.4 ℃，回路-27.9 ℃，去回路溫差1.5 ℃，基本保持穩定，凍土帷幕形成良好；地層典型測點的溫度變化經歷快速下降-緩慢下降-保持穩定3個階段，43 d后凍結帷幕平均溫度低于設計要求的-10℃，滿足開挖要求。