砂卵石地層地鐵聯絡通道凍結溫度場發展研究

【中圖分類號】：TU475.2 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-10-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.003

Research on the Development of Freezing Temperature Field of Subway Cross Passage in Sand-gravel Stratum

ZHANG Zhicheng， ZHU Pengye

（Tianjin Municipal EngineeringDesignamp;Research InistituteCo.Ltd.，Tianjin3Oo392，China）

【Abstract】 ∵ Inorder to perceive the development law of frozen temperature field.This paper taking actual engineering as an example，basedonon-site temperature monitoringdata，the development law of thegeologicaltemperature fieldduring the freezing process is analyzed.Theresearch results indicate thatthe temperature change trend at each measuring point during the freezing period is roughly the same，experiencing three stages：rapid cooling，slow cooling，and maintenance freezing.The inner side of the frozen wall is afected by excavation，and the heat exchange between the soil andair intensifies，resulting ina temperature rise phenomenon.The minimum freezing development speed of the temperature measurement hole is taken as the average expansion speedof the frozen wallAfter 38 days of freezing，the minimum development radius of the single-sided frozen wall is 1292m ：

【Key words】：subway cross passage；freezing method；sand-gravel stratum；temperature field

人工凍結法憑借綠色環保、止水和加固效果好、凍結范圍可控等優勢，成為加固地層的一種行之有效的方法，在地鐵暗挖工程中被廣泛應用。凍結過程中地層溫度場發展是一個復雜的變化過程，凍結所形成凍結壁的溫度和厚度是判斷地層是否滿足開挖條件的重要指標，也是實際凍結工程中所關注的重點。

為了確定凍結壁內的平均溫度，眾多學者進行了深入研究。特魯巴克在20世紀60年代首次使用解析方法對凍結溫度場展開研究，為凍結溫度場理論的發展奠定了基礎；在此基礎上，有學者將單排管的凍結過程視為凍結體在管道周圍生長和凍結體合并形成連續帷幕2個階段，提出了單排管凍結溫度場分布解析算法2；此后，考慮凍結第一階段相鄰凍結管之間對凍結壁發育的促進作用，對算法進行了擴展和改進3。我國對凍結溫度場理論的研究開展較晚，余力最早開展對凍結溫度場的研究，提出了計算礦井單管凍結時間的經驗公式4；陳文豹等根據工程實測，總結凍結壁的發展規律與特性，得到了計算凍結壁平均溫度的經驗公式（成冰公式）；何挺秀等對成冰公式的適用性進行了討論，發現成冰公式計算的凍結壁平均溫度誤差較大。此后，還有許多學者對各布管方式下的凍結溫度場計算進行總結和驗證，先后得出多排管、單圈管、多圈管等多種布管方式下的溫度場解析解，極大地推動了凍結溫度場理論的發展＼～1]。

目前，關于地層凍結溫度變化的研究主要采用理論分析、數值模擬和室內試驗等方法，對凍結施工現場監測的研究和分析較少；此外，凍結法在黏土、粉砂土等細顆粒土地層中的應用較多，在砂卵石地層中的應用案例相對較少，理論分析和數值模擬的研究結論是否適用于砂卵石地層地區的實際工程還有待進一步驗證11＼～13]。本文依托北京地鐵19號線草橋站—景風門站區間聯絡通道凍結工程，現場監測凍結施工過程地層的溫度變化情況，并基于監測成果討論砂卵石地層凍結過程溫度場的演化規律。

1工程概況

北京地鐵19號線草橋站一景風門站區間某聯絡通道兼做排水泵房。聯絡通道地面標高約為 38.5m 拱頂埋深約 20.9m 。聯絡通道所在位置的主線隧道管片為裝配式鋼筋混凝土單層襯砌，管片厚度300mm ，主線隧道內徑為 5.8m 。聯絡通道結構橫斷面為直墻拱形，泵房橫斷面為矩形，開挖后采用二次襯砌方式，初襯前的開挖尺寸為高 7.66m 寬 4.0m ，二襯后結構凈高 4.32m 凈寬 3.5m 。見圖1。

聯絡通道所在地層為砂卵石層，圍巖穩定性差，周邊鄰近高壓燃氣管線和熱力管線，存在涌水冒砂、隧道坍塌變形的施工風險。聯絡通道位于地下水位以下，地層王體中地下水連續分布，為強透水層。采用凍結法加固 + 礦山法暗挖的施工方法，施工工序主要分為鉆孔、凍結、開挖構筑3個階段。

2凍結與監測方案

2.1凍結方案

從隧道兩側以不同角度向地層進行鉆孔，在聯絡通道及泵房周圍形成一個封閉區域，凍結管材為 ？89 mm×8mm 鋼管，凍結孔深度根據布設位置的不同有差異，透孔孔深在 5.2～8m ，非透孔孔深 2m 。左線隧道（凍結站一側）鉆探凍結孔53個，右線隧道（非凍結站一側）鉆探凍結孔29個。見圖2。

凍結站和凍結管路安裝完成后，開啟冷凍機進入積極凍結階段。采用氯化鈣鹽溶液作為循環低溫冷媒，凍結7d循環鹽水溫度可達 以下，凍結期最低鹽水溫度 ，計劃積極凍結期為45d，聯絡通道凍結壁設計厚度為 2.2m ，凍結壁與隧道管片交界處平均溫度不高于 ，其他部位凍結壁平均溫度不高于 。根據凍結實際發展情況決定是否延長積極凍結期，之后進行維護凍結期。區間聯絡通道在隧道左線一側開挖，在聯絡通道二襯結構澆筑完畢后停止凍結。

2.2監測方案

為監測凍結過程中地層溫度的發展情況，判斷凍結壁厚度、平均溫度及隧道管片界面溫度和開挖區附近地層凍結情況，在不同位置設置測溫點，使用多點半導體測溫儀進行溫度監測。

在聯絡通道周圍共鉆探8個測溫孔，凍結站一側2個，對側6個。C1和C2測溫孔位于凍結站一側凍結主面，測溫點均為3個，布置深度為 0.5，1.5，3.0m C3＼～C8測溫孔位于隧道另一側凍結輔面，C3測溫孔布設溫度測點4個，深度為 0.5，1.5，2.5，3.2m ，凍結孔傾角 ；C4測溫孔布設溫度測點6個，深度為0.5、1.5，2.5，3.5，4.5，6.0m ，凍結孔傾角 ；C5、C6、C7和C8測溫孔的測點均為3個，布置深度為 0.5，1.5，3.0 m ，全程監測地層溫度的發展情況。同時，為判斷傳熱效果，對鹽水去、回路溫度也進行全程監測。見圖3。

3監測結果

3.1鹽水溫度

鹽水溫度變化可分為3個階段。1＼～8d為快速降溫階段，鹽水溫度迅速下降至 $-20＼mathrm{^＼circC}$ ，平均降溫速率達 ，鹽水去回路溫差逐漸降低。9＼～25d為緩慢降溫階段，鹽水去回路溫度緩慢降低，鹽水溫度從 降至 ，去回路溫差基本穩定在 ，說明土體熱交換較小，凍結帷幕發展良好；其中23＼～25d鹽水溫度快速下降，是由于在凍結23d后增加一臺制冷機組，制冷效率明顯升高，去路鹽水溫度很快達到 -30degreeC ，回路溫度也穩定在 。25d后為溫度穩定階段，鹽水溫度保持穩定，該階段是凍結施工的積極凍結后期和維護凍結階段，去回路溫差較前2個階段增大，說明開挖期間由于土體不斷暴露到空氣中，與周圍環境的熱交換變大。見圖4。

3.2測溫孔溫度

為了推算凍結壁溫度及發展速度，判斷地層土體是否滿足地層開挖條件，對各測溫孔的溫度進行同步監測，頻率為1次/d，初始的地層溫度約為 。見圖5。

C2、C6、C8測溫孔位于凍結壁的外側，溫度變化規律基本相似，大致經歷了3個階段：第1＼～10d為快速降溫階段，由于地層與鹽水溫度的溫差較大，土體溫度下降很快，溫度與時間呈線性關系；第10＼～38d為緩慢降溫階段，凍結管周圍土體溫度降至 0℃以下，土中水分發生相變，水相變成冰釋放潛熱，隨著地層溫度的降低，土體與鹽水的溫差變小，故傳熱速率也逐漸減小，溫度與時間呈對數關系；第38d后為第3階段，各測點溫度基本趨于平穩，土體熱交換基本完成，進入維護凍結期。

C1、C3、C4、C5和C7位于凍結壁內側，測溫孔前兩階段的溫度變化規律與凍結壁外側C2、C6、C8測溫孔的變化規律相似，但后期開挖使凍結壁內側土體不斷暴露在空氣中，測點受空氣對流影響，土體溫度出現明顯的回升。各測溫孔溫度回升幅度與測溫孔深度有關，測溫孔越淺溫度升高越大。由于在開挖過程中凍結站未停止工作，故土體溫度升高后，與鹽水溫差變大，使得土體吸收冷量效率增大，溫度又有所下降。

為探究凍結壁內外側土體溫度的發展規律，分別選取C1與C2、C7與C8兩組孔的溫度進行。第1＼～38d，凍結壁內外側的溫度變化趨勢相同，溫度先快速下降，后降溫速率逐漸減緩：凍結壁內側測溫孔C1、C7凍結38d不同深度土體的平均溫度分別為 ，平均降溫速率分別為 凍結壁外側測溫孔C2、C8凍結38d不同深度土體的平均溫度分別為 ，平均降溫速率分別為 。積極凍結期凍結壁內側土體降溫速率較快，其溫度始終低于外側土體溫度，這是因為外側土體受地下水流影響更為顯著，外側參與傳熱的土體范圍大于內側，冷量損失較大。38d后為維護凍結期，隨著土體的開挖，凍結壁內外側土體溫度差異明顯，內側土體溫度有明顯的回升，而外側土體受土方開挖影響不明顯，其溫度繼續保持穩定。見圖6。

圖6凍結壁內外側溫度對比

3.3凍結帷幕交圈

每個測溫孔的凍結發展速度

v=d/t

式中： v 為凍結發展速度， mm/d；d 為測點至最近凍結孔的距離， mm ；t為測點溫度降至 0℃所需時間，d。

8個測溫孔共28個溫度測點的最大凍結發展速度為 73mm/d ，為C3測溫孔 3.2m 處測點；最小凍結發展速度為 34mm/d ，為C6測溫孔 0.5m 處測點；地層平均凍結發展速度為 46mm/d 。見表1。

為確保土方開挖過程中圍巖的穩定性，同時考慮凍結孔鉆孔位置可能存在偏斜，通常取最小凍結發展速度為凍結壁的平均擴展速度。據此，推算出凍結38d后單側凍結壁最小發展半徑為 1：292：mm ，凍結壁厚度滿足 2.2m 的設計要求。

為了更加直觀地感受結帷幕的交圈情況，選取兩個切面繪制凍結交圈圖。見圖7。

在B-B切面上，凍結壁有效區最大孔間距所在位置為D33＼～D38，孔間距為 1489mm C-C 切面上，凍結壁有效區最大孔間距所在位置為D29＼～D31，孔間距為 。凍結壁發展速度按 34mm/d 計算，進行凍結壁預想交圈圖的繪制。見圖8。

B-B切面已交圈，最小凍結壁厚度為 2259mm ，在D33和D38之間；C-C切面已交圈，最小凍結壁厚度為 2275mm ，在D29和D31之間。

4結論與建議

1）凍結期間，各測點溫度變化趨勢大致相同，經歷快速降溫、緩慢降溫和維護凍結3個階段。快速降溫階段溫度與時間呈線性關系，緩慢降溫階段溫度與時間呈對數關系，維護凍結階段溫度保持穩定。

2）積極凍結期，受傳熱范圍和滲流作用影響，凍結壁外側土體降溫速率較慢，溫度始終高于內側土體。維護凍結期，凍結壁內側測溫孔受開挖影響，加固土體與空氣熱交換加劇，出現明顯的回溫現象。

3）取測溫孔最小凍結發展速度作為凍結壁的平均擴展速度，凍結38d后，單側凍結壁最小發展半徑為 1292mm ，滿足凍結壁厚度設計要求。

4）采用最小凍結發展速度作為凍結壁的平均發展速度過于保守，容易造成制冷能量的浪費且延長凍結工期；凍結壁有效厚度超過設計預期，土體凍結范圍和強度增大，又會增加土方開挖的難度。因此，在后續研究中有必要根據實際情況，考慮地下水滲流對凍結壁交圈的影響，對凍結壁有效厚度的計算方法進行優化。

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