人工冻结温度场分布特性监测分析——以地铁联络通道为例

温度场计算是联络通道施工的最重要工作之一，而采用有限单元法进行三维温度场预测可以有效解决传统计算方式考虑不全面、结果不精准、直观性偏差的问题。在实际工程应用中，有限元计算一般只用于设计阶段的方案优化中，这主要是由于有限元计算需要设计参数选取、建模、网格划分、数据后处理等一系列工作，对操作人员有较高的要求，同时使用较为繁琐。且各类有限元软件操作方式方法不一也进一步造成了有限元计算方法在工程现场技术人员中的推广困难。为了解决这一“痛点”，实现有限元计算的简单化、轻量化，使其成为冻结工作人员随时可用，无需长时间学习的简易工具，本文基于 COMSOLMultiphysics 的 CompilerTm 开发平台进行了联络通道温度场计算软件的实际与开发，将复杂的数值计算过程简化为参数输入和结果输出两个部分。有效降低了有限元计算的应用门槛，使得能够在一线工程技术人员中得到更广泛的应用。从而提升工程现场对冻结温度场的求解精度，降低薄弱环境出现的可能性。同时大幅度降低后期温度场计算所需的人力、物力。
第一章 绪 论

1.1 研究背景

近年来随着我国经济、科技的蓬勃发展，城市建设用地和生活用地供需矛盾日益加剧，特别是人口流动带来的城市地面可利用空间迅速缩减，城市拥挤、道路交通混乱、环境恶化现象日趋严重，已成为阻碍城市经济发展和影响居民生活品质的重要因素，为解决当前城市发展和用地紧张之间的矛盾，提高城市土地利用率，保证城市健康持续发展，缓解城市交通压力，北京、上海、广州、南京、天津、深圳等经济发达的沿海和内地城市加快了以地铁为先导的地下工程建设步伐，各自制定了庞大的地铁及其它地下工程的建设计划。地铁在我国各大中城市获得了快速发展。2021 年国家“十四五”规划纲要中提出应加快城际铁路和市域铁路建设步伐，至 2035 年全国高速铁路、轨道交通网全面形成。根据我国相关规范规定，地铁区间隧道每 600 m 应设置一处联络通道，目前我国联络通道施工以冻结法为主，尤其在长三角、珠三角等地区富水软土地层中冻结法施工占比接近 100 %。人工冻结法起源于 19 世纪，目前已有 150 多年历史，人工冻结法即将地层中的水结成冰，使土中水和土体冻结后形成连续性好、防水性能好、强度高的一种清洁环保污染小的地基加固方法[1-3]。人工冻结法加固地基相较于传统加固方式具有密封性好、强度高、污染小、应用广泛等特点。同时冻结法在地基加固对环境要求低、灵活高效，处理松散软弱含水地层时具有显著优势，因此被广泛应用在地铁隧道联络通道加固。人工冻结法最主要参数是冻结壁厚度和平均温度，而这两者的确定均取决于土体温度场的分布，目前工程中对于土体温度场一般利用特鲁巴克解或巴霍尔金解之类经验公式进行求解[4]。但由于上述公式均为二维的求解公式，难以全面还原三维条件下的土体温度场，从而寻找冻结工程中的最薄弱环节，这也是造成近年来联络通道事故频发的主要原因。因此必须寻找一种能够更加全面反应冻结效果的方法来解决上述问题。

1.2 人工冻结法现状

1.2.1 人工冻结法应用现状

人工冻结法作为一种新型的地基加固方式起源于 19 世纪初期[8]，西伯利亚人利用寒冷冬季挖掘矿井用来寻找金矿，开启了人类在实际工程中利用人工冻结法施工的先河，随着人类科技进一步发展，人工冻结法应用领域也不断扩宽。19 世纪中期南威尔士将人工冻结法用于加固地基[9]，这是人类将冻结法首次应用在工程地基基础加固上，30 年后德国工程师 P.H.Poetch 将人工冻结加固地层方法定义为人工冻结法并写入专利[10]，人工冻结法作为一种新型地基加固方式，开始在工程中应用。1883 年德国煤矿采用人工冻结法对立井井壁进行预加固开挖[11]，这是人工冻结法首次在煤矿立井中应用，该工程施工安全、环保可靠性强，在煤矿立井采用冻结法开挖中成为了一个典范；1886 年瑞典工程师利用冻结法对人行隧道进行加固 [12]，冻结法开始在交通工程施工中获得应用；到 20世纪中叶人工冻结法已在煤矿立井加固、地铁建设等多领域应用达 100 多次，应用领域不断扩宽。2003 年润扬长江大桥锚碇基础采用排桩冻结法施工[23]，通过将 140 根钻孔灌注桩打入到基岩中并以此作为受力结构形成一个既可以解决地下水渗流又能抵抗土压力组合支护结构。这是国际上将排桩和冻结法结合的第一个成功案例，取得了良好的施工效果。
第二章 广州地铁七号线林-南区间联络通道工况

2.1 工程概况

2.1.1 联络通道工程背景

依托广州地铁林头-南涌站区间联络通道开展现场实测。联络通道盾构隧道左、右线里程分别为 ZDK-5-267.130 m、YDK-5-269.718 m，中心线间距为 12 m，左线隧道轨面标高为-20.477 m，右线隧道轨面标高为-20.475 m，联络通道拱顶覆土厚度为 22.25 m。林头-南涌站区间隧道从林头站始发，沿 G105 向东延伸，左线盾构隧道下穿 10 KV 上冲线干线和 7 号电力塔，侧面穿过 110 KV 高压电塔地基，优先隧道经逸濠轩酒店后，沿 G105 公路到达南涌地铁车站。林头-南涌站盾构区间起讫里程 Y(Z)DK-5-740.533-Y(Z)DK-4-742.320，右线长度为 998.213m,左线长度为 1002.676 m，左线长链 4.463 m。G105 规划道路宽约 80 m，交通繁忙，沿道路铺设有军用光缆、燃气、给水、雨水、电力、通讯等管线，区间沿线建构筑物主要有上冲主干线 7 号电力塔、110 KV 高压电塔、林头大桥逸濠轩。