在渗流条件下，人工冻结的地铁横通道解冻行为的传热分析

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Heat transfer analysis of thawing behavior in artificially frozen subway cross passage under seepage conditions

本研究通过模型试验和优化热-水耦合数值模型，系统分析渗流砂砾层自然与强制冻融的温度场演变规律，揭示渗流速度与温度对冻融速率的影响机制，提出工程冻融方法优化策略，为复杂地质条件下地铁工程冻融控制提供理论支撑。

　　

韩云曦|沈玉鹏|刘欣|志军|毕伟刚

北京交通大学土木工程学院，中国北京100044

摘要

人工冻结层的解冻过程在工程实践中受到了越来越多的关注。地下水渗流对高渗透性砂砾层的解冻行为有显著影响。为了加速解冻并满足严格的工程进度要求，通常会采用强制解冻技术。然而，在多种因素共同作用下预测层解冻温度的变化仍然具有挑战性。这种不可预测性导致缺乏评估解冻环境影响的可靠定量依据。本研究通过模型测试系统地研究了自然解冻和强制解冻过程中层内的温度分布。随后，结合砂砾土的冻胀特性曲线优化了热-水力耦合数值模型，并详细分析了多个关键因素对层解冻的影响。最后提出了选择层解冻方法的建议，并优化了强制解冻的实施方案。研究结果表明，提高地下水渗流速度和温度可以有效加速层解冻，在大多数工程情况下自然解冻即可满足解冻要求。与自然解冻相比，强制解冻可以将解冻时间缩短83.71%，因此更适合渗流速度和温度较低的层。优化的强制解冻方法不仅确保了解冻效率，还减少了多余热量的浪费。这些研究结果为类似工程项目中选择解冻方法提供了宝贵的技术指导。

引言

人工地基冻结（AGF）是一种环保的基础处理技术，利用热力学和低温原理暂时冻结土壤。这一过程有效地改变了复杂的地质和水力机械条件（Zhou和Tang，2018）。通过制冷剂（如氨、盐水或液氮）与土壤基质之间的可控热交换过程，形成整体且不透水的冻结墙。该冻结墙具有双重结构和水力功能：它能够承受土压和水压，同时有效阻挡地下水流动，确保挖掘环境的稳定性（Alzoubi等人，2020）。由于其在加固含水量高和地质条件较差的层中的有效性，AGF已广泛应用于土木工程（Qi等人，2020；Gong等人，2025；Luo等人，2025）、采矿行业（Deng等人，2019；Zueter等人，2024；Pilecki等人，2025）以及污染物控制（Li等人，2025c；Zhang等人，2024）。

AGF方法的施工过程通常包括三个阶段（Zhou等人，2022）。首先开始主动冻结阶段，在此期间快速形成冻结墙。一旦冻结墙达到所需的强度和厚度标准，系统进入后续的被动冻结阶段。该阶段的主要目标是在进行隧道挖掘和衬砌支撑施工的同时保持冻结墙的完整性。最后进入解冻阶段，系统停止供应制冷剂，使地面逐渐解冻。在解冻过程中，土壤的力学性质会发生变化，可能导致冻胀和解冻沉降现象的进一步发展（Zhou等人，2022b；Zhou和Tang，2015a）。因此，必须实施灌浆作业以抵消层变形（CAO，2010）。解冻方法包括自然解冻（通过与周围土壤和地下水的热交换）和强制解冻（在冻结管内循环加热盐水，Hu等人，2017）。虽然强制解冻显著减少了解冻时间和灌浆频率，但引入外部热源会增加解冻过程的复杂性。

在AGF项目中，层内的温度分布是一个关键参数。它不仅直接决定了冻结墙的结构完整性，也是预测地面变形模式的基础（Li等人，2022）。因此，准确理解AGF操作期间地下温度场的演变对于有效的工程控制至关重要。地质工程中的地下温度场演变，尤其是在AGF中，是一个复杂的多物理问题。这一挑战包括移动边界、相变、热质传递和水分迁移（Nikolaev等人，2022）。大量研究集中在这些工程场景中土壤和岩石质量冻结阶段的温度分布模式上（Fan和Yang，2019；Yang等人，2019；Yan等人，2023；Gao等人，2018）。然而，当前关于工程中土壤解冻的研究主要集中在季节性冻结或永久冻土的解冻行为上。相比之下，对于人工冻结土壤的解冻过程，仍缺乏可靠的预测模型（Ngo等人，2022）。

最近对人工冻结土壤解冻的研究使用了室内模型测试来揭示自然解冻过程中的温度分布模式。研究结果表明，冻结墙的自然解冻时间大约是主动冻结期的2.11倍（Cai等人，2023；Cai等人，2025a）。已经建立了一个结合现场监测数据的数值模型来分析矿井建设过程中的解冻行为，但排除了地下水渗流等因素（Levin等人，2021）。此外，半解析模型为自然解冻和强制解冻阶段的精确工程计算提供了有力工具（Nikolaev等人，2024）。离心模型实验也被用来研究解冻对人工冻结粘土性质的影响（Zhou和Tang，2015b）。

在中国，由于密集的城市基础设施（包括地下管道、建筑物和交通网络），AGF面临独特的挑战。长时间的解冻会严重干扰城市发展。因此，准确预测和控制解冻时间对于减轻次生地质风险至关重要。然而，在复杂层中，这样的预测仍然非常具有挑战性。例如，在北京地铁建设过程中，由于砂砾层具有较高的渗流速率，地下水流动显著复杂化了冻结墙的形成和解冻过程，使得温度场的演变难以预测（Gao等人，2025）。关于渗流和强制解冻共同作用下的地面温度场的研究仍然很少，从而阻碍了解冻沉降的精确估计（Zheng等人，2021）。此外，渗透层在解冻阶段的监测数据不足限制了数值模拟的验证。

为了解决当前关于人工冻结土壤解冻研究的局限性，本研究首先进行了模型测试。通过该测试获得了地铁穿越施工期间渗流层解冻温度场演变的可靠数据。随后，改进了热-水力耦合数值模型以准确模拟冻结-解冻过程。然后通过测试数据验证了模型的可靠性和准确性。最后，全面分析了包括地下水渗流速度、渗流温度和解冻方法在内的各种因素对冻结层解冻的影响。基于这些发现，制定了一个平衡效率和成本的优化解冻方案。这项研究能够准确预测渗透层中的强制解冻温度场，为在复杂地质条件下的隧道建设期间的变形计算提供了理论基础。

部分摘录

实验方法

本研究进行了相似性模型测试，以再现渗流砂砾层的冻结和解冻行为。在层内嵌入了一个冻结管模型来模拟地面冻结和随后的解冻过程。安装了热敏电阻以连续监测整个解冻阶段的温度分布。几何缩放比例是根据多个因素确定的，包括地铁的实际几何尺寸

用于地面冻结和解冻的热-水力耦合数值模型

在实施AGF方法过程中，层温度场是一个关键的监测指标。层温度决定了冻结墙的闭合时间和厚度，进而决定了冻结土壤的强度和刚度。此外，在粗粒层中经常遇到地下水渗流，它将热量传递到冻结管附近，改变了层温度的空间分布。

关于渗流层中冻结墙解冻影响因素的研究

许多先前的研究讨论了地下水渗流对冻结墙形成的影响。随着渗流速度的增加，冻结墙的闭合时间和达到目标厚度所需的时间都会延长。在相同的冻结持续时间下，较高的渗流速度会减小上游冻结墙的厚度，同时增加下游冻结墙的厚度（Huang等人，2018；Li等人，2025b；Jin等人，2021；Alzoubi等人，2019）。本研究

解冻方法选择建议

地铁建设主要在大型城市进行，这些城市的地上建筑物密集分布，地面交通非常拥挤。尽管地铁的地下挖掘可以减少对地上设施和交通的影响，但在解冻过程中的融化沉降仍会向上通过层传播，影响结构和道路系统。解冻期比冻结期更长。过长的解冻沉降期

结论

本研究通过模型测试确定了渗流砂砾层在自然解冻和强制解冻过程中的温度场演变。使用VG-Clapeyron模型对实验土壤的SFCC进行了表征。通过结合SFCC，可以建立孔隙冰含量与温度之间的关系，从而改进传统的热-水力耦合数值模型。该数值模型在自然解冻和强制解冻过程中的可靠性得到了验证

作者贡献声明

韩云曦：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据整理。沈玉鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、资金获取、概念构思。刘欣：验证、软件、调查。志军：资源提供。毕伟刚：项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（KCJBZY23003536）和国家自然科学基金（42172291）的财政支持。