人工地层冻结温度场形成规律研究

张鹏飞

（中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230000）

人工冻结法的实质：实际上就是利用人工制冷的技术能够临时改变各个岩土的性质来达到固结地层目的。在人工冻结过程中，人工冻土经常会采用盐溶液间接施工法，它的实质其实就是将盐溶液经过氨制冷后，在土体内埋设的管道中进行循环，吸收了土体产生的热量，不断的进行循环，一直达到土体冻结的目的为止。[1～5]

国内外许多学者，对此作出了一系列研究工作。例如，学者特鲁巴克[6]系统且详细的研究了单管冻结温度场的时空演变规律，冻结温度场理论由此被提出；中国矿业大学教授余力[7]在在学者特鲁巴克研究的基础上，简化了冻结问题，将复杂的三维问题转化成简单的二维问题考虑，得到了单圈管冻结温度场的形成规律；胡向东等[8]在考虑土层实际冻结温度的基础上做出修正。李述训[9]根据以往学者的实测资料，获得在二类边界条件下的解析解，及如何求出冻结管间平均温度和冻结壁厚度。

在冻结法凿井的施工过程中，冻结孔的布置方式有很多种，最常见的就是在与掘进隧道同心的圆周上均匀的布置冻结管[10～11]。

当冻结施工环境中，没有地下水的存在时，等距离的布置冻结管可以保证形成的冻结壁的强度比较均匀；但是，对于布置冻结管的数量的不同，冻结管的间距过大或者过小，都会影响冻结管的交圈，冻结管的间距不同，其交圈时间也相应改变，且形成的冻结壁的厚度也不同，冻结壁的强度也随之变化，因此，冻结管间距的不同，对冻结温度场的形成规律进行一系列研究，具有重要的工程意义。本文将结合地下水对人工冻结温度场的作用特点，研究在无流速时，不同的管间距对冻结温度场的影响。

1 数值模型的建立

1.1 网格划分图1）

图1

1.2 数值计算结果

根据饱和砂土的冰点试验结果，当冻结砂土层的温度达到-1℃时，视为此时形成的冻结壁是有效，因此冻结壁的轮廓线-为1℃的等温线，将流速为0m/d时，不同的冻结管管间距在冻结时间为5、15、25d的分布云图如图2所示。

图2

通过对比不同冻结管间距，在冻结时间在5d、15d、25d时的其冻结温度场发展变化规律，分析可以发现，在冻结时间相同的情况下，冻结管的间距越小，冻结壁的发展越快。通过云图可以发现，当冻结管间距为0.95 m时，冻结管间距较小，冻结管的发展较好，在冻结时间为5d时，冻结壁就已交圈，且发展较为均匀，随着冻结时间的增大，冻结壁的厚度也越大形成一个均匀的封闭圆环，达到隔绝水源的目的，此时，冻结壁的强度也随之更大。反观当冻结管间距为1.99 m时，冻结时间为5d时，冻结管开始降温，到冻结时间为15d时，冻结管的发展开始变快，但此时冻结管仍然没有交圈，直至冻结25d时，冻结管开始交圈，但此时由于交圈时间较短，冻结壁发展不完全，冻结壁厚度不均匀，冻结壁厚度也较小，虽然形成了一个封闭圆环，但由于厚度不均匀，故冻结壁强度较小。由此可知，冻结管间距越小，冻结管交圈越快。

当冻结时间为5d时，在冻结壁的厚度为1.99 m、1.69 m、1.46 m、1.29 m、1.15 m时，此时的冻结管没有交圈，但是随着冻结管间距的减小，冻结管的扩展范围越来越大，直至冻结管间距为1.04 m时，此时的冻结管开始交圈，且冻结管间距为0.95 m时的冻结壁的发展相比间距1.04 m时好，形成的冻结壁也相比较均匀。当冻结时间为25d时，冻结管此时均交圈，但在冻结管间距较大时，1.99 m时，此时的冻结壁发展不均匀，在间距达到1.69 m时，相比1.99 m，冻结壁的扩展相对较均匀，形成一个“圆环”。随着冻结管间距的减小，冻结壁的厚度越大，且越来越均匀。通过云图可以发现，冻结管间距越小，冻结壁的交圈时间越短，同时形成的冻结壁厚度越大，强度也更大。

从图3中可以得知：冻结管间距增大，其交圈时间也随之增大。可视冻结壁交圈时间与冻结管间距成线性关系，且交圈时间增大的速率随着冻结管间距的增大也越来越快。当冻结管间距为0.95 m时。交圈时间仅需4天即可完成交圈，冻结管的间距为1.29 m时，交圈时间开始至冻结8天才能交圈。而当冻结管间距在1.99 m时，冻结的交圈时间增大到24天方可交圈。这表明在工程施工安全且方便的前提下，冻结管的管间距越小，冻结的交圈时间也越短，可以明显缩短施工工期，加快施工进度，减少施工成本。

图3

图4所示为在冻结时间达到30d时，冻结壁厚度随冻结管间距的变化规律。冻结管间距与冻结壁厚度大致呈线性变化。冻结壁的厚度随着冻结管间距的增大而减小。当冻结管间距为1.99 m时，形成的冻结壁的厚度较小，仅为1.18 m，当冻结管间距为1.29 m时，冻结30d时的冻结壁厚度为2.16 m，当冻结管间距为0.95 m时，冻结30d后的冻结壁厚度为2.54 m。冻结管间距越小，冻结壁厚度越大，表明在实际工程施工时，在满足施工安全的前提下，冻结管管间距越小，其形成的冻结壁厚度越厚，冻结壁也更稳定。

图4

2 结论

2.1 在相同的冻结时间下，冻结管的间距越小，冻结壁的发展越快，冻结壁越均匀。

2.2 随着冻结管间距的增大，其交圈时间也随之增大，且交圈时间增大的速率随着冻结管间距的增大也越来越快。

2.3 冻结管间距与冻结壁厚度呈线性变化，冻结壁的厚度随着冻结管间距的增大而减小。