渗流对人工冻结温度场影响的研究

陈盈盈 周桂云 余长青

（金陵科技学院建筑工程学院，江苏 南京 211169）

0 引言

随着“京津冀协同发展”、“长三角一体化”、“粤港澳大湾区建设”和“一带一路”等国家战略的实施，我国城市轨道交通保持快速发展趋势。“十三五”期间，我国累计新增城市轨道交通运营线路长度4351.7km，年均新增运营线路长度870.3km，未来获批的地铁城市及建设规划的新线路将越来越多[1]。然而，在地铁的修建过程中，难免会遇到软弱土层和富含水砂层，其高含水率和低承载力会给地铁的修建带来极大的风险，人工冻结法因其能加固土层且有效止水，已广泛用于地铁隧道的修建，能够极大降低开挖的风险，有效解决复杂的地下工程问题。

我国沿江和沿海城市地下水位高且地下水活动强烈，松散的土层中常常会有较大的渗流速度，如常州、上海等地，对人工冻结工程产生较大的影响。地下水流速越快，水流带走冻结管周围的冷量越多，冻结管与周围土体的热交换越少，进而可能导致冻结壁交圈困难甚至形成未封闭的冻结壁，引发工程事故。国内外学者已开展了大量的室内试验和数值模拟研究，主要集中于冻结壁温度场的形成与发展，这对于深入认识和指导实际人工冻结工程具有重要的指导意义。为此，本文介绍了人工冻结法，详述了渗流对人工冻结温度场的影响的研究现状以及冻结效果的改善方法，并提出未来的研究方向。

1 人工冻结法概述

1.1 人工冻结法的原理

人工冻结法是一种临时加固土层的方法，在地层中布设一定数量的冻结管，并在其中循环低温制冷剂，冻结过程中冻结管与周围土体之间会发生热交换，使地层中的水冻结成冰，形成封闭连续的冻结帷幕（即冻结壁），不但能提高土体强度，抵挡土压力，而且能隔绝地下水和开挖区，确保施工安全。此外，冻结管的布置灵活，可形成不同形状的冻结壁，能适用于各种复杂的工况。

1.2 人工冻结法的分类

按低温制冷剂的不同，人工冻结法主要可分为盐水冻结和液氮冻结。盐水冻结是一种闭合冻结系统，采用冷冻机将盐水降温，利用循环泵使冷盐水在冻结管网中循环，再返回至冷冻机内进行降温，形成一个闭合回路，如图1（a）所示；而液氮冻结是一种开放冻结系统，通过液氮车的运输向液氮箱内补充液氮，而液氮从液氮箱内进入冻结管网中循环，最终气化后直接排入空气中，如图1（b）所示。

图1 人工冻结系统

1.2.1 盐水冻结

盐水冻结法因其经济性，广泛应用于地铁隧道端头的始发、接收以及联络通道[2-3]，能极大地降低安全风险。该冻结系统主要包括冷冻机和冻结管两部分，冷冻机可将盐水温度降低至指定负温（设计最低盐水温度一般为-28℃~-30℃），盐水一般采用氯化钙水溶液，冻结管一般采用Φ89×8的低碳无缝钢管。冻结过程主要分为两个阶段：积极冻结和消极冻结，积极冻结期间主要是将冻结壁发展到设计厚度，消极冻结期间主要是维护冻结壁，使其不再扩展。

1.2.2 液氮冻结

液氮冻结法采用的液氮是一次性消耗品且价格昂贵，受工程中复杂因素的影响，其消耗量不确定，通常仅在处理紧急工程事故当中才采用，如发生渗水涌砂险情[4]、江河下盾构盾尾刷的更换等[5]。该冻结系统主要包括液氮箱和冻结管两部分，不需要冻结站，液氮的最低温度可达-195.8℃，常温下极易发生气化，被储存在液氮箱内。液氮在冻结管中循环后，以氮气（温度一般为-120℃~-80℃）的形式释放到空气中。显而易见，相较于盐水冻结法，液氮冻结法的冻结效率，冻结速度可提高9～10倍。

2 渗流对人工冻结温度场的影响

在人工冻结工程中，冻结壁的厚度、平均温度以及其封闭性是施工安全的保障。然而由于地下土层的复杂性，会受到河流、暗流和海水等影响，土层中的地下水流速较快，即发生渗流，尤其在无黏性土层中。相较于液氮冻结法，盐水冻结法冷源的温度相对较高，形成的冻结壁更容易受渗流的影响，其形成和发展缓慢，甚至会停滞。为研究渗流对人工冻结温度场的影响，国内外许多研究学者开展了大量的试验研究，方法主要集中在物理模型试验和数值模拟。

2.1 物理模型试验

物理模型试验是研究渗流条件下人工冻结温度场发展最直接的方法，众多学者基于相似理论构建了不同工况条件下的人工地层冻结的缩尺模型，通过物理模型试验能够模拟不同工况条件下土体的冻结过程，进而研究不同影响因素对土体冻结温度场的影响，如冻结管间距、直径、渗流速度、冷源温度等。研究结果均表明，地下水流速越大，冻结壁的发展速度越慢，当达到一定流速时，相邻冻结管形成的冻结圆柱会无法交圈。

大多数研究集中在渗流条件下盐水冻结对土体温度场的影响。刘伟俊等[6]从迎水面长度、顺水流长度和厚度三个方面，研究北京砂卵石地层多排管条件下渗流作用对冻结体温度场的影响规律，给出了渗流作用下多排管冻结土体的平均温度计算公式。在此基础上，张晋勋等[7]研究了渗流条件下盆形冻结技术。Wang等[8]研究了渗流对单管周围砂层温度场时间和空间的发展规律。李方政等[9]研究了冻结孔间距、地下水流速、盐水温度和冻结孔管径等因素条件下渗流对富水砂层双排管冻结壁形成的影响，并提出了渗流条件下人工冻结施工的应对措施。周晓敏等[10]也开展了饱和砂层中渗流冻结的相关试验研究，认为缩小冻结孔间距是抑制渗流影响的最有效措施。以上研究主要集中于无黏性土，而在软土地区冻结时也面临渗流问题，往往冻结软黏土时也会发生渗流现象，进而对周边环境产生不利影响。为此，周洁等[11]研究了软黏土下伏较大渗流砂层条件下影响区土体的温度、冻胀力以及地表沉降的变化规律，结果表明下伏砂层中存在临界渗流速度，并且渗流会显著削弱软黏土的潜热效应。少有学者开展渗流条件下液氮冻结的物理模型研究，王朝晖等[12]通过试验发现，当流速大于10m/s时，会对液氮冻结形成的冻结壁发展有显著影响。

2.2 数值模拟

数值模拟能有效减少物理模型试验的次数，仅需在计算机上进行模拟和数据处理，极大地降低了试验成本，但构建的数值模型需要通过物理模型的试验结果进行验证。现有的数值模型不再是单一的考虑初始和边界条件对热传导方程进行求解，越来越多的研究考虑了地下水渗流对土层冻结过程中热传导的影响，从一维的求解逐步发展到三维的求解。

杨平和皮爱如[13]结合多孔介质热运移理论和达西定律，建立了渗流条件下冻结锋面发展的数学模型，并采用数值计算的方法分析了冻结过程中的温度场和渗流场的变化规律。Lai等[14]考虑了相变的影响，建立了渗流场-温度场耦合的数学模型，并给出了有限元的计算公式。周晓敏等[15]将渗透系数作为耦合参量，耦合了地层冻结过程中的渗流场和温度场，构建了数值模型，研究了渗流作用下井筒冻结温度场和渗流场的发展规律。Pimentel等[16]基于开发的有限元代码FREEZE真实地模拟了德国菲尔特地铁修建中的一个人工冻结工程，该工程软土层中发生明显的渗流，反演了当时冻结体发展的过程。张晋勋等[17]基于物理模型试验建立了“板梳”冻结三维数值模型，采用COMSOL Multiphysics有限元软件，对比验证物理试验结果后，深入分析了渗流条件下冻结壁的形成和发展规律，为其冻结施工参数的确定提供指导。叶超等[18]建立了热流耦合数值模型，考虑了地下水含盐量的影响，研究了渗流条件下含盐量对冻结壁发展规律的影响。

3 改善冻结效果的方法

以上研究的最终目的在于改善和提升渗流条件下人工冻结的效果，使形成的冻结壁达到设计要求，满足开挖的前提条件，并尽可能地降低能耗。一些学者提出了一些优化方法找寻渗流条件下冻结管布置的最佳位置。Marwan等[19]提出了一种结合群蚁算法和水热耦合土体冻结有限元模型的方法来确定冻结管的最佳位置。Huang等[20]构建了一个水热耦合模型，考虑了土体中冰水相变的转换以及隧道周围冻结管的位置，其中冻结管最佳位置的确定采用了下山单纯形算法。

此外，在人工冻结工程中，如果布设过多的冻结管，虽然能够确保工程安全，但是会造成不必要的供冷消耗，一些学者开展了这方面的研究。Alzoubi等[21]提出了冻结需求（Freezing-ondemand，简称FoD）的概念，就是给需要冻结的土体提供冷源，与此同时，还要确保结构稳定和开挖安全，尽可能减少冷量的散失。Zueter等[22]开展了在冻结管的特定区域设置空气隔层的相关研究。还有学者研究如何提高冻结过程中的对流换热效率，提高冻结的效果。Guo等[23]提出了场协同的概念，建立了对流换热效率与速度、温度梯度之间夹角的联系。

4 结束语

人工冻结法因其具有良好的止水性，近几年广泛被用于解决复杂的地下工程问题，但在地下水流速较快的土层时，渗流会引起冻结冷量的损失，进而可能会造成无法交圈或者冻结壁存在薄弱区。目前，国内外学者主要从物理模型试验和数值模拟两方面，针对渗流对人工冻结温度场影响已开展了一系列的研究，同时也提出了一些改善冻结效果的方法，已取得了大量的研究成果，但仍旧存在一些不足，未来可从以下几个方面进一步研究。

（1）可靠的数值模型均依赖于室内物理模型装置的试验结果，现有的物理模型试验装置针对某种特定工况，往往具有局限性，并且相关的物理模型试验研究成果非常有限，需要进一步深入探究。

（2）人工冻结工程中土体温度场的发展是一个瞬态的过程，针对渗流条件下土体的冻结，现有的数值模拟多采用稳态的分析方法，今后可多采用瞬态的数值分析方法，尽可能多地考虑土体冻结过程中发生的物理过程，解决渗流条件下人工冻结温度场发展的问题。

（3）现有改善渗流条件下土体冻结效果的方法包括：采用算法确定冻结管布置的最佳位置，减少不必要的供冷消耗以及提高对流换热的效率等，今后可综合这些方法开展相关的研究，不断提高土体冻结的效率。