人工地層凍結溫度場形成規律研究

張鵬飛

（中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230000）

人工凍結法的實質：實際上就是利用人工制冷的技術能夠臨時改變各個巖土的性質來達到固結地層目的。在人工凍結過程中，人工凍土經常會采用鹽溶液間接施工法，它的實質其實就是將鹽溶液經過氨制冷后，在土體內埋設的管道中進行循環，吸收了土體產生的熱量，不斷的進行循環，一直達到土體凍結的目的為止。[1～5]

國內外許多學者，對此作出了一系列研究工作。例如，學者特魯巴克[6]系統且詳細的研究了單管凍結溫度場的時空演變規律，凍結溫度場理論由此被提出；中國礦業大學教授余力[7]在在學者特魯巴克研究的基礎上，簡化了凍結問題，將復雜的三維問題轉化成簡單的二維問題考慮，得到了單圈管凍結溫度場的形成規律；胡向東等[8]在考慮土層實際凍結溫度的基礎上做出修正。李述訓[9]根據以往學者的實測資料，獲得在二類邊界條件下的解析解，及如何求出凍結管間平均溫度和凍結壁厚度。

在凍結法鑿井的施工過程中，凍結孔的布置方式有很多種，最常見的就是在與掘進隧道同心的圓周上均勻的布置凍結管[10～11]。

當凍結施工環境中，沒有地下水的存在時，等距離的布置凍結管可以保證形成的凍結壁的強度比較均勻；但是，對于布置凍結管的數量的不同，凍結管的間距過大或者過小，都會影響凍結管的交圈，凍結管的間距不同，其交圈時間也相應改變，且形成的凍結壁的厚度也不同，凍結壁的強度也隨之變化，因此，凍結管間距的不同，對凍結溫度場的形成規律進行一系列研究，具有重要的工程意義。本文將結合地下水對人工凍結溫度場的作用特點，研究在無流速時，不同的管間距對凍結溫度場的影響。

1 數值模型的建立

1.1 網格劃分圖1）

圖1

1.2 數值計算結果

根據飽和砂土的冰點試驗結果，當凍結砂土層的溫度達到-1℃時，視為此時形成的凍結壁是有效，因此凍結壁的輪廓線-為1℃的等溫線，將流速為0m/d時，不同的凍結管管間距在凍結時間為5、15、25d的分布云圖如圖2所示。

圖2

通過對比不同凍結管間距，在凍結時間在5d、15d、25d時的其凍結溫度場發展變化規律，分析可以發現，在凍結時間相同的情況下，凍結管的間距越小，凍結壁的發展越快。通過云圖可以發現，當凍結管間距為0.95 m時，凍結管間距較小，凍結管的發展較好，在凍結時間為5d時，凍結壁就已交圈，且發展較為均勻，隨著凍結時間的增大，凍結壁的厚度也越大形成一個均勻的封閉圓環，達到隔絕水源的目的，此時，凍結壁的強度也隨之更大。反觀當凍結管間距為1.99 m時，凍結時間為5d時，凍結管開始降溫，到凍結時間為15d時，凍結管的發展開始變快，但此時凍結管仍然沒有交圈，直至凍結25d時，凍結管開始交圈，但此時由于交圈時間較短，凍結壁發展不完全，凍結壁厚度不均勻，凍結壁厚度也較小，雖然形成了一個封閉圓環，但由于厚度不均勻，故凍結壁強度較小。由此可知，凍結管間距越小，凍結管交圈越快。

當凍結時間為5d時，在凍結壁的厚度為1.99 m、1.69 m、1.46 m、1.29 m、1.15 m時，此時的凍結管沒有交圈，但是隨著凍結管間距的減小，凍結管的擴展范圍越來越大，直至凍結管間距為1.04 m時，此時的凍結管開始交圈，且凍結管間距為0.95 m時的凍結壁的發展相比間距1.04 m時好，形成的凍結壁也相比較均勻。當凍結時間為25d時，凍結管此時均交圈，但在凍結管間距較大時，1.99 m時，此時的凍結壁發展不均勻，在間距達到1.69 m時，相比1.99 m，凍結壁的擴展相對較均勻，形成一個“圓環”。隨著凍結管間距的減小，凍結壁的厚度越大，且越來越均勻。通過云圖可以發現，凍結管間距越小，凍結壁的交圈時間越短，同時形成的凍結壁厚度越大，強度也更大。

從圖3中可以得知：凍結管間距增大，其交圈時間也隨之增大。可視凍結壁交圈時間與凍結管間距成線性關系，且交圈時間增大的速率隨著凍結管間距的增大也越來越快。當凍結管間距為0.95 m時。交圈時間僅需4天即可完成交圈，凍結管的間距為1.29 m時，交圈時間開始至凍結8天才能交圈。而當凍結管間距在1.99 m時，凍結的交圈時間增大到24天方可交圈。這表明在工程施工安全且方便的前提下，凍結管的管間距越小，凍結的交圈時間也越短，可以明顯縮短施工工期，加快施工進度，減少施工成本。

圖3

圖4所示為在凍結時間達到30d時，凍結壁厚度隨凍結管間距的變化規律。凍結管間距與凍結壁厚度大致呈線性變化。凍結壁的厚度隨著凍結管間距的增大而減小。當凍結管間距為1.99 m時，形成的凍結壁的厚度較小，僅為1.18 m，當凍結管間距為1.29 m時，凍結30d時的凍結壁厚度為2.16 m，當凍結管間距為0.95 m時，凍結30d后的凍結壁厚度為2.54 m。凍結管間距越小，凍結壁厚度越大，表明在實際工程施工時，在滿足施工安全的前提下，凍結管管間距越小，其形成的凍結壁厚度越厚，凍結壁也更穩定。

圖4

2 結論

2.1 在相同的凍結時間下，凍結管的間距越小，凍結壁的發展越快，凍結壁越均勻。

2.2 隨著凍結管間距的增大，其交圈時間也隨之增大，且交圈時間增大的速率隨著凍結管間距的增大也越來越快。

2.3 凍結管間距與凍結壁厚度呈線性變化，凍結壁的厚度隨著凍結管間距的增大而減小。