方形與圓形凍結管單管凍結溫度場數值對比分析

胡俊 劉勇 李玉萍

摘要：為解決現有凍結管單管凍結能力不強致使增加循環冷媒介質用量和施工機械能耗的問題，可將傳統圓形截面設計成方形截面。對方形凍結管的截面形式和施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對方形凍結管單管凍結時的溫度場發展規律進行研究，主要得出：與傳統圓形凍結管相比，方形凍結管可在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結能力；雖然方形凍結管為非圓形截面，但其凍土帷幕溫度場也是以凍結管中心為圓心呈同心圓分布；在靠近凍結管200mm內，方形凍結管比圓形凍結管制冷效果好；在距凍結管300mm以外，兩種凍結管降溫過程基本一致。

關鍵詞：方形凍結管；單管凍結；凍結法；溫度場；數值模擬

中圖分類號：U 445.55⁺5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005x（2015）04-0152-06

人工凍結技術目前在城市地下工程建設中的應用越來越多，它是通過在地層中插入凍結管，在凍結管中通低溫冷媒介質，將土體中的水結成冰，形成凍土帷幕，在凍土帷幕的支護下開挖修筑內部結構，其不受支護深度和范圍的限制，是城市地下工程建設中非常重要的一個輔助工法。傳統的凍結管均為形狀單一的圓形管，致使單管凍結能力不強，極大地增加了循環冷媒介質用量和施工機械能耗。

為了解決現有的凍結管單管凍結能力不強，致使極大地增加了循環冷媒介質用量和施工機械能耗的問題，將傳統圓形截面設計成異形截面，可解決上述問題。異形截面可以有多種形式，如方形、薄板形、工字形、三角形、X形、T形和Y形等，不同的截面形式具有不同的受力特性。本文對方形凍結管的截面形式和施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對方形截面凍結管單管凍結時的溫度場發展規律進行研究，同時與傳統圓形凍結管單管凍結時的溫度場進行對比分析，論證采用方形凍結管施工的可行性，對今后類似工程設計具有一定的指導作用。

1 方形凍結管簡介

1.1 截面形狀

方形凍結管是利用一種正方形截面的凍結管外壁代替傳統的圓形外壁，凍結管外壁在地層中形成方形空腔，在其中心部位放入供液管，同時在凍結管頭部設置回液管，冷媒介質從供液管流入，經回液管流出，如此循環在地層中形成凍土帷幕，如圖1所示。凍結管材質通常為無縫低碳鋼管，也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管。與傳統圓形凍結管技術相比，方形凍結管具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結能力，從而提高性價比，具有較大的推廣應用價值。

1.2 施工工藝

1.2.1 施工準備

（1）要求提前供水、供電到施工場地附近，并清理隧道及施工場地，保證施工通行順暢。

（2）按不同位置的凍結孔鉆進要求，用1.5"鋼管搭建凍結孔施工腳手架，安裝鉆孔施工升降平臺。

（3）施工設備進場。由于現場對施工影響大，應合理安排施工設備運抵安裝地點的時間順序。

1.2.2 凍結鉆孔施工

（1）依據施工基準點，按凍結孔施工圖布置凍結孔?？孜黄畈粦笥?00mm。

（2）水平鉆孔使用MD-60A型鉆機，垂直鉆孔選用GXY-1型鉆機鉆進。水平鉆孔前要安裝孔口管及孔口密封裝置。當第一個孔開通后，沒有涌水涌砂可繼續鉆進，但以后鉆孔仍要裝孔口裝置，以防突發涌水涌砂現象出現；若涌水涌砂較厲害，還應注水泥漿（或雙液漿）止水。

（3）為了保證鉆進精度，開孔段是關鍵。鉆進前5m時，要反復校核鉆桿垂直度，調整鉆機位置，并采用減壓鉆進，檢測偏斜無問題后方可繼續鉆進。

（4）凍結管下入孔內前要先配管，保證凍結管同心度。焊接時，焊縫要飽滿，保證凍結管有足夠強度，以免拔管時凍結管斷裂。下好凍結管后，采用經緯儀燈光測斜法檢測，然后復測凍結孔深度，并進行打壓試漏。

（5）試壓不合格的凍結管必須進行處理達到密封要求后方可使用?？芍鸶嶝變裙?，并用泥漿泵對逐個焊縫打壓，找出泄漏焊縫及原因，及時處理，并作好記錄，二次下入后仍須自檢。

（6）在凍結管內下入供液管。供液管底端連接150mm長的支架，φ12mm鋼筋焊接。然后安裝去、回路羊角和凍結管端蓋。

（7）凍結管安裝完畢后，用木塞等堵住管口，以免異物掉進凍結管。

（8）測溫孔施工方法與凍結管相同。

方形凍結管凍結施工工藝流程如圖2所示。

2 溫度場數值模型的建立

2.1 計算基本假定

假定土層具有均勻的初始溫度場，初始溫度取18℃（一般地層10m以下恒溫帶溫度為15～20℃）；土層為一層，視為均質、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到凍結管管壁上；忽略水分遷移的影響；為方便計算及考慮不利情況，所有土層參數取傳熱最不利的粉質黏土層。

2.2 計算模型和參數選取

本文建立二維溫度場數值模型，選取了9節點網格劃分格式，網格劃分后的計算模型如圖3所示。

模型尺寸為：粉質黏土層邊界為半徑1m的半圓面，中心處圓形凍結管直徑為100mm，方形凍結管邊長為100mm，凍結影響區域經試算未超過該范圍。

模型的材料參數見表l，依據為相關報告及試驗。模型中粉質黏土層材料采用熱傳導單元，各向同性，熱傳導率與時間相關，比熱容為常數。

凍結前地層初始溫度取18℃，并在整體模型邊界面上保持不變。鹽水溫度作為邊界荷載加在凍結管管壁上，其降溫計劃見表2。根據降溫計劃，取凍結時間步為40d，每步時間長為24h。采用帶相變的瞬態導熱模型。

2.3 研究路徑

為了更好地研究方形凍結管單管凍土帷幕的溫度場發展與分布規律，分別設置了2條路徑和在路徑上的18個分析點，如圖3所示。路徑1和路徑2分別設置在水平和與水平方向夾角45°的方向，每隔100mm設置一分析點；方形凍結管水平方向分析點為1～9號，夾角45°的方向分析點為10—18號，圓形凍結管與之對應，水平方向分析點為1'～9'號，夾角45°的方向分析點為10'～18'號。

3 溫度場計算結果與分析

3.1 凍土帷幕溫度場等值線

不同凍結時間溫度場計算結果如圖4所示。由此可以看出，在凍結初期，雖然方形凍結管為非圓形截面，但是其凍土帷幕溫度也是以凍結管為圓心呈同心圓分布，離凍結管越近溫度越低。隨著凍結時間的增加，凍土帷幕厚度逐漸增加，到凍結20d時，兩種凍結管的-10℃圓形凍土帷幕半徑發展為300mm。到了凍結40d時，兩種凍結管的-10℃圓形凍土帷幕半徑達到400mm。兩種凍結管凍土帷幕溫度場發展過程幾乎一致。

3.2 路徑分析

（1）路徑1。路徑1設置在水平方向，每隔100 mm設置—分析點；方形凍結管為1～9號分析點，圓形凍結管與之對應，為l'～9'號分析點，其溫度隨時間變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，方形凍結管1、2號分析點的溫度比圓形凍結管的低1～3℃，說明在靠近凍結管200mm范圍內，方形凍結管比圓形凍結管降溫陜，方形凍結管制冷效果更好。在距凍結管300mm以外，兩種凍結管的降溫過程基本—致。

路徑1上各點不同時間的溫度空間分布曲線如圖6所示。可以看出，兩種凍結管路徑1上不同時間的溫度都是離凍結管越近溫度越低；降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計劃所決定；凍結40d時各點溫度低于O℃；在靠近凍結管200mm范圍內，方形凍結管比圓形凍結管降溫快。

（2）路徑2。路徑2設置在與水平夾角45°的方向，每隔100mm設置一分析點；方形凍結管為10～18號分析點，圓形凍結管與之對應，為10'～18'號分析點。兩種凍結管路徑2上各點溫度隨時間變化曲線如圖7所示，不同時間的溫度空間分布曲線如圖8所示?？梢钥闯?，與路徑1相似，在靠近凍結管200mm范圍內，方形凍結管比圓形凍結管降溫快，方形凍結管制冷效果更好；在距凍結管300mm以外，兩種凍結管的降溫過程基本一致。

4 結束語

本文對方形凍結管的截面形式和施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對方形截面凍結管單管凍結時的溫度場發展規律進行研究，同時與傳統圓形凍結管單管凍結時的溫度場進行對比分析，主要得出：

（1）與傳統圓形凍結管技術相比，方形凍結管具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結能力，從而提高性價比。

（2）從溫度場云圖可知，對于非圓形截面的方形凍結管，其凍土帷幕溫度場也是以凍結管為圓心呈同心圓分布，離凍結管越近溫度越低；兩種凍結管凍土帷幕溫度場發展過程幾乎一致。

（3）在靠近凍結管200mm范圍內，方形凍結管比圓形凍結管降溫快，方形凍結管制冷效果更好；在距凍結管300mm以外，兩種凍結管的降溫過程基本一致。