雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特性及影響因素

李懷鑫，林 斌，王 鵬

雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特性及影響因素

李懷鑫1，林 斌1，王 鵬2

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

為研究雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)變化規(guī)律，以淮南某礦副井為研究對(duì)象，根據(jù)其相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，利用FLAC3D軟件數(shù)值模擬雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成過(guò)程以及不同因素對(duì)凍結(jié)壁平均溫度的影響。研究結(jié)果表明：雙圈管內(nèi)土體溫度最低，兩側(cè)溫度逐漸升高；凍結(jié)孔間距越小，交圈時(shí)間越早，內(nèi)外圈管交圈之后形成封閉的未凍承壓水倉(cāng)，對(duì)凍結(jié)壁不利，凍結(jié)鋒面向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度大于向外側(cè)擴(kuò)展速度；雙圈管凍結(jié)壁平均溫度與凍結(jié)時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系下降，有效厚度在內(nèi)外圈管交圈后增長(zhǎng)十分明顯，且與凍結(jié)時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系上升；雙圈管主、界面溫度場(chǎng)曲線隨凍結(jié)時(shí)間近似由馬鞍形分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪畏植迹缑鏈囟葓?chǎng)擴(kuò)展速度大于主面溫度場(chǎng)；土體初始溫度、鹽水溫度及導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)凍結(jié)壁平均溫度影響均較大，土體初始溫度和鹽水溫度越低、導(dǎo)熱系數(shù)越大，凍結(jié)壁平均溫度越低。研究成果為相關(guān)凍結(jié)工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

雙圈管；凍結(jié)壁溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬；平均溫度；影響因素；淮南

人工凍結(jié)法通常預(yù)先在土體中埋設(shè)凍結(jié)管，采用低溫鹽水作為冷源吸收土體熱量，將土體中的水凍結(jié)成冰形成凍土，能實(shí)現(xiàn)加固土體、穩(wěn)定巖土體及防水支護(hù)等功能，且具有技術(shù)可靠、工藝成熟、施工可控等特點(diǎn)，作為有效穿越深厚表土層、裂隙含水層及軟巖層的特殊鑿井方法，在煤田礦井建設(shè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1-4]。隨著淺層煤炭資源逐漸枯竭，深部開(kāi)采勢(shì)在必行，因此，礦井井巷系統(tǒng)大多穿越深厚表土層。隨著土層厚度和凍結(jié)法鑿井深度的增加，單排管凍結(jié)方案無(wú)論是從凍結(jié)時(shí)間上，還是從凍結(jié)壁強(qiáng)度、穩(wěn)定性和溫度場(chǎng)等方面均不再能適應(yīng)工程要求，因此，須采用雙排管乃至多排管凍結(jié)方案；實(shí)際工程中為兼顧凍結(jié)效果、施工時(shí)間及成本，多采用雙圈管的布管形式，雙圈管凍結(jié)壁能形成較大的凍結(jié)壁有效厚度和更低的平均溫度[5-8]。人工凍結(jié)中，溫度因素的影響貫穿整個(gè)凍結(jié)法鑿井過(guò)程，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的形成有助于確定凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)壁平均溫度和有效厚度、整體強(qiáng)度等，而凍結(jié)溫度場(chǎng)隨時(shí)間和空間變化，是一個(gè)含有相變潛熱的不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，因此，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)特性的研究十分必要[9-11]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方法對(duì)溫度場(chǎng)的形成特性進(jìn)行研究，盛天寶[12]通過(guò)工程實(shí)測(cè)得出了溫度場(chǎng)的形成特性；杜猛等[13]、李棟偉等[14]通過(guò)數(shù)值模擬分析了溫度場(chǎng)的凍結(jié)特征；陳軍浩等[15]通過(guò)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比總結(jié)了溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律。本文利用FLAC3D軟件以淮南某礦副井相關(guān)地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特性數(shù)值模擬，并探討了土體初始溫度、鹽水溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)計(jì)算結(jié)果的敏感性影響，相關(guān)研究結(jié)果對(duì)凍結(jié)工程設(shè)計(jì)及施工具有參考和指導(dǎo)價(jià)值。

1 凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算及數(shù)值模型

1.1 工程概況及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

淮南某礦是淮南潘謝新區(qū)的大型礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)4.0 Mt/a，表土層厚度為462.6 m，根據(jù)井檢孔巖層柱狀分析，該礦井巷系統(tǒng)穿越土層主要為砂層和黏土層，井筒內(nèi)直徑為7.6 m，井筒外直徑為9.8 m，凍結(jié)管直徑為159 mm，凍結(jié)深度為400 m；室內(nèi)土工試驗(yàn)得出土體凍結(jié)溫度為–1.0℃，含水率為19.5%，密度為2.09 g∕cm3。現(xiàn)以相關(guān)地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行雙圈管凍結(jié)法數(shù)值模擬，在與井筒中心距離6.4 m、8.8 m分別布置內(nèi)圈孔和外圈孔凍結(jié)管，并在內(nèi)孔圈與井壁之間、內(nèi)孔圈與外孔圈、外孔圈附近設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，凍結(jié)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，凍結(jié)管及測(cè)溫孔布置情況如圖1所示。

表1 凍結(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

圖1 雙圈管平面布置

1.2 數(shù)值模型

礦井地層埋深較深，建立模型時(shí)忽略土層在豎直方向上的相互熱影響，只考慮井壁在水平方向上對(duì)其周邊凍土的熱影響，可簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題考慮[16]，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 凍結(jié)壁溫度場(chǎng)數(shù)值模型

模型假設(shè)為單一均質(zhì)土體、均勻連續(xù)且各向同性，不考慮水分遷移對(duì)其的影響。采用摩爾–庫(kù)侖彈塑性模型，將鹽水溫度作為節(jié)點(diǎn)荷載考慮，即溫度載荷直接施加在相對(duì)應(yīng)的凍結(jié)軸面節(jié)點(diǎn)上[13]。固定約束模型外邊界并設(shè)置為絕熱條件，共劃分202 629個(gè)網(wǎng)格單元，190 080個(gè)節(jié)點(diǎn)，直徑為26.0 m，土體初始溫度為20℃，模擬凍結(jié)時(shí)間為220 d，凍結(jié)天數(shù)采用Solve Age命令給定具體值改變時(shí)間步數(shù)。

1.3 熱物理力學(xué)參數(shù)

淮南某礦副井相關(guān)熱物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2，此參數(shù)表由工程中的土樣經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到，其中凍土層導(dǎo)熱系數(shù)采用QTM-PD2型導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)量，比熱容利用成分分析法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于土體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容而言，不僅與溫度有關(guān)，同時(shí)也與土層的性質(zhì)、含水率等均有相關(guān)影響。鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間下降，凍結(jié)管外壁溫度見(jiàn)表3。

表2 土體熱物理參數(shù)

表3 凍結(jié)管外壁溫度

1.4 凍結(jié)溫度場(chǎng)方程及相關(guān)參數(shù)

立井凍結(jié)過(guò)程中其溫度場(chǎng)控制方程[17]為：

若不考慮凍結(jié)管區(qū)域土體內(nèi)熱源影響，且假定凍結(jié)管區(qū)域?yàn)槠矫孑S對(duì)稱圖形(=常數(shù))時(shí)，式(1)則可進(jìn)一步化為：

由式(2)可得凍結(jié)區(qū)、降溫區(qū)、凍結(jié)鋒面的溫度場(chǎng)分區(qū)數(shù)學(xué)模型，如圖3所示，有關(guān)溫度場(chǎng)控制方程的定解條件見(jiàn)表4，凍結(jié)鋒面上的能量守恒方程為式(3)。

土體中的相變潛熱總是伴隨著熱量變化，由凍結(jié)溫度場(chǎng)的連續(xù)定解條件可知凍結(jié)鋒面上能量的守恒方程為：

表4 控制方程定解條件

式中：g為凍結(jié)管外半徑，m；c為常溫區(qū)到凍結(jié)管的水平距離，m；d為凍結(jié)鋒面到凍結(jié)管的水平距離，m；c為原始地層溫度，K；d為凍結(jié)溫度，K；f、u分別為凍結(jié)區(qū)和降溫區(qū)溫度，K；n為凍結(jié)管提供的熱流密度，W∕m2；為導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)–1；f和u分別為凍結(jié)區(qū)和降溫區(qū)土體的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)–1；為單位土體中水結(jié)冰釋放的潛熱，J/m3。

圖3 人工凍結(jié)溫度場(chǎng)分區(qū)模型

2 凍結(jié)壁溫度場(chǎng)結(jié)果及分析

2.1 交圈時(shí)間

數(shù)值模擬過(guò)程中分別提取凍結(jié)壁–1℃等值線云圖，如圖4所示，灰白相接觸的位置即為–1℃等值線，由此判斷凍結(jié)管交圈時(shí)間，分析凍結(jié)壁形成過(guò)程。

由圖4可知，雙圈管凍結(jié)壁交圈前，凍結(jié)鋒面以凍結(jié)管為中心近似呈圓形向四周擴(kuò)展。凍結(jié)壁交圈后，凍結(jié)鋒面向兩側(cè)擴(kuò)展，且向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展的速度大于向外側(cè)擴(kuò)展速度。凍結(jié)45 d時(shí)外圈管交圈，內(nèi)圈管尚未交圈，冷量擴(kuò)散較慢；凍結(jié)59 d時(shí)內(nèi)圈管交圈，內(nèi)外圈管冷量擴(kuò)散較快且疊加效果明顯；凍結(jié)64 d時(shí)內(nèi)外圈管交圈，內(nèi)外圈管間形成了封閉但未形成凍土的區(qū)域，未凍承壓水倉(cāng)內(nèi)的水無(wú)法及時(shí)排出，會(huì)引起凍結(jié)壁凍脹力增大，從而對(duì)凍結(jié)壁安全性和穩(wěn)定性不利。當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為220 d時(shí)，各圈孔均已交圈，整體形成封閉的凍結(jié)壁。

圖4 雙圈管凍結(jié)壁發(fā)展過(guò)程

2.2 溫度場(chǎng)云圖

土體凍結(jié)過(guò)程中，任意時(shí)刻特定時(shí)空內(nèi)各點(diǎn)溫度的集合體稱為凍土溫度場(chǎng)，凍土溫度場(chǎng)是關(guān)于時(shí)間和空間的函數(shù)，且其分布通常為瞬態(tài)[18]。

當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為220 d時(shí)，雙圈管凍結(jié)壁數(shù)值模擬溫度場(chǎng)如圖5所示，由圖5可以看出，凍結(jié)管附近溫度最低，向四周溫度逐漸升高，此外，雙圈管之間土體溫度最低，雙圈管以外土體溫度逐漸升高，等值線圖近似以同心圓的形式分布。

圖5 雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)

2.3 平均溫度

人工地層凍結(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)既包含“相變”且“邊界移動(dòng)(凍結(jié)鋒面遷移)”的溫度場(chǎng)，由于凍結(jié)鋒面處的孔隙水及遷移的水分結(jié)冰時(shí)，其邊界面移動(dòng)，且凍結(jié)鋒面位置也不清楚，因此，根據(jù)理論求解凍結(jié)壁的平均溫度難度較大，目前主要采用有限元方法進(jìn)行求解，文獻(xiàn)[19]采用該種方法證明凍結(jié)壁的平均溫度模擬值與實(shí)測(cè)值隨時(shí)間的變化規(guī)律十分相似，但由于數(shù)值模擬過(guò)程中不考慮凍結(jié)管偏斜及水力場(chǎng)等因素影響，模擬值通常比實(shí)測(cè)值小2℃左右。

現(xiàn)通過(guò)FLAC3D軟件分別提取–1℃下3個(gè)測(cè)溫孔不同凍結(jié)時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)，并按加權(quán)平均值計(jì)算凍結(jié)壁的平均溫度，雙圈管凍結(jié)壁平均溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 凍結(jié)壁平均溫度變化曲線

由圖6可知，雙圈管凍結(jié)壁平均溫度隨凍結(jié)時(shí)間的增加近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系下降，當(dāng)凍結(jié)220 d時(shí)，雙圈管凍結(jié)壁平均溫度為–14.2℃，由數(shù)值擬合可得雙圈管凍結(jié)壁平均溫度與凍結(jié)時(shí)間關(guān)系為：

式中：為凍結(jié)壁平均溫度，℃；為時(shí)間，d；擬合系數(shù)2=0.996 1。

2.4 有效厚度

現(xiàn)通過(guò)FLAC3D軟件提取–1℃凍結(jié)鋒面溫度隨凍結(jié)時(shí)間發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可得雙圈管凍結(jié)壁有效厚度與凍結(jié)時(shí)間的關(guān)系，如圖7所示。

由圖4和圖7可知，內(nèi)外圈管交圈之前凍結(jié)壁有效厚度增長(zhǎng)緩慢，內(nèi)圈管交圈及內(nèi)、外圈管交圈過(guò)程中(60~66 d)凍結(jié)壁有效厚度增長(zhǎng)十分明顯，隨后增長(zhǎng)速度變緩；凍結(jié)220 d時(shí)，雙圈管凍結(jié)壁有效厚度為7.52 m，雙圈管凍結(jié)壁有效厚度與凍結(jié)時(shí)間可用對(duì)數(shù)關(guān)系式表達(dá)：

式中：為有效厚度，m；擬合系數(shù)2=0.976 7。

2.5 主面和界面溫度場(chǎng)曲線

模擬過(guò)程中提取過(guò)井筒圓心、內(nèi)圈管7號(hào)和外圈管12號(hào)凍結(jié)管圓心的主面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及過(guò)井筒圓心、外圈管7號(hào)和8號(hào)凍結(jié)管中間點(diǎn)的界面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析得出雙圈管不同凍結(jié)時(shí)間下凍結(jié)壁主面、界面上不同徑向距離的溫度變化情況，如圖8所示。

圖7 凍結(jié)壁有效厚度變化曲線

圖8 主面和界面溫度場(chǎng)曲線

由圖8可知，雙圈管凍結(jié)壁主面界面溫度隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，且雙圈管凍結(jié)壁主面界面溫度場(chǎng)變化曲線在負(fù)溫區(qū)域范圍內(nèi)隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)近似由馬鞍形分布轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪畏植迹送猓缑鏈囟葓?chǎng)曲線的擴(kuò)展速度大于主面溫度場(chǎng)曲線，界面上凍結(jié)壁有效厚度大于主面上凍結(jié)壁厚度。

3 影響因素敏感性分析

在原型數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，通過(guò)改變不同參數(shù)的大小，采用單因素分析法分別研究土體初始溫度、鹽水溫度、導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)凍結(jié)壁平均溫度的影響。

3.1 土體初始溫度

土體初始溫度是影響凍結(jié)壁平均溫度的因素之一，土體初始溫度越低，凍結(jié)壁平均溫度越低。分別將土體初始溫度升高10%、20%和降低10%、20%進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，不同初始溫度下凍結(jié)壁平均溫度變化情況，如圖9所示。

圖9 不同初始溫度凍結(jié)壁平均溫度

由圖9可知，土體初始溫度對(duì)凍結(jié)壁平均溫度有一定影響，土體初始溫度越低，相同時(shí)間內(nèi)凍結(jié)壁平均溫度越低。當(dāng)凍結(jié)220 d時(shí)，土體初始溫度為16、18、20、22、24℃時(shí)，凍結(jié)壁平均溫度分別為–18.63、–16.38、–14.2、–12.12、–9.95℃。

3.2 鹽水溫度

凍結(jié)管鹽水溫度越低，冷量擴(kuò)散速度越快，周?chē)馏w降溫速度也越快，對(duì)降低凍結(jié)壁平均溫度有一定作用，但降低鹽水溫度相應(yīng)地增大了制冷量，增大了工程成本。分別將鹽水溫度設(shè)置為–20、–25、–30、–35、–40℃進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，鹽水溫度對(duì)凍結(jié)壁平均溫度影響較大，隨著凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，相同條件下鹽水溫度越低，凍結(jié)壁的平均溫度下降速度越快，差值也越大。當(dāng)凍結(jié)220 d時(shí)，鹽水溫度為–20、–25、–30、–35、–40℃時(shí)，凍結(jié)壁平均溫度分別為–10.31、–12.25、–14.2、–16.56、–19.5℃，故鹽水溫度為–30℃時(shí)即可滿足工程條件，鹽水溫度越低，工程成本越高。

圖10 不同鹽水溫度凍結(jié)壁平均溫度

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是土體熱物理力學(xué)參數(shù)之一，其與土體的結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因素有關(guān)[20]，導(dǎo)熱系數(shù)越高，土體熱量擴(kuò)散速度越快，因此，導(dǎo)熱系數(shù)是影響凍結(jié)壁平均溫度的重要因素之一。現(xiàn)分別將導(dǎo)熱系數(shù)降低30%、15%和升高15%、30%進(jìn)行數(shù)值模擬，其計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同導(dǎo)熱系數(shù)凍結(jié)壁平均溫度

由圖11可知，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)凍結(jié)壁平均溫度影響較大，相同條件下凍結(jié)壁平均溫度隨導(dǎo)熱系數(shù)升高逐漸降低，且降低幅度逐漸增大，差值也越大。凍結(jié)220 d時(shí)，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)降低30%、15%，導(dǎo)熱系數(shù)不變以及導(dǎo)熱系數(shù)升高15%、30%時(shí)，凍結(jié)壁的平均溫度分別為–10.7、–12.5、–14.2、–16.24、–18.35℃。

4 結(jié)論

a.雙圈管內(nèi)土體溫度最低，兩側(cè)溫度逐漸升高，凍結(jié)孔間距越小交圈時(shí)間越早，內(nèi)外圈管交圈之后形成封閉的未凍承壓水倉(cāng)，對(duì)凍結(jié)壁不利，凍結(jié)鋒面向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度大于向外側(cè)擴(kuò)展速度。

b. 雙圈管凍結(jié)壁平均溫度隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系下降，凍結(jié)壁有效厚度隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系增加。

c. 雙圈管凍結(jié)壁交圈之后有效厚度增長(zhǎng)明顯，且在內(nèi)外圈孔交圈之后增長(zhǎng)十分明顯，凍結(jié)鋒面擴(kuò)展到掘砌荒徑時(shí)增長(zhǎng)變緩。

d. 雙圈管凍結(jié)壁主界面溫度場(chǎng)曲線隨凍結(jié)時(shí)間的增加近似由馬鞍形轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪畏植迹缑鏈囟葓?chǎng)擴(kuò)展速度比主面溫度場(chǎng)大，界面上凍結(jié)壁有效厚度大于主面上凍結(jié)壁厚度。

e. 土體初始溫度、鹽水溫度及導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)凍結(jié)壁平均溫度影響均較大，土體初始溫度和鹽水溫度越低及導(dǎo)熱系數(shù)越大凍結(jié)壁平均溫度越低。

請(qǐng)聽(tīng)作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] 靳巍巍，陳有亮. 隧道凍結(jié)法施工三維有限元溫度場(chǎng)及性狀分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(5)：918–922. JIN Weiwei，CHEN Youliang. Three-dimensional temperature field and behavior analysis of tunnels constructed by artificial freezing method[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(5)：918–922.

[2] 蔣斌松，王金鴿，周?chē)?guó)慶. 單管凍結(jié)溫度場(chǎng)解析計(jì)算[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(4)：463–466. JIANG Binsong，WANG Jinge，ZHOU Guoqing. Analytical calculation of temperature field around a single freezing pipe[J]. Journal of China University of Mining and Technology，2009，38(4)：463–466.

[3] 周曉敏，蘇立凡，賀長(zhǎng)俊，等. 北京地鐵隧道水平凍結(jié)法施工[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(3)：319–322. ZHOU Xiaomin，SU Lifan，HE Changjun，et al. Horizontal ground freezing method applied to tunneling of Beijing underground railway system[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，21(3)：319–322.

[4] 宋英杰，胡向東，陳雷. 雙排管凍結(jié)土帷幕厚度的測(cè)點(diǎn)位置敏感度分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(3)：535–540. SONG Yingjie，HU Xiangdong，CHEN Lei. Sensitivity analysis on position of temperature measuring points of bakholdin solution in double-row-pipe freezing[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013，9(3)：535–540.

[5] 盛天寶，魏世義. 特厚黏土層多圈孔凍結(jié)壁溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)研究與工程應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(8)：1516–1521. SHENG Tianbao，WEI Shiyi. Measurement and engineering application of temperature field multiple-ring hole frozen wall in extra-thick clay strata[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(8)：1516–1521.

[6] 林斌，王鵬，侯海杰，等. 深厚黏土層多圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(4)：135–141. LIN Bin，WANG Peng，HOU Haijie，et al. Development law of the multi-loop tube freezing temperature field in deep thick clay layer[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(4)：135–141.

[7] 汪仁和，曹榮斌. 雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特征的數(shù)值分析[J]. 冰川凍土，2002，24(2)：181–185. WANG Renhe，CAO Rongbin. Numerical analysis of the temperature field features in the frozen wall with double rows of freezing pipes[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24(2)：181–185.

[8] 胡向東，趙飛，佘思源，等. 直線雙排管凍結(jié)壁平均溫度的等效拋物弓形模型[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(1)：28–32. HU Xiangdong，ZHAO Fei，SHE Siyuan，et al. Equivalent parabolic arch method of average temperature calculation for straight double-row-pipe frozen soil wall[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：28–32.

[9] 胡向東，方濤，韓延廣. 環(huán)形雙圈管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)廣義解析解[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(9)：2287–2294. HU Xiangdong，F(xiàn)ANG Tao，HAN Yanguang. Generalized analytical solution to steady-state temperature field of double-circle-piped freezing[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(9)：2287–2294.

[10] 曹偉，盛煜，吳吉春，等. 煤礦井工開(kāi)采對(duì)凍土環(huán)境的影響分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(4)：98–104. CAO Wei，SHENG Yu，WU Jichun，et al. Impact of underground mining on permafrost environment[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(4)：98–104.

[11] 肖朝昀，胡向東，張慶賀. 多排管局部?jī)鼋Y(jié)凍土壁溫度場(chǎng)特性[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(增刊1)：2694–2700. XIAO Zhaoyun，HU Xiangdong，ZHANG Qinghe. Characters of temperature field in frozen soil wall with multi-row freeze-tubes and limited depth freezing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(S1)：2694–2700.

[12] 盛天寶. 特厚黏土層凍結(jié)壓力研究與應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(4)：571–574. SHENG Tianbao. Research and application on freezing pressure of extra-thick clay layer[J]. Journal of China Coal Society，2010，35(4)：571–574.

[13] 杜猛，陳亞妮，陳孝文，等. 深厚鈣質(zhì)黏土層凍結(jié)特征與凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2014，42(5)：72–76.

DU Meng，CHEN Yani，CHEN Xiaowen，et al. Freezing characteristics of deep and thick calcareous clay layer and numerical simulation of freezing temperature field[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(5)：72–76.

[14] 李棟偉，汪仁和，胡璞. 多圈管凍結(jié)瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元數(shù)值分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(2)：38–41. LI Dongwei，WANG Renhe，HU Pu. FEM analysis of transient freezing temperature field of frozen multi-wall tube[J]. Coal Geology & Exploration，2007，35(2)：38–41.

[15] 陳軍浩，李棟偉. 多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)特征分析及工程應(yīng)用[J]. 冰川凍土，2016，38(6)：1568–1574. CHEN Junhao，LI Dongwei. Temperature field frozen with multi-circle pipes in shaft sinking：Feature analysis and engineering application[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2016，38(6)：1568–1574.

[16] 陳軍浩，夏紅兵，李棟偉. 多圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展及凍結(jié)管偏斜影響[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，55(4)：56–62. CHEN Junhao，XIA Hongbing，LI Dongwei. Multi-circle-tube frozen wall temperature field development and deviation pipes influence[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Suny Atseni，2016，55(4)：56–62.

[17] 汪仁和. 人工多圈管凍結(jié)地層的水熱力耦合研究及其凍結(jié)壁計(jì)算[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.WANG Renhe. Hydro-thermal coupling study of artificial multi-turn tube frozen formation and calculation of frozen wall[D]. Hefei：University of Science and Technology of China，2005.

[18] 楊青，榮傳新. 深部膨脹性黏土層凍結(jié)溫度場(chǎng)與凍脹力形成規(guī)律研究[J]. 冰川凍土，2019，DOI:10.7522/j.issn.1000-0240. 2019.1107. YANG Qing，RONG Chuanxin. Study on the formation law of frost heave force under the freezing temperature field of deep expansive clay layer[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2019，DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.1107.

[19] 王鵬，林斌，侯海杰，等. 凍結(jié)管布置形式對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律影響研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47(12)：38–44. WANG Peng，LIN Bin，HOU Haijie，et al. Study on influence of freezing tubes layout on development law of temperature field of freezing wall[J]. Coal Science and Technology，2019，47(12)：38–44.

[20] 吳雨薇，李春芳，胡俊，等. 新型管幕凍結(jié)法溫度場(chǎng)影響參數(shù)分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(1)：155–161.WU Yuwei，LI Chunfang，HU Jun，et al. Analysis of influencing parameters of temperature field in a new pipe-roofing freezing method[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：155–161.

Influence factors and formation properties of temperature field in the frozen wall of double ring pipes

LI Huaixin1, LIN Bin1, WANG Peng2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2. China Railway 14th Bureau Group Co. Ltd., Jinan 250000, China)

In order to research the change law of the temperature field of the frozen wall of double-circle pipes, an auxiliary shaft in Huainan coalmine was taken as the research object, the FLAC3Dsoftware was used to numerically simulate the formation process of the temperature field of the frozen wall of double-circle pipes and the influence of different factors on average temperature of frozen wall based on the relevant geological parameters. The research results show that temperature of the soil in the double-circle pipes is the lowest, and temperature on both sides increases gradually, the interval between frozen holes is smaller, the time of circulation is earlier, and the closed unfrozen pressurized water tank is formed after the inner and outer ring pipes are in contact, which is unfavorable to the frozen wall, the frozen front face in the inner side expands faster than that in the outer side; average temperature of frozen wall of double-circle pipes decreases with freezing time in a logarithmic relationship, the effective thickness increases obviously after the intersection of the inner and outer rings, and increases approximately logarithmically with freezing time; temperature field curve of main and interface of double-circle pipes changes gradually from saddle-horse shape to trapezoidal distribution with freezing time, interface temperature field expansion speed is greater than main surface temperature field; the initial temperature, brine temperature and thermal conductivity of the soil have a great influence on the average temperature of frozen wall, the lower initial temperature and brine temperature, the higher the thermal conductivity is, the lower the average temperature of frozen wall is. The research results provide reference for the design and construction of the related freezing project.

double-circle pipes; frozen wall temperature field; numerical simulation; average temperature; influence factor; Huainan

TU443

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.024

1001-1986(2020)03-0169-07

2019-11-07；

2020-02-21

教育部高校博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(200803610004)；安徽理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2019cx2017)

Doctoral Program Foundation of Institutions of Higher Education of China(200803610004)；Graduate Innovation Fund of Anhui University of Science and Technology(2019cx2017)

李懷鑫，1995年生，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，從事巖土工程相關(guān)研究. E-mail：lihuaixin520@163.com

李懷鑫，林斌，王鵬. 雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特性及影響因素[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：169–175.

LI Huaixin，LIN Bin，WANG Peng. Influence factors and formation properties of temperature field in the frozen wall of doule ring pipes[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：169–175.

(責(zé)任編輯 周建軍)