滲流對人工凍結溫度場影響的研究

陳盈盈 周桂云 余長青

（金陵科技學院建筑工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引言

隨著“京津冀協(xié)同發(fā)展”、“長三角一體化”、“粵港澳大灣區(qū)建設”和“一帶一路”等國家戰(zhàn)略的實施，我國城市軌道交通保持快速發(fā)展趨勢。“十三五”期間，我國累計新增城市軌道交通運營線路長度4351.7km，年均新增運營線路長度870.3km，未來獲批的地鐵城市及建設規(guī)劃的新線路將越來越多[1]。然而，在地鐵的修建過程中，難免會遇到軟弱土層和富含水砂層，其高含水率和低承載力會給地鐵的修建帶來極大的風險，人工凍結法因其能加固土層且有效止水，已廣泛用于地鐵隧道的修建，能夠極大降低開挖的風險，有效解決復雜的地下工程問題。

我國沿江和沿海城市地下水位高且地下水活動強烈，松散的土層中常常會有較大的滲流速度，如常州、上海等地，對人工凍結工程產生較大的影響。地下水流速越快，水流帶走凍結管周圍的冷量越多，凍結管與周圍土體的熱交換越少，進而可能導致凍結壁交圈困難甚至形成未封閉的凍結壁，引發(fā)工程事故。國內外學者已開展了大量的室內試驗和數(shù)值模擬研究，主要集中于凍結壁溫度場的形成與發(fā)展，這對于深入認識和指導實際人工凍結工程具有重要的指導意義。為此，本文介紹了人工凍結法，詳述了滲流對人工凍結溫度場的影響的研究現(xiàn)狀以及凍結效果的改善方法，并提出未來的研究方向。

1 人工凍結法概述

1.1 人工凍結法的原理

人工凍結法是一種臨時加固土層的方法，在地層中布設一定數(shù)量的凍結管，并在其中循環(huán)低溫制冷劑，凍結過程中凍結管與周圍土體之間會發(fā)生熱交換，使地層中的水凍結成冰，形成封閉連續(xù)的凍結帷幕（即凍結壁），不但能提高土體強度，抵擋土壓力，而且能隔絕地下水和開挖區(qū)，確保施工安全。此外，凍結管的布置靈活，可形成不同形狀的凍結壁，能適用于各種復雜的工況。

1.2 人工凍結法的分類

按低溫制冷劑的不同，人工凍結法主要可分為鹽水凍結和液氮凍結。鹽水凍結是一種閉合凍結系統(tǒng)，采用冷凍機將鹽水降溫，利用循環(huán)泵使冷鹽水在凍結管網中循環(huán)，再返回至冷凍機內進行降溫，形成一個閉合回路，如圖1（a）所示；而液氮凍結是一種開放凍結系統(tǒng)，通過液氮車的運輸向液氮箱內補充液氮，而液氮從液氮箱內進入凍結管網中循環(huán)，最終氣化后直接排入空氣中，如圖1（b）所示。

圖1 人工凍結系統(tǒng)

1.2.1 鹽水凍結

鹽水凍結法因其經濟性，廣泛應用于地鐵隧道端頭的始發(fā)、接收以及聯(lián)絡通道[2-3]，能極大地降低安全風險。該凍結系統(tǒng)主要包括冷凍機和凍結管兩部分，冷凍機可將鹽水溫度降低至指定負溫（設計最低鹽水溫度一般為-28℃~-30℃），鹽水一般采用氯化鈣水溶液，凍結管一般采用Φ89×8的低碳無縫鋼管。凍結過程主要分為兩個階段：積極凍結和消極凍結，積極凍結期間主要是將凍結壁發(fā)展到設計厚度，消極凍結期間主要是維護凍結壁，使其不再擴展。

1.2.2 液氮凍結

液氮凍結法采用的液氮是一次性消耗品且價格昂貴，受工程中復雜因素的影響，其消耗量不確定，通常僅在處理緊急工程事故當中才采用，如發(fā)生滲水涌砂險情[4]、江河下盾構盾尾刷的更換等[5]。該凍結系統(tǒng)主要包括液氮箱和凍結管兩部分，不需要凍結站，液氮的最低溫度可達-195.8℃，常溫下極易發(fā)生氣化，被儲存在液氮箱內。液氮在凍結管中循環(huán)后，以氮氣（溫度一般為-120℃~-80℃）的形式釋放到空氣中。顯而易見，相較于鹽水凍結法，液氮凍結法的凍結效率，凍結速度可提高9～10倍。

2 滲流對人工凍結溫度場的影響

在人工凍結工程中，凍結壁的厚度、平均溫度以及其封閉性是施工安全的保障。然而由于地下土層的復雜性，會受到河流、暗流和海水等影響，土層中的地下水流速較快，即發(fā)生滲流，尤其在無黏性土層中。相較于液氮凍結法，鹽水凍結法冷源的溫度相對較高，形成的凍結壁更容易受滲流的影響，其形成和發(fā)展緩慢，甚至會停滯。為研究滲流對人工凍結溫度場的影響，國內外許多研究學者開展了大量的試驗研究，方法主要集中在物理模型試驗和數(shù)值模擬。

2.1 物理模型試驗

物理模型試驗是研究滲流條件下人工凍結溫度場發(fā)展最直接的方法，眾多學者基于相似理論構建了不同工況條件下的人工地層凍結的縮尺模型，通過物理模型試驗能夠模擬不同工況條件下土體的凍結過程，進而研究不同影響因素對土體凍結溫度場的影響，如凍結管間距、直徑、滲流速度、冷源溫度等。研究結果均表明，地下水流速越大，凍結壁的發(fā)展速度越慢，當達到一定流速時，相鄰凍結管形成的凍結圓柱會無法交圈。

大多數(shù)研究集中在滲流條件下鹽水凍結對土體溫度場的影響。劉偉俊等[6]從迎水面長度、順水流長度和厚度三個方面，研究北京砂卵石地層多排管條件下滲流作用對凍結體溫度場的影響規(guī)律，給出了滲流作用下多排管凍結土體的平均溫度計算公式。在此基礎上，張晉勛等[7]研究了滲流條件下盆形凍結技術。Wang等[8]研究了滲流對單管周圍砂層溫度場時間和空間的發(fā)展規(guī)律。李方政等[9]研究了凍結孔間距、地下水流速、鹽水溫度和凍結孔管徑等因素條件下滲流對富水砂層雙排管凍結壁形成的影響，并提出了滲流條件下人工凍結施工的應對措施。周曉敏等[10]也開展了飽和砂層中滲流凍結的相關試驗研究，認為縮小凍結孔間距是抑制滲流影響的最有效措施。以上研究主要集中于無黏性土，而在軟土地區(qū)凍結時也面臨滲流問題，往往凍結軟黏土時也會發(fā)生滲流現(xiàn)象，進而對周邊環(huán)境產生不利影響。為此，周潔等[11]研究了軟黏土下伏較大滲流砂層條件下影響區(qū)土體的溫度、凍脹力以及地表沉降的變化規(guī)律，結果表明下伏砂層中存在臨界滲流速度，并且滲流會顯著削弱軟黏土的潛熱效應。少有學者開展?jié)B流條件下液氮凍結的物理模型研究，王朝暉等[12]通過試驗發(fā)現(xiàn)，當流速大于10m/s時，會對液氮凍結形成的凍結壁發(fā)展有顯著影響。

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬能有效減少物理模型試驗的次數(shù)，僅需在計算機上進行模擬和數(shù)據處理，極大地降低了試驗成本，但構建的數(shù)值模型需要通過物理模型的試驗結果進行驗證。現(xiàn)有的數(shù)值模型不再是單一的考慮初始和邊界條件對熱傳導方程進行求解，越來越多的研究考慮了地下水滲流對土層凍結過程中熱傳導的影響，從一維的求解逐步發(fā)展到三維的求解。

楊平和皮愛如[13]結合多孔介質熱運移理論和達西定律，建立了滲流條件下凍結鋒面發(fā)展的數(shù)學模型，并采用數(shù)值計算的方法分析了凍結過程中的溫度場和滲流場的變化規(guī)律。Lai等[14]考慮了相變的影響，建立了滲流場-溫度場耦合的數(shù)學模型，并給出了有限元的計算公式。周曉敏等[15]將滲透系數(shù)作為耦合參量，耦合了地層凍結過程中的滲流場和溫度場，構建了數(shù)值模型，研究了滲流作用下井筒凍結溫度場和滲流場的發(fā)展規(guī)律。Pimentel等[16]基于開發(fā)的有限元代碼FREEZE真實地模擬了德國菲爾特地鐵修建中的一個人工凍結工程，該工程軟土層中發(fā)生明顯的滲流，反演了當時凍結體發(fā)展的過程。張晉勛等[17]基于物理模型試驗建立了“板梳”凍結三維數(shù)值模型，采用COMSOL Multiphysics有限元軟件，對比驗證物理試驗結果后，深入分析了滲流條件下凍結壁的形成和發(fā)展規(guī)律，為其凍結施工參數(shù)的確定提供指導。葉超等[18]建立了熱流耦合數(shù)值模型，考慮了地下水含鹽量的影響，研究了滲流條件下含鹽量對凍結壁發(fā)展規(guī)律的影響。

3 改善凍結效果的方法

以上研究的最終目的在于改善和提升滲流條件下人工凍結的效果，使形成的凍結壁達到設計要求，滿足開挖的前提條件，并盡可能地降低能耗。一些學者提出了一些優(yōu)化方法找尋滲流條件下凍結管布置的最佳位置。Marwan等[19]提出了一種結合群蟻算法和水熱耦合土體凍結有限元模型的方法來確定凍結管的最佳位置。Huang等[20]構建了一個水熱耦合模型，考慮了土體中冰水相變的轉換以及隧道周圍凍結管的位置，其中凍結管最佳位置的確定采用了下山單純形算法。

此外，在人工凍結工程中，如果布設過多的凍結管，雖然能夠確保工程安全，但是會造成不必要的供冷消耗，一些學者開展了這方面的研究。Alzoubi等[21]提出了凍結需求（Freezing-ondemand，簡稱FoD）的概念，就是給需要凍結的土體提供冷源，與此同時，還要確保結構穩(wěn)定和開挖安全，盡可能減少冷量的散失。Zueter等[22]開展了在凍結管的特定區(qū)域設置空氣隔層的相關研究。還有學者研究如何提高凍結過程中的對流換熱效率，提高凍結的效果。Guo等[23]提出了場協(xié)同的概念，建立了對流換熱效率與速度、溫度梯度之間夾角的聯(lián)系。

4 結束語

人工凍結法因其具有良好的止水性，近幾年廣泛被用于解決復雜的地下工程問題，但在地下水流速較快的土層時，滲流會引起凍結冷量的損失，進而可能會造成無法交圈或者凍結壁存在薄弱區(qū)。目前，國內外學者主要從物理模型試驗和數(shù)值模擬兩方面，針對滲流對人工凍結溫度場影響已開展了一系列的研究，同時也提出了一些改善凍結效果的方法，已取得了大量的研究成果，但仍舊存在一些不足，未來可從以下幾個方面進一步研究。

（1）可靠的數(shù)值模型均依賴于室內物理模型裝置的試驗結果，現(xiàn)有的物理模型試驗裝置針對某種特定工況，往往具有局限性，并且相關的物理模型試驗研究成果非常有限，需要進一步深入探究。

（2）人工凍結工程中土體溫度場的發(fā)展是一個瞬態(tài)的過程，針對滲流條件下土體的凍結，現(xiàn)有的數(shù)值模擬多采用穩(wěn)態(tài)的分析方法，今后可多采用瞬態(tài)的數(shù)值分析方法，盡可能多地考慮土體凍結過程中發(fā)生的物理過程，解決滲流條件下人工凍結溫度場發(fā)展的問題。

（3）現(xiàn)有改善滲流條件下土體凍結效果的方法包括：采用算法確定凍結管布置的最佳位置，減少不必要的供冷消耗以及提高對流換熱的效率等，今后可綜合這些方法開展相關的研究，不斷提高土體凍結的效率。