巖土凍結的主要影響因素分析及應對措施

張慶武，陰子曄，劉樹弟

（唐山開灤建設（集團）有限責任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

巖土凍結是采用人工制冷技術暫時加固不穩定地層和隔絕地下水的施工方法[1]。為保障構筑物安全，保證快速施工進程不被干擾，需要結合構筑物所處位置地層性質、地下水流態等復雜環境條件，人工改造出不同厚度、強度的凍結壁，但施工過程中由于散熱系數選取不合理造成人工制冷設備過多、浪費嚴重，或設備制冷量不夠造成工期延長，甚至不能形成完整凍結壁的情況時有發生。

自開灤林西風井1956 年成功應用凍結法施工后，我國煤礦應用凍結法立井井筒達700 余座，地鐵聯絡通道等凍結工程千余座，近幾十年來，國家經濟社會蓬勃發展，人們生產生活的基礎設施建設已經向西部延伸，礦產資源呈現出向深部開采的趨勢。地基基礎、地下交通工程、水利工程、煤礦礦井建設等地下空間的開發、利用、建設也面臨嚴峻挑戰，相關專家學者也開展了凍結巖土系列研究[2-3]。尹楠等[4]對比分析華東、西北地區的白堊系、侏羅系地層巖石物理力學特性，提出以防水為主、加大凍結管圈經的地層凍結方案，為類似條件施工提供技術參考；王曉東等[5]通過分析巖石多個物理參數受溫度變化的影響規律，發現凍結巖石強度得到加強，凍融循環使巖石強度削弱，并結合所研究礦區邊坡調查分析，歸納出該礦區邊坡破壞現象和類型，破壞模式為淺表漸進式破壞；房昕等[6]采用間接耦合分析方法，為人工凍結地下巖土溫度場求解提供了一種將獨立流體分析結果導入到熱分析中的新思路；黃益順等[7]通過對比分析凍結狀態下不同深度巖層的熱物理學參數和低溫狀態下單軸抗壓強度、彈性模量等參數，為類似工況礦井建設提供參考。

本文結合熱力學對凍結壁表面熱量與凍結管總散熱能力分析凍結巖土技術原理，通過對凍結巖土熱源分析，探討巖土凍結需冰量的主要影響因素，分析各種因素對凍結壁的影響程度，提出克服巖土凍結不利因素的應對措施，為礦井建設、凍結巖土施工安全保駕護航。

1 巖土凍結原理

按照熱力學第一定律（能量守恒定律）[8]對凍結壁表面熱量損失量與凍結管總散熱能力進行分析，充分考慮地下水流態、地溫、通風等實際熱源的影響，準確計算凍結壁表面熱量損失量，進而計算散熱系數值、凍結管總散冷量值，針對具體工程熱源特點采取合理應對措施，確保巖土凍結施工安全、高效。為實現巖土中水的結冰，凍結管的總散熱能力應大于凍結體表面熱量損失，而總散熱能力為凍結管的散冷面積與散熱系數的乘積，在能夠準確計算凍結管散冷面積的條件下，散熱系數大小對準確計算凍結管總散冷量尤為重要。由傳熱學理論可知，散熱系數與管內外流體的傳熱系數、傳導材料的導熱系數和厚度有關，因此，凍結管總散冷量的計算應根據鹽水溫度、流態和地溫、地下水流速、地層導熱性能、凍結壁厚度等數值計算。

2 巖土凍結影響因素分析

巖土凍結通過在凍結管內循環低溫鹽水實現與管外熱源的冷量交換，以熱傳導、對流換熱形式為主，以凍結法應用最廣泛的井筒或地鐵聯絡通道凍結工程為研究對象，對各階段熱源影響因素進行分析，按照穩態溫度場理論進行換熱量計算[8]，得出凍結壁在不同方向差異較大的原因是由于凍結過程中熱源不同。開挖前熱源以地溫、地下水流動換熱為主，開挖后凍結壁外側熱源不變，而內側則以地溫、隧道通風、混凝土水化熱為主。

巖土熱交換量可按照每米長圓筒壁導熱熱流量公式計算：

式中：ql為每米導熱熱流量，w/m；tf1、tf2為凍結管內鹽水溫度和凍結壁外側地溫，℃；λi為地層導熱系數，w/（m·k）；h1、h2為凍結管內、凍結壁外側對流換熱系數，w/（m2·k）。

由式（1）可知，導熱流量和凍結管內低溫冷媒劑溫度與凍結壁外地溫（水溫）之差成正比，和凍結管內低溫鹽水及地下水對流換熱系數、地層導熱系數成正比，和凍結壁外徑與凍結管外徑之比的自然對數成反比。

2.1 影響凍結壁形成的熱源分析

2.1.1 地熱對凍結需冷量計算的影響

由導熱熱流量公式（1）可知，凍結管內鹽水溫度和凍結壁外地溫之差成正比關系，由于巖土凍結鹽水溫度為-30 ℃左右，原始地溫高低直接關系到導熱量的大小，實際生產過程中表現為低地溫地層凍土擴展速度快[9]。這也符合熱平衡原理，低地溫冷量損失小，高溫冷量損失大。

式中：Tf為積極凍結期，d；QRe為凍結壁總需冷量，kcal；QT為凍結管總散熱能力，kcal/h；Qsu為凍結壁表面熱量損失，kcal/h。

表1 是4 個井筒原始地溫與交圈時間的實際數值，地溫高的井筒，積極凍結期明顯長于地溫低的井筒。

表1 部分井筒交圈時間對比Table 1 Comparison of partial wellbore intersection time

2.1.2 地下水流速及性質對巖土凍結影響

由導熱熱流量式（1）可知，地下水對流換熱系數是影響導熱量的因素之一，由橫掠單管對流換熱茹卡烏斯公式可知：

換熱系數h 和地下水流速U∞成正比，實際施工中也發生過個別井筒土層地下水流速過快，而難以凍結交圈的現象，因此，在計算凍結需冷量時，一定重視地下水流速的影響[10]。

鄭州地鐵七號線孫八寨站端頭洞門凍結施工中，外圈凍結壁未按設計工期交圈，經分析為臨近有水井排水，加快了地下水流速，造成交圈困難，后對該井進行封堵后，地下水流速減慢，凍結帷幕順利交圈（圖1），可知28 d 時水井出水、流速加快，測溫孔降溫速度減慢，50 d 時封堵水井，溫度很快降至結冰點以下。

圖1 某洞門9 m點溫度變化曲線Fig.1 Temperature variation curve of 9 m point in a tunnel portal

地下水給凍結帶來的影響除流速外，水的種類和水質對凍結會帶來一定影響，地層中重力水、毛細管水所占比重大，則凍結速度快、凍土強度高；吸著水、薄膜水水所占比重大，則凍結速度慢、凍土強度低。在施工中表現為凍土擴展速度和強度為巖石>粗顆粒土層>細顆粒土層>黏土層。

地下水中鹽分含量高，將使土層結冰點降低，增加結冰難度，圖2、圖3 可以顯示含鹽土層交圈距離比不含鹽土層大、凍土擴展速度慢[11]。

圖2 不含鹽交圈時刻Fig.2 Salt-free intersection time

圖3 含鹽2%-9 h 交圈時刻Fig.3 Crossover time of salt 2%and 9 h

2.1.3 其他影響因素

巖土凍結冷量交換、水泥水化熱和井內通風[12]、土層的導熱系數及凍結壁厚度等多種因素同樣會對凍結巖土施工造成影響。巖土凍結冷量交換通過在凍結管內循環鹽水來實現，管內鹽水流速和對流換熱系數成正比，提高流速會提高對流換熱系數，進而提高換熱效率。水泥水化熱和井內通風在構筑物施工過程中，會帶走一定冷量，隨著構筑物深度增加、厚度加大，冷量損耗也會加大。在施工中，應根據井筒深度、井壁厚度、直徑、混凝土標號等實際計算水化熱；按通風量、溫度計算風的冷量損失，調整冷量輸送量。土層的導熱系數大，凍土擴展速度快，實際工程中體現為巖石>粗顆粒土層>細顆粒土層>黏土層。隨著凍結壁厚度增加，凍土擴展速減慢，實際生產過程中也顯示此規律。

2.2 凍結壁發展不同階段熱源影響規律

2.2.1 送冷量

（1）不同階段制冷設備向地層的送冷量可以由式（7）求得：

式中：Q 為鹽水送冷量；Wbr為鹽水流量；△t為鹽水去回路溫差；rbr為鹽水容重；Cbr為鹽水比熱。

由圖4 可知，凍結壁形成段人工制冷系統向地層輸送的冷量逐漸加大，在交圈時冷量達到最大值，此時熱交換充分，制冷系統滿負荷運轉；交圈至開挖為凍結壁加強階段，鹽水去回路溫差緩慢減小，熱交換量逐漸減小；井筒開挖后，凍結壁已達到設計厚度、強度，進入維持凍結階段，制冷設備的逐漸減少，鹽水溫度逐漸回升，但溫差基本維持穩定；套壁階段制冷系統輸送冷量進一步減少，鹽水溫度進一步回升，溫差減小。

圖4 紅二礦風井不同階段鹽水溫度變化曲線Fig.4 The temperature change curve of brine in different stages of a mine

2.2.2 各階段的熱源分析

（1）凍結壁形成階段。該階段從凍結送冷開始至凍結壁交圈，凍結孔內低溫鹽水與周圍地熱、地下水流進行熱交換，凍結壁內外側（同一凍結圈）擴展速度基本一致，凍結管內外側凍結壁厚度對稱。在進行井筒需冷量計算及設備配置時，應重點考慮原始地溫、地下水流速因素，按最不利地層選取散熱系數，計算需冷量。

（2）凍結壁加強階段。該階段凍結壁已交圈，凍結壁內側地下水不再流動，無地下水對流換熱。凍結壁外側地下水流速、地溫不改變。凍結壁外側（同一凍結圈）擴展速度小于內側，凍結溫度場曲線不再對稱。

（3）凍結體開挖階段。該階段凍結壁內側隨著通風、混凝土澆筑水化熱影響，熱交換速度加快，且變化幅度隨著構筑物延伸逐漸加大，而外側（同一凍結圈）熱源不變。

（4）構筑物實施階段。該階段構筑物外壁已形成，增加了一隔熱層，減輕了構筑物內側風流動帶來的影響，外側熱源不變；此時井筒需冷量主要維持凍結壁原有狀態，制冷設備開機較少。

3 巖土凍結不利影響因素的應對措施

（1）應對高地溫措施。高地溫將帶來凍結壁表面冷量損失的加大，由式（2）可知，為保證凍結按期交圈，必須加大凍結壁總散熱能力，按照實際地溫與正常地溫的比值，加大凍結管散熱系數值，增加制冷設備數量。由圖1 可知，高地溫井筒需冷量大，配備制冷設備較低地溫井筒多。

（2）應對地下水高流速措施。①造孔時封堵地下水通道，減小凍結區域地下水流速，這一方法可通過造孔時向含水層注入濃泥漿或水泥—黏土漿的方式，減少凍結位置的孔隙率、裂隙率，減緩地下水流速，實現凍結壁正常交圈上水，三港灣鐵礦風井礫石含水層滲透系數達47 m/d，造孔過程中，采取投泥球+注水泥黏土漿的工藝[13]，使凍結范圍內滲透系數在開凍前不超過4 m/d，實現了凍結壁順利交圈上水；②加密凍結孔，增加換熱面積，提高換熱系數，由傳熱學知識可知，加密凍結孔可增加傳熱面積和換熱系數[14]，特別是多排孔凍結時凍結孔叉排布置效果更好，潘三礦新西風井井筒施工時距離60 m 處有一廢棄井筒，漏水嚴重、地下水流速快，在施工中應用加密凍結孔的方式，取得了良好效果（圖5）。

圖5 潘三礦西風井井筒部分加密孔施工平面Fig.5 The construction plane of some encryption holes in west wind well of Pansan mine

（3）凍結管內鹽水流速的影響應對措施。在凍結管直徑確定的條件下，鹽水流量、流速成正比關系，由傳熱學知識可知，增加流速會加大管壁換熱系數，使換熱總量增加、凍結速度加快，因此，巖土凍結施工提倡“低溫、大流量”的施工方法。

（4）水泥水化熱、通風等熱源影響應對措施。該因素的影響主要在維護凍結期階段，該影響在西北地區超深井凍結中應引起重視，水泥水化熱對凍結壁融化影響范圍為0.2～0.4 m，應根據水化熱值和分熱量值合理調節冷量供給，防止出現不合理送冷造成的凍結壁融化過快，影響井壁施工。

（5）地下水性質影響應對措施。地下水含鹽量大，造成結冰點降低，增加由自然溫度降到結冰點溫度，以及將結冰點溫度的水降到冰的需冷量，為此，應增加凍結管的總散冷能力。按照實際結冰點溫度與0℃結冰點的差值，增大凍結管換熱系數和總散冷量值。

（6）凍結壁厚度影響措施。凍結中合理確定凍結壁厚度，達到設計之后，控制凍結壁擴展量，調整冷量供給量，減少開機臺數，降低工程成本。

4 結論

（1）凍結壁發展過程因其熱源不同，各階段凍結壁內外側發展特點也不同，應按照不同階段需冷量實際大小調整冷量供給。

（2）地溫是影響凍結壁形成的主要因素之一，在進行井筒需冷量計算時，應按實際地溫計算散冷系數值、配備相應制冷設備。

（3）地下水流速是影響凍結壁形成的主要因素之一，應針對高流速地層實施適當方法，降低凍結區域地下水流速或加大凍結管換熱面積。

（4）對高含鹽量水質應加大凍結管散冷系數，增大凍結管散冷量值。

（5）應針對不同地質條件，計算凍結壁厚度，按施工各階段的熱源變化合理調控送冷量值。