滲流對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)影響的研究

陳盈盈 周桂云 余長(zhǎng)青

（金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引言

隨著“京津冀協(xié)同發(fā)展”、“長(zhǎng)三角一體化”、“粵港澳大灣區(qū)建設(shè)”和“一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)城市軌道交通保持快速發(fā)展趨勢(shì)?！笆濉逼陂g，我國(guó)累計(jì)新增城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度4351.7km，年均新增運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度870.3km，未來(lái)獲批的地鐵城市及建設(shè)規(guī)劃的新線路將越來(lái)越多[1]。然而，在地鐵的修建過(guò)程中，難免會(huì)遇到軟弱土層和富含水砂層，其高含水率和低承載力會(huì)給地鐵的修建帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)，人工凍結(jié)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(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)，有效解決復(fù)雜的地下工程問(wèn)題。

我國(guó)沿江和沿海城市地下水位高且地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，松散的土層中常常會(huì)有較大的滲流速度，如常州、上海等地，對(duì)人工凍結(jié)工程產(chǎn)生較大的影響。地下水流速越快，水流帶走凍結(jié)管周?chē)睦淞吭蕉?，凍結(jié)管與周?chē)馏w的熱交換越少，進(jìn)而可能導(dǎo)致凍結(jié)壁交圈困難甚至形成未封閉的凍結(jié)壁，引發(fā)工程事故。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，主要集中于凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的形成與發(fā)展，這對(duì)于深入認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)實(shí)際人工凍結(jié)工程具有重要的指導(dǎo)意義。為此，本文介紹了人工凍結(jié)法，詳述了滲流對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響的研究現(xiàn)狀以及凍結(jié)效果的改善方法，并提出未來(lái)的研究方向。

1 人工凍結(jié)法概述

1.1 人工凍結(jié)法的原理

人工凍結(jié)法是一種臨時(shí)加固土層的方法，在地層中布設(shè)一定數(shù)量的凍結(jié)管，并在其中循環(huán)低溫制冷劑，凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)管與周?chē)馏w之間會(huì)發(fā)生熱交換，使地層中的水凍結(jié)成冰，形成封閉連續(xù)的凍結(jié)帷幕（即凍結(jié)壁），不但能提高土體強(qiáng)度，抵擋土壓力，而且能隔絕地下水和開(kāi)挖區(qū)，確保施工安全。此外，凍結(jié)管的布置靈活，可形成不同形狀的凍結(jié)壁，能適用于各種復(fù)雜的工況。

1.2 人工凍結(jié)法的分類(lèi)

按低溫制冷劑的不同，人工凍結(jié)法主要可分為鹽水凍結(jié)和液氮凍結(jié)。鹽水凍結(jié)是一種閉合凍結(jié)系統(tǒng)，采用冷凍機(jī)將鹽水降溫，利用循環(huán)泵使冷鹽水在凍結(jié)管網(wǎng)中循環(huán)，再返回至冷凍機(jī)內(nèi)進(jìn)行降溫，形成一個(gè)閉合回路，如圖1（a）所示；而液氮凍結(jié)是一種開(kāi)放凍結(jié)系統(tǒng)，通過(guò)液氮車(chē)的運(yùn)輸向液氮箱內(nèi)補(bǔ)充液氮，而液氮從液氮箱內(nèi)進(jìn)入凍結(jié)管網(wǎng)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(jié)系統(tǒng)

1.2.1 鹽水凍結(jié)

鹽水凍結(jié)法因其經(jīng)濟(jì)性，廣泛應(yīng)用于地鐵隧道端頭的始發(fā)、接收以及聯(lián)絡(luò)通道[2-3]，能極大地降低安全風(fēng)險(xiǎn)。該凍結(jié)系統(tǒng)主要包括冷凍機(jī)和凍結(jié)管兩部分，冷凍機(jī)可將鹽水溫度降低至指定負(fù)溫（設(shè)計(jì)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(jié)管一般采用Φ89×8的低碳無(wú)縫鋼管。凍結(jié)過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：積極凍結(jié)和消極凍結(jié)，積極凍結(jié)期間主要是將凍結(jié)壁發(fā)展到設(shè)計(jì)厚度，消極凍結(jié)期間主要是維護(hù)凍結(jié)壁，使其不再擴(kuò)展。

1.2.2 液氮凍結(jié)

液氮凍結(jié)法采用的液氮是一次性消耗品且價(jià)格昂貴，受工程中復(fù)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(dāng)中才采用，如發(fā)生滲水涌砂險(xiǎn)情[4]、江河下盾構(gòu)盾尾刷的更換等[5]。該凍結(jié)系統(tǒng)主要包括液氮箱和凍結(jié)管兩部分，不需要凍結(jié)站，液氮的最低溫度可達(dá)-195.8℃，常溫下極易發(fā)生氣化，被儲(chǔ)存在液氮箱內(nèi)。液氮在凍結(jié)管中循環(huán)后，以氮?dú)猓囟纫话銥?120℃~-80℃）的形式釋放到空氣中。顯而易見(jiàn)，相較于鹽水凍結(jié)法，液氮凍結(jié)法的凍結(jié)效率，凍結(jié)速度可提高9～10倍。

2 滲流對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響

在人工凍結(jié)工程中，凍結(jié)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(fù)雜性，會(huì)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(wú)黏性土層中。相較于液氮凍結(jié)法，鹽水凍結(jié)法冷源的溫度相對(duì)較高，形成的凍結(jié)壁更容易受滲流的影響，其形成和發(fā)展緩慢，甚至?xí)?。為研究滲流對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，方法主要集中在物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。

2.1 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)是研究滲流條件下人工凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展最直接的方法，眾多學(xué)者基于相似理論構(gòu)建了不同工況條件下的人工地層凍結(jié)的縮尺模型，通過(guò)物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蚰M不同工況條件下土體的凍結(jié)過(guò)程，進(jìn)而研究不同影響因素對(duì)土體凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響，如凍結(jié)管間距、直徑、滲流速度、冷源溫度等。研究結(jié)果均表明，地下水流速越大，凍結(jié)壁的發(fā)展速度越慢，當(dāng)達(dá)到一定流速時(shí)，相鄰凍結(jié)管形成的凍結(jié)圓柱會(huì)無(wú)法交圈。

大多數(shù)研究集中在滲流條件下鹽水凍結(jié)對(duì)土體溫度場(chǎng)的影響。劉偉俊等[6]從迎水面長(zhǎng)度、順?biāo)鏖L(zhǎng)度和厚度三個(gè)方面，研究北京砂卵石地層多排管條件下滲流作用對(duì)凍結(jié)體溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，給出了滲流作用下多排管凍結(jié)土體的平均溫度計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，張晉勛等[7]研究了滲流條件下盆形凍結(jié)技術(shù)。Wang等[8]研究了滲流對(duì)單管周?chē)皩訙囟葓?chǎng)時(shí)間和空間的發(fā)展規(guī)律。李方政等[9]研究了凍結(jié)孔間距、地下水流速、鹽水溫度和凍結(jié)孔管徑等因素條件下滲流對(duì)富水砂層雙排管凍結(jié)壁形成的影響，并提出了滲流條件下人工凍結(jié)施工的應(yīng)對(duì)措施。周曉敏等[10]也開(kāi)展了飽和砂層中滲流凍結(jié)的相關(guān)試驗(yàn)研究，認(rèn)為縮小凍結(jié)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(wú)黏性土，而在軟土地區(qū)凍結(jié)時(shí)也面臨滲流問(wèn)題，往往凍結(jié)軟黏土?xí)r也會(huì)發(fā)生滲流現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)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(jié)果表明下伏砂層中存在臨界滲流速度，并且滲流會(huì)顯著削弱軟黏土的潛熱效應(yīng)。少有學(xué)者開(kāi)展?jié)B流條件下液氮凍結(jié)的物理模型研究，王朝暉等[12]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速大于10m/s時(shí)，會(huì)對(duì)液氮凍結(jié)形成的凍結(jié)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(yàn)的次數(shù)，僅需在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬和數(shù)據(jù)處理，極大地降低了試驗(yàn)成本，但構(gòu)建的數(shù)值模型需要通過(guò)物理模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行求解，越來(lái)越多的研究考慮了地下水滲流對(duì)土層凍結(jié)過(guò)程中熱傳導(dǎo)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(ài)如[13]結(jié)合多孔介質(zhì)熱運(yùn)移理論和達(dá)西定律，建立了滲流條件下凍結(jié)鋒面發(fā)展的數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)值計(jì)算的方法分析了凍結(jié)過(guò)程中的溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。Lai等[14]考慮了相變的影響，建立了滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合的數(shù)學(xué)模型，并給出了有限元的計(jì)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(jié)過(guò)程中的滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，構(gòu)建了數(shù)值模型，研究了滲流作用下井筒凍結(jié)溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律。Pimentel等[16]基于開(kāi)發(fā)的有限元代碼FREEZE真實(shí)地模擬了德國(guó)菲爾特地鐵修建中的一個(gè)人工凍結(jié)工程，該工程軟土層中發(fā)生明顯的滲流，反演了當(dāng)時(shí)凍結(jié)體發(fā)展的過(guò)程。張晉勛等[17]基于物理模型試驗(yàn)建立了“板梳”凍結(jié)三維數(shù)值模型，采用COMSOL Multiphysics有限元軟件，對(duì)比驗(yàn)證物理試驗(yàn)結(jié)果后，深入分析了滲流條件下凍結(jié)壁的形成和發(fā)展規(guī)律，為其凍結(jié)施工參數(shù)的確定提供指導(dǎo)。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(duì)凍結(jié)壁發(fā)展規(guī)律的影響。

3 改善凍結(jié)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(jié)的效果，使形成的凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足開(kāi)挖的前提條件，并盡可能地降低能耗。一些學(xué)者提出了一些優(yōu)化方法找尋滲流條件下凍結(jié)管布置的最佳位置。Marwan等[19]提出了一種結(jié)合群蟻算法和水熱耦合土體凍結(jié)有限元模型的方法來(lái)確定凍結(jié)管的最佳位置。Huang等[20]構(gòu)建了一個(gè)水熱耦合模型，考慮了土體中冰水相變的轉(zhuǎn)換以及隧道周?chē)鷥鼋Y(jié)管的位置，其中凍結(jié)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(jié)工程中，如果布設(shè)過(guò)多的凍結(jié)管，雖然能夠確保工程安全，但是會(huì)造成不必要的供冷消耗，一些學(xué)者開(kāi)展了這方面的研究。Alzoubi等[21]提出了凍結(jié)需求（Freezing-ondemand，簡(jiǎn)稱(chēng)FoD）的概念，就是給需要凍結(jié)的土體提供冷源，與此同時(shí)，還要確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和開(kāi)挖安全，盡可能減少冷量的散失。Zueter等[22]開(kāi)展了在凍結(jié)管的特定區(qū)域設(shè)置空氣隔層的相關(guān)研究。還有學(xué)者研究如何提高凍結(jié)過(guò)程中的對(duì)流換熱效率，提高凍結(jié)的效果。Guo等[23]提出了場(chǎng)協(xié)同的概念，建立了對(duì)流換熱效率與速度、溫度梯度之間夾角的聯(lián)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

人工凍結(jié)法因其具有良好的止水性，近幾年廣泛被用于解決復(fù)雜的地下工程問(wèn)題，但在地下水流速較快的土層時(shí)，滲流會(huì)引起凍結(jié)冷量的損失，進(jìn)而可能會(huì)造成無(wú)法交圈或者凍結(jié)壁存在薄弱區(qū)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面，針對(duì)滲流對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)影響已開(kāi)展了一系列的研究，同時(shí)也提出了一些改善凍結(jié)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(lái)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究。

（1）可靠的數(shù)值模型均依賴(lài)于室內(nèi)物理模型裝置的試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)有的物理模型試驗(yàn)裝置針對(duì)某種特定工況，往往具有局限性，并且相關(guān)的物理模型試驗(yàn)研究成果非常有限，需要進(jìn)一步深入探究。

（2）人工凍結(jié)工程中土體溫度場(chǎng)的發(fā)展是一個(gè)瞬態(tài)的過(guò)程，針對(duì)滲流條件下土體的凍結(jié)，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(jié)過(guò)程中發(fā)生的物理過(guò)程，解決滲流條件下人工凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展的問(wèn)題。

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