巖土凍結(jié)的主要影響因素分析及應(yīng)對措施

張慶武，陰子曄，劉樹弟

（唐山開灤建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

巖土凍結(jié)是采用人工制冷技術(shù)暫時加固不穩(wěn)定地層和隔絕地下水的施工方法[1]。為保障構(gòu)筑物安全，保證快速施工進(jìn)程不被干擾，需要結(jié)合構(gòu)筑物所處位置地層性質(zhì)、地下水流態(tài)等復(fù)雜環(huán)境條件，人工改造出不同厚度、強(qiáng)度的凍結(jié)壁，但施工過程中由于散熱系數(shù)選取不合理造成人工制冷設(shè)備過多、浪費(fèi)嚴(yán)重，或設(shè)備制冷量不夠造成工期延長，甚至不能形成完整凍結(jié)壁的情況時有發(fā)生。

自開灤林西風(fēng)井1956 年成功應(yīng)用凍結(jié)法施工后，我國煤礦應(yīng)用凍結(jié)法立井井筒達(dá)700 余座，地鐵聯(lián)絡(luò)通道等凍結(jié)工程千余座，近幾十年來，國家經(jīng)濟(jì)社會蓬勃發(fā)展，人們生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)向西部延伸，礦產(chǎn)資源呈現(xiàn)出向深部開采的趨勢。地基基礎(chǔ)、地下交通工程、水利工程、煤礦礦井建設(shè)等地下空間的開發(fā)、利用、建設(shè)也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，相關(guān)專家學(xué)者也開展了凍結(jié)巖土系列研究[2-3]。尹楠等[4]對比分析華東、西北地區(qū)的白堊系、侏羅系地層巖石物理力學(xué)特性，提出以防水為主、加大凍結(jié)管圈經(jīng)的地層凍結(jié)方案，為類似條件施工提供技術(shù)參考；王曉東等[5]通過分析巖石多個物理參數(shù)受溫度變化的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)巖石強(qiáng)度得到加強(qiáng)，凍融循環(huán)使巖石強(qiáng)度削弱，并結(jié)合所研究礦區(qū)邊坡調(diào)查分析，歸納出該礦區(qū)邊坡破壞現(xiàn)象和類型，破壞模式為淺表漸進(jìn)式破壞；房昕等[6]采用間接耦合分析方法，為人工凍結(jié)地下巖土溫度場求解提供了一種將獨(dú)立流體分析結(jié)果導(dǎo)入到熱分析中的新思路；黃益順等[7]通過對比分析凍結(jié)狀態(tài)下不同深度巖層的熱物理學(xué)參數(shù)和低溫狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，為類似工況礦井建設(shè)提供參考。

本文結(jié)合熱力學(xué)對凍結(jié)壁表面熱量與凍結(jié)管總散熱能力分析凍結(jié)巖土技術(shù)原理，通過對凍結(jié)巖土熱源分析，探討巖土凍結(jié)需冰量的主要影響因素，分析各種因素對凍結(jié)壁的影響程度，提出克服巖土凍結(jié)不利因素的應(yīng)對措施，為礦井建設(shè)、凍結(jié)巖土施工安全保駕護(hù)航。

1 巖土凍結(jié)原理

按照熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）[8]對凍結(jié)壁表面熱量損失量與凍結(jié)管總散熱能力進(jìn)行分析，充分考慮地下水流態(tài)、地溫、通風(fēng)等實(shí)際熱源的影響，準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)壁表面熱量損失量，進(jìn)而計(jì)算散熱系數(shù)值、凍結(jié)管總散冷量值，針對具體工程熱源特點(diǎn)采取合理應(yīng)對措施，確保巖土凍結(jié)施工安全、高效。為實(shí)現(xiàn)巖土中水的結(jié)冰，凍結(jié)管的總散熱能力應(yīng)大于凍結(jié)體表面熱量損失，而總散熱能力為凍結(jié)管的散冷面積與散熱系數(shù)的乘積，在能夠準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)管散冷面積的條件下，散熱系數(shù)大小對準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)管總散冷量尤為重要。由傳熱學(xué)理論可知，散熱系數(shù)與管內(nèi)外流體的傳熱系數(shù)、傳導(dǎo)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度有關(guān)，因此，凍結(jié)管總散冷量的計(jì)算應(yīng)根據(jù)鹽水溫度、流態(tài)和地溫、地下水流速、地層導(dǎo)熱性能、凍結(jié)壁厚度等數(shù)值計(jì)算。

2 巖土凍結(jié)影響因素分析

巖土凍結(jié)通過在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)低溫鹽水實(shí)現(xiàn)與管外熱源的冷量交換，以熱傳導(dǎo)、對流換熱形式為主，以凍結(jié)法應(yīng)用最廣泛的井筒或地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為研究對象，對各階段熱源影響因素進(jìn)行分析，按照穩(wěn)態(tài)溫度場理論進(jìn)行換熱量計(jì)算[8]，得出凍結(jié)壁在不同方向差異較大的原因是由于凍結(jié)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(jié)壁外側(cè)熱源不變，而內(nèi)側(cè)則以地溫、隧道通風(fēng)、混凝土水化熱為主。

巖土熱交換量可按照每米長圓筒壁導(dǎo)熱熱流量公式計(jì)算：

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

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

2.1 影響凍結(jié)壁形成的熱源分析

2.1.1 地?zé)釋鼋Y(jié)需冷量計(jì)算的影響

由導(dǎo)熱熱流量公式（1）可知，凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度和凍結(jié)壁外地溫之差成正比關(guān)系，由于巖土凍結(jié)鹽水溫度為-30 ℃左右，原始地溫高低直接關(guān)系到導(dǎo)熱量的大小，實(shí)際生產(chǎn)過程中表現(xiàn)為低地溫地層凍土擴(kuò)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(jié)期，d；QRe為凍結(jié)壁總需冷量，kcal；QT為凍結(jié)管總散熱能力，kcal/h；Qsu為凍結(jié)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(shí)際數(shù)值，地溫高的井筒，積極凍結(jié)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(zhì)對巖土凍結(jié)影響

由導(dǎo)熱熱流量式（1）可知，地下水對流換熱系數(shù)是影響導(dǎo)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(shù)h 和地下水流速U∞成正比，實(shí)際施工中也發(fā)生過個別井筒土層地下水流速過快，而難以凍結(jié)交圈的現(xiàn)象，因此，在計(jì)算凍結(jié)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(jié)施工中，外圈凍結(jié)壁未按設(shè)計(jì)工期交圈，經(jīng)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(jìn)行封堵后，地下水流速減慢，凍結(jié)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(jié)冰點(diǎn)以下。

圖1 某洞門9 m點(diǎn)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(jié)帶來的影響除流速外，水的種類和水質(zhì)對凍結(jié)會帶來一定影響，地層中重力水、毛細(xì)管水所占比重大，則凍結(jié)速度快、凍土強(qiáng)度高；吸著水、薄膜水水所占比重大，則凍結(jié)速度慢、凍土強(qiáng)度低。在施工中表現(xiàn)為凍土擴(kuò)展速度和強(qiáng)度為巖石>粗顆粒土層>細(xì)顆粒土層>黏土層。

地下水中鹽分含量高，將使土層結(jié)冰點(diǎn)降低，增加結(jié)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(kuò)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(jié)冷量交換、水泥水化熱和井內(nèi)通風(fēng)[12]、土層的導(dǎo)熱系數(shù)及凍結(jié)壁厚度等多種因素同樣會對凍結(jié)巖土施工造成影響。巖土凍結(jié)冷量交換通過在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)鹽水來實(shí)現(xiàn)，管內(nèi)鹽水流速和對流換熱系數(shù)成正比，提高流速會提高對流換熱系數(shù)，進(jìn)而提高換熱效率。水泥水化熱和井內(nèi)通風(fēng)在構(gòu)筑物施工過程中，會帶走一定冷量，隨著構(gòu)筑物深度增加、厚度加大，冷量損耗也會加大。在施工中，應(yīng)根據(jù)井筒深度、井壁厚度、直徑、混凝土標(biāo)號等實(shí)際計(jì)算水化熱；按通風(fēng)量、溫度計(jì)算風(fēng)的冷量損失，調(diào)整冷量輸送量。土層的導(dǎo)熱系數(shù)大，凍土擴(kuò)展速度快，實(shí)際工程中體現(xiàn)為巖石>粗顆粒土層>細(xì)顆粒土層>黏土層。隨著凍結(jié)壁厚度增加，凍土擴(kuò)展速減慢，實(shí)際生產(chǎn)過程中也顯示此規(guī)律。

2.2 凍結(jié)壁發(fā)展不同階段熱源影響規(guī)律

2.2.1 送冷量

（1）不同階段制冷設(shè)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(jié)壁形成段人工制冷系統(tǒng)向地層輸送的冷量逐漸加大，在交圈時冷量達(dá)到最大值，此時熱交換充分，制冷系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；交圈至開挖為凍結(jié)壁加強(qiáng)階段，鹽水去回路溫差緩慢減小，熱交換量逐漸減??；井筒開挖后，凍結(jié)壁已達(dá)到設(shè)計(jì)厚度、強(qiáng)度，進(jìn)入維持凍結(jié)階段，制冷設(shè)備的逐漸減少，鹽水溫度逐漸回升，但溫差基本維持穩(wěn)定；套壁階段制冷系統(tǒng)輸送冷量進(jìn)一步減少，鹽水溫度進(jìn)一步回升，溫差減小。

圖4 紅二礦風(fēng)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(jié)壁形成階段。該階段從凍結(jié)送冷開始至凍結(jié)壁交圈，凍結(jié)孔內(nèi)低溫鹽水與周圍地?zé)帷⒌叵滤鬟M(jìn)行熱交換，凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)（同一凍結(jié)圈）擴(kuò)展速度基本一致，凍結(jié)管內(nèi)外側(cè)凍結(jié)壁厚度對稱。在進(jìn)行井筒需冷量計(jì)算及設(shè)備配置時，應(yīng)重點(diǎn)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(shù)，計(jì)算需冷量。

（2）凍結(jié)壁加強(qiáng)階段。該階段凍結(jié)壁已交圈，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)地下水不再流動，無地下水對流換熱。凍結(jié)壁外側(cè)地下水流速、地溫不改變。凍結(jié)壁外側(cè)（同一凍結(jié)圈）擴(kuò)展速度小于內(nèi)側(cè)，凍結(jié)溫度場曲線不再對稱。

（3）凍結(jié)體開挖階段。該階段凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)隨著通風(fēng)、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(gòu)筑物延伸逐漸加大，而外側(cè)（同一凍結(jié)圈）熱源不變。

（4）構(gòu)筑物實(shí)施階段。該階段構(gòu)筑物外壁已形成，增加了一隔熱層，減輕了構(gòu)筑物內(nèi)側(cè)風(fēng)流動帶來的影響，外側(cè)熱源不變；此時井筒需冷量主要維持凍結(jié)壁原有狀態(tài)，制冷設(shè)備開機(jī)較少。

3 巖土凍結(jié)不利影響因素的應(yīng)對措施

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

（2）應(yīng)對地下水高流速措施。①造孔時封堵地下水通道，減小凍結(jié)區(qū)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(jié)位置的孔隙率、裂隙率，減緩地下水流速，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁正常交圈上水，三港灣鐵礦風(fēng)井礫石含水層滲透系數(shù)達(dá)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(jié)范圍內(nèi)滲透系數(shù)在開凍前不超過4 m/d，實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)壁順利交圈上水；②加密凍結(jié)孔，增加換熱面積，提高換熱系數(shù)，由傳熱學(xué)知識可知，加密凍結(jié)孔可增加傳熱面積和換熱系數(shù)[14]，特別是多排孔凍結(jié)時凍結(jié)孔叉排布置效果更好，潘三礦新西風(fēng)井井筒施工時距離60 m 處有一廢棄井筒，漏水嚴(yán)重、地下水流速快，在施工中應(yīng)用加密凍結(jié)孔的方式，取得了良好效果（圖5）。

圖5 潘三礦西風(fēng)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(jié)管內(nèi)鹽水流速的影響應(yīng)對措施。在凍結(jié)管直徑確定的條件下，鹽水流量、流速成正比關(guān)系，由傳熱學(xué)知識可知，增加流速會加大管壁換熱系數(shù)，使換熱總量增加、凍結(jié)速度加快，因此，巖土凍結(jié)施工提倡“低溫、大流量”的施工方法。

（4）水泥水化熱、通風(fēng)等熱源影響應(yīng)對措施。該因素的影響主要在維護(hù)凍結(jié)期階段，該影響在西北地區(qū)超深井凍結(jié)中應(yīng)引起重視，水泥水化熱對凍結(jié)壁融化影響范圍為0.2～0.4 m，應(yīng)根據(jù)水化熱值和分熱量值合理調(diào)節(jié)冷量供給，防止出現(xiàn)不合理送冷造成的凍結(jié)壁融化過快，影響井壁施工。

（5）地下水性質(zhì)影響應(yīng)對措施。地下水含鹽量大，造成結(jié)冰點(diǎn)降低，增加由自然溫度降到結(jié)冰點(diǎn)溫度，以及將結(jié)冰點(diǎn)溫度的水降到冰的需冷量，為此，應(yīng)增加凍結(jié)管的總散冷能力。按照實(shí)際結(jié)冰點(diǎn)溫度與0℃結(jié)冰點(diǎn)的差值，增大凍結(jié)管換熱系數(shù)和總散冷量值。

（6）凍結(jié)壁厚度影響措施。凍結(jié)中合理確定凍結(jié)壁厚度，達(dá)到設(shè)計(jì)之后，控制凍結(jié)壁擴(kuò)展量，調(diào)整冷量供給量，減少開機(jī)臺數(shù)，降低工程成本。

4 結(jié)論

（1）凍結(jié)壁發(fā)展過程因其熱源不同，各階段凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)發(fā)展特點(diǎn)也不同，應(yīng)按照不同階段需冷量實(shí)際大小調(diào)整冷量供給。

（2）地溫是影響凍結(jié)壁形成的主要因素之一，在進(jìn)行井筒需冷量計(jì)算時，應(yīng)按實(shí)際地溫計(jì)算散冷系數(shù)值、配備相應(yīng)制冷設(shè)備。

（3）地下水流速是影響凍結(jié)壁形成的主要因素之一，應(yīng)針對高流速地層實(shí)施適當(dāng)方法，降低凍結(jié)區(qū)域地下水流速或加大凍結(jié)管換熱面積。

（4）對高含鹽量水質(zhì)應(yīng)加大凍結(jié)管散冷系數(shù)，增大凍結(jié)管散冷量值。

（5）應(yīng)針對不同地質(zhì)條件，計(jì)算凍結(jié)壁厚度，按施工各階段的熱源變化合理調(diào)控送冷量值。