人工冻结法施工中的温度场研究

（桂林理工大学，广西 桂林 541000）

0 引言

人工冻结法施工具有防水性能好和无污染的特性，可在复杂的工程地质和水文地质条件下形成冻土墙，常用来解决传统岩土工程方法难于解决的问题[1-3]。

由于人工冻结法施工过程中，地层温度场会产生很大变化[4-5]。掌握土体冻融过程中冻土帷幕温度场发展与分布规律，分析各因素对温度场的影响，了解不同土层温度场的发展与分布规律是人工冻结法施工的关键[6]。

为促进人工冻结技术的推广应用，本文以某地铁区间隧道盾构出洞水平冻结工程为例，对水泥改良土冻结温度场进行了三维有限元分析，并研究了导热系数、盐水温度、环境温度、土体初始温度、隧道覆土厚度等因素对温度场的影响规律。

1 计算模型

1.1 计算模型

根据实际工程中冻结管的布置及冻融影响范围，计算区域取隧道出洞洞中线上方至地面、下取20m，沿隧道纵向长40m、宽80m，坐标原点位于隧道中心，x 轴与隧道中心线重合，y 轴为垂直x 轴的水平轴，z 轴与水平面垂直。网格采用三维八节点单元划分，最大划分间距为2m。图1为冻结温度场有限元计算模型。

图1 冻结温度场有限元计算模型及网格划分

1.2 计算参数

有限元模拟计算时，视土体初始温度场为均匀温度场，冻结前土体初始温度为15℃。计算过程中大气温度设为恒温，取平均气温25℃。土体与大气接触边界对流换热系数取8.5 kJ/（h·m2·K），混凝土与大气接触边界对流换热系数取50 kJ/（h·m2·K）。原状土导热系数取1.10 W/（m·K）、比热容取1.68 kJ/（kg·K）；水泥土导热系数取1.56 W/（m·K）、比热容取1.69 kJ/（kg·K）；冻结水泥土导热系数取1.96 W/（m·K）、比热容取1.69 kJ/（kg·K）。

2 结果分析

2.1 导热系数对冻结温度场的影响

导热系数对水泥土冻结温度场的影响分析以计算模型中的导热系数为基数分别减小和增大20%与40%，计算结果如图2所示。由图可知，随着导热系数的增加，土体降温速度加快，土体冻结所需时间缩短。究其原因是土体导热系数增加，单位时间内由冻结管传递给土体的冷量增加，引起水泥土冻结时间缩短。

对比图2中几条曲线可以发现，随着导热系数的增加，不但水泥土冻结所需时间缩短，而且水泥土降温过程中的平台段也缩短。原因是水泥土相变成冻土的过程中，相变潜热保持不变，当导热系数增加时，相同时间内由冻结管向处于相变状态的水泥土输送的冷量增加，从而引起水泥土相变加速，使降温过程中的平台段缩短。

图2 导热系数变化时冻土壁表面点温度随时间变化曲线

2.2 初始地温对冻结温度场的影响

初始地温对水泥土冻结温度场的影响分别取9℃、12℃、15℃、18℃、21℃五个水平，计算结果如图3所示。

图3 原始地温变化时冻土壁表面点温度随时间变化曲线

由图3可知，随着初始地温的增加，土体冻结速度变慢，冻结所需时间增大。究其原因是，冻结区土体初始温度越高，土体温度降低到零度所需的冷量就越大，冻结时间也就越长。由图3还可以看出，初始地温对水泥土冻结温度场的影响主要体现在相变前阶段，初始地温为9℃时，冻土壁外环表面土体15 天就开始冻结，而初始地温为21℃时，冻土壁外环表面土体24 天才开始冻结。

2.3 盐水温度对冻结温度场的影响

盐水温度对水泥土冻结温度场的影响分别取负25℃、负28℃、负31℃、负34℃、负37℃、负40℃六个水平，计算结果如图4所示。

图4 盐水温度变化时冻土壁表面点温度随时间变化曲线

由图4可知，随着盐水温度的降低，水泥土降温速度加快，土体冻结所需时间缩短，盐水温度变化既影响水泥土降温过程中的平台段（相变阶段），也影响土体相变前的降温阶段。盐水温度为负25℃时，冻土壁外环表面土体22 天开始冻结；盐水温度为负40℃时，冻土壁外环表面土体14 天就开始冻结，相变所需时间也较负25℃时大大减小。

2.4 覆土厚度对冻结温度场的影响

覆土厚度对水泥土冻结温度场的影响分别取20m、30m、40m 三个水平，计算结果如图5所示。由图5可以看出，三条曲线从冻结开始到冻结完成基本处于重合状态，表明覆土厚度对水泥土冻结温度场的影响非常小，可以忽略不计。产生这种现象的原因是，冻结管内冷量对周围土体温度的影响局限在约六米范围内，超出6m 后，覆土厚度的增加对水泥土冻结温度场影响变得非常小。

图5 覆土厚度变化时冻土壁表面点温度随时间变化曲线

2.5 气温变化对冻结温度场的影响

大气温度对水泥土冻结温度场的影响分别取15℃、25℃、35℃三个水平，三个水平均取相同的初始地温，计算结果如图6所示。由图6可以看出，15℃、25℃、35℃三条温度曲线从冻结开始到冻结完成基本处于重合状态，表明大气温度对水泥土冻结温度场的影响非常小，产生这种现象的原因是，大气温度对冻结区温度场的影响需通过对非冻结区土体温度的影响实现，由于土体与大气的对流换热速度较慢，当覆土厚度达到一定数值时，大气温度变化很难在短时间内对深度较大处的土体温度产生较大影响，故很难对水泥土冻结温度场产生影响。

由于上述计算是在初始地温相同情况下进行的，计算结果只能说明冻结施工中，大气温度的变化不会影响冻结温度场。如果施工选在不同季节，由于气温的差异导致了初始地温的差异，就会对水泥土冻结温度场产生较大影响。

图6 气温变化时冻土壁表面点温度随时间变化曲线

3 结论

（1）随着导热系数的增加，土体降温速度加快，土体冻结所需时间大幅度缩短。

（2）随着初始地温的增加，土体冻结速度变慢，冻结所需时间有较大幅度增大。

（3）盐水温度对温度场影响较大，随着盐水温度的降低，水泥土降温速度加快，土体冻结所需时间缩短，盐水温度变化既影响水泥土降温过程中的相变阶段，也影响土体相变前的降温阶段。

（4）隧道顶部覆土厚度对冻结温度场的影响非常小，可以忽略不计。

（5）冻结法施工过程中，大气温度变化对冻结温度场的影响非常小，但如果施工期很长，气温变化引起地温变化，就会对冻结温度场产生较大影响。