岩土冻结的主要影响因素分析及应对措施

张庆武，阴子晔，刘树弟

（唐山开滦建设（集团）有限责任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

岩土冻结是采用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水的施工方法[1]。为保障构筑物安全，保证快速施工进程不被干扰，需要结合构筑物所处位置地层性质、地下水流态等复杂环境条件，人工改造出不同厚度、强度的冻结壁，但施工过程中由于散热系数选取不合理造成人工制冷设备过多、浪费严重，或设备制冷量不够造成工期延长，甚至不能形成完整冻结壁的情况时有发生。

自开滦林西风井1956 年成功应用冻结法施工后，我国煤矿应用冻结法立井井筒达700 余座，地铁联络通道等冻结工程千余座，近几十年来，国家经济社会蓬勃发展，人们生产生活的基础设施建设已经向西部延伸，矿产资源呈现出向深部开采的趋势。地基基础、地下交通工程、水利工程、煤矿矿井建设等地下空间的开发、利用、建设也面临严峻挑战，相关专家学者也开展了冻结岩土系列研究[2-3]。尹楠等[4]对比分析华东、西北地区的白垩系、侏罗系地层岩石物理力学特性，提出以防水为主、加大冻结管圈经的地层冻结方案，为类似条件施工提供技术参考；王晓东等[5]通过分析岩石多个物理参数受温度变化的影响规律，发现冻结岩石强度得到加强，冻融循环使岩石强度削弱，并结合所研究矿区边坡调查分析，归纳出该矿区边坡破坏现象和类型，破坏模式为浅表渐进式破坏；房昕等[6]采用间接耦合分析方法，为人工冻结地下岩土温度场求解提供了一种将独立流体分析结果导入到热分析中的新思路；黄益顺等[7]通过对比分析冻结状态下不同深度岩层的热物理学参数和低温状态下单轴抗压强度、弹性模量等参数，为类似工况矿井建设提供参考。

本文结合热力学对冻结壁表面热量与冻结管总散热能力分析冻结岩土技术原理，通过对冻结岩土热源分析，探讨岩土冻结需冰量的主要影响因素，分析各种因素对冻结壁的影响程度，提出克服岩土冻结不利因素的应对措施，为矿井建设、冻结岩土施工安全保驾护航。

1 岩土冻结原理

按照热力学第一定律（能量守恒定律）[8]对冻结壁表面热量损失量与冻结管总散热能力进行分析，充分考虑地下水流态、地温、通风等实际热源的影响，准确计算冻结壁表面热量损失量，进而计算散热系数值、冻结管总散冷量值，针对具体工程热源特点采取合理应对措施，确保岩土冻结施工安全、高效。为实现岩土中水的结冰，冻结管的总散热能力应大于冻结体表面热量损失，而总散热能力为冻结管的散冷面积与散热系数的乘积，在能够准确计算冻结管散冷面积的条件下，散热系数大小对准确计算冻结管总散冷量尤为重要。由传热学理论可知，散热系数与管内外流体的传热系数、传导材料的导热系数和厚度有关，因此，冻结管总散冷量的计算应根据盐水温度、流态和地温、地下水流速、地层导热性能、冻结壁厚度等数值计算。

2 岩土冻结影响因素分析

岩土冻结通过在冻结管内循环低温盐水实现与管外热源的冷量交换，以热传导、对流换热形式为主，以冻结法应用最广泛的井筒或地铁联络通道冻结工程为研究对象，对各阶段热源影响因素进行分析，按照稳态温度场理论进行换热量计算[8]，得出冻结壁在不同方向差异较大的原因是由于冻结过程中热源不同。开挖前热源以地温、地下水流动换热为主，开挖后冻结壁外侧热源不变，而内侧则以地温、隧道通风、混凝土水化热为主。

岩土热交换量可按照每米长圆筒壁导热热流量公式计算：

式中：ql为每米导热热流量，w/m；tf1、tf2为冻结管内盐水温度和冻结壁外侧地温，℃；λi为地层导热系数，w/（m·k）；h1、h2为冻结管内、冻结壁外侧对流换热系数，w/（m2·k）。

由式（1）可知，导热流量和冻结管内低温冷媒剂温度与冻结壁外地温（水温）之差成正比，和冻结管内低温盐水及地下水对流换热系数、地层导热系数成正比，和冻结壁外径与冻结管外径之比的自然对数成反比。

2.1 影响冻结壁形成的热源分析

2.1.1 地热对冻结需冷量计算的影响

由导热热流量公式（1）可知，冻结管内盐水温度和冻结壁外地温之差成正比关系，由于岩土冻结盐水温度为-30 ℃左右，原始地温高低直接关系到导热量的大小，实际生产过程中表现为低地温地层冻土扩展速度快[9]。这也符合热平衡原理，低地温冷量损失小，高温冷量损失大。

式中：Tf为积极冻结期，d；QRe为冻结壁总需冷量，kcal；QT为冻结管总散热能力，kcal/h；Qsu为冻结壁表面热量损失，kcal/h。

表1 是4 个井筒原始地温与交圈时间的实际数值，地温高的井筒，积极冻结期明显长于地温低的井筒。

表1 部分井筒交圈时间对比Table 1 Comparison of partial wellbore intersection time

2.1.2 地下水流速及性质对岩土冻结影响

由导热热流量式（1）可知，地下水对流换热系数是影响导热量的因素之一，由横掠单管对流换热茹卡乌斯公式可知：

换热系数h 和地下水流速U∞成正比，实际施工中也发生过个别井筒土层地下水流速过快，而难以冻结交圈的现象，因此，在计算冻结需冷量时，一定重视地下水流速的影响[10]。

郑州地铁七号线孙八寨站端头洞门冻结施工中，外圈冻结壁未按设计工期交圈，经分析为临近有水井排水，加快了地下水流速，造成交圈困难，后对该井进行封堵后，地下水流速减慢，冻结帷幕顺利交圈（图1），可知28 d 时水井出水、流速加快，测温孔降温速度减慢，50 d 时封堵水井，温度很快降至结冰点以下。

图1 某洞门9 m点温度变化曲线Fig.1 Temperature variation curve of 9 m point in a tunnel portal

地下水给冻结带来的影响除流速外，水的种类和水质对冻结会带来一定影响，地层中重力水、毛细管水所占比重大，则冻结速度快、冻土强度高；吸着水、薄膜水水所占比重大，则冻结速度慢、冻土强度低。在施工中表现为冻土扩展速度和强度为岩石>粗颗粒土层>细颗粒土层>黏土层。

地下水中盐分含量高，将使土层结冰点降低，增加结冰难度，图2、图3 可以显示含盐土层交圈距离比不含盐土层大、冻土扩展速度慢[11]。

图2 不含盐交圈时刻Fig.2 Salt-free intersection time

图3 含盐2%-9 h 交圈时刻Fig.3 Crossover time of salt 2%and 9 h

2.1.3 其他影响因素

岩土冻结冷量交换、水泥水化热和井内通风[12]、土层的导热系数及冻结壁厚度等多种因素同样会对冻结岩土施工造成影响。岩土冻结冷量交换通过在冻结管内循环盐水来实现，管内盐水流速和对流换热系数成正比，提高流速会提高对流换热系数，进而提高换热效率。水泥水化热和井内通风在构筑物施工过程中，会带走一定冷量，随着构筑物深度增加、厚度加大，冷量损耗也会加大。在施工中，应根据井筒深度、井壁厚度、直径、混凝土标号等实际计算水化热；按通风量、温度计算风的冷量损失，调整冷量输送量。土层的导热系数大，冻土扩展速度快，实际工程中体现为岩石>粗颗粒土层>细颗粒土层>黏土层。随着冻结壁厚度增加，冻土扩展速减慢，实际生产过程中也显示此规律。

2.2 冻结壁发展不同阶段热源影响规律

2.2.1 送冷量

（1）不同阶段制冷设备向地层的送冷量可以由式（7）求得：

式中：Q 为盐水送冷量；Wbr为盐水流量；△t为盐水去回路温差；rbr为盐水容重；Cbr为盐水比热。

由图4 可知，冻结壁形成段人工制冷系统向地层输送的冷量逐渐加大，在交圈时冷量达到最大值，此时热交换充分，制冷系统满负荷运转；交圈至开挖为冻结壁加强阶段，盐水去回路温差缓慢减小，热交换量逐渐减小；井筒开挖后，冻结壁已达到设计厚度、强度，进入维持冻结阶段，制冷设备的逐渐减少，盐水温度逐渐回升，但温差基本维持稳定；套壁阶段制冷系统输送冷量进一步减少，盐水温度进一步回升，温差减小。

图4 红二矿风井不同阶段盐水温度变化曲线Fig.4 The temperature change curve of brine in different stages of a mine

2.2.2 各阶段的热源分析

（1）冻结壁形成阶段。该阶段从冻结送冷开始至冻结壁交圈，冻结孔内低温盐水与周围地热、地下水流进行热交换，冻结壁内外侧（同一冻结圈）扩展速度基本一致，冻结管内外侧冻结壁厚度对称。在进行井筒需冷量计算及设备配置时，应重点考虑原始地温、地下水流速因素，按最不利地层选取散热系数，计算需冷量。

（2）冻结壁加强阶段。该阶段冻结壁已交圈，冻结壁内侧地下水不再流动，无地下水对流换热。冻结壁外侧地下水流速、地温不改变。冻结壁外侧（同一冻结圈）扩展速度小于内侧，冻结温度场曲线不再对称。

（3）冻结体开挖阶段。该阶段冻结壁内侧随着通风、混凝土浇筑水化热影响，热交换速度加快，且变化幅度随着构筑物延伸逐渐加大，而外侧（同一冻结圈）热源不变。

（4）构筑物实施阶段。该阶段构筑物外壁已形成，增加了一隔热层，减轻了构筑物内侧风流动带来的影响，外侧热源不变；此时井筒需冷量主要维持冻结壁原有状态，制冷设备开机较少。

3 岩土冻结不利影响因素的应对措施

（1）应对高地温措施。高地温将带来冻结壁表面冷量损失的加大，由式（2）可知，为保证冻结按期交圈，必须加大冻结壁总散热能力，按照实际地温与正常地温的比值，加大冻结管散热系数值，增加制冷设备数量。由图1 可知，高地温井筒需冷量大，配备制冷设备较低地温井筒多。

（2）应对地下水高流速措施。①造孔时封堵地下水通道，减小冻结区域地下水流速，这一方法可通过造孔时向含水层注入浓泥浆或水泥—黏土浆的方式，减少冻结位置的孔隙率、裂隙率，减缓地下水流速，实现冻结壁正常交圈上水，三港湾铁矿风井砾石含水层渗透系数达47 m/d，造孔过程中，采取投泥球+注水泥黏土浆的工艺[13]，使冻结范围内渗透系数在开冻前不超过4 m/d，实现了冻结壁顺利交圈上水；②加密冻结孔，增加换热面积，提高换热系数，由传热学知识可知，加密冻结孔可增加传热面积和换热系数[14]，特别是多排孔冻结时冻结孔叉排布置效果更好，潘三矿新西风井井筒施工时距离60 m 处有一废弃井筒，漏水严重、地下水流速快，在施工中应用加密冻结孔的方式，取得了良好效果（图5）。

图5 潘三矿西风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）冻结管内盐水流速的影响应对措施。在冻结管直径确定的条件下，盐水流量、流速成正比关系，由传热学知识可知，增加流速会加大管壁换热系数，使换热总量增加、冻结速度加快，因此，岩土冻结施工提倡“低温、大流量”的施工方法。

（4）水泥水化热、通风等热源影响应对措施。该因素的影响主要在维护冻结期阶段，该影响在西北地区超深井冻结中应引起重视，水泥水化热对冻结壁融化影响范围为0.2～0.4 m，应根据水化热值和分热量值合理调节冷量供给，防止出现不合理送冷造成的冻结壁融化过快，影响井壁施工。

（5）地下水性质影响应对措施。地下水含盐量大，造成结冰点降低，增加由自然温度降到结冰点温度，以及将结冰点温度的水降到冰的需冷量，为此，应增加冻结管的总散冷能力。按照实际结冰点温度与0℃结冰点的差值，增大冻结管换热系数和总散冷量值。

（6）冻结壁厚度影响措施。冻结中合理确定冻结壁厚度，达到设计之后，控制冻结壁扩展量，调整冷量供给量，减少开机台数，降低工程成本。

4 结论

（1）冻结壁发展过程因其热源不同，各阶段冻结壁内外侧发展特点也不同，应按照不同阶段需冷量实际大小调整冷量供给。

（2）地温是影响冻结壁形成的主要因素之一，在进行井筒需冷量计算时，应按实际地温计算散冷系数值、配备相应制冷设备。

（3）地下水流速是影响冻结壁形成的主要因素之一，应针对高流速地层实施适当方法，降低冻结区域地下水流速或加大冻结管换热面积。

（4）对高含盐量水质应加大冻结管散冷系数，增大冻结管散冷量值。

（5）应针对不同地质条件，计算冻结壁厚度，按施工各阶段的热源变化合理调控送冷量值。