方形与圆形冻结管单管冻结温度场数值对比分析

胡俊 刘勇 李玉萍

摘要：为解决现有冻结管单管冻结能力不强致使增加循环冷媒介质用量和施工机械能耗的问题，可将传统圆形截面设计成方形截面。对方形冻结管的截面形式和施工工艺作一简单介绍，运用有限元软件对方形冻结管单管冻结时的温度场发展规律进行研究，主要得出：与传统圆形冻结管相比，方形冻结管可在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力；虽然方形冻结管为非圆形截面，但其冻土帷幕温度场也是以冻结管中心为圆心呈同心圆分布；在靠近冻结管200mm内，方形冻结管比圆形冻结管制冷效果好；在距冻结管300mm以外，两种冻结管降温过程基本一致。

关键词：方形冻结管；单管冻结；冻结法；温度场；数值模拟

中图分类号：U 445.55⁺5

文献标识码：A

文章编号：1001-005x（2015）04-0152-06

人工冻结技术目前在城市地下工程建设中的应用越来越多，它是通过在地层中插入冻结管，在冻结管中通低温冷媒介质，将土体中的水结成冰，形成冻土帷幕，在冻土帷幕的支护下开挖修筑内部结构，其不受支护深度和范围的限制，是城市地下工程建设中非常重要的一个辅助工法。传统的冻结管均为形状单一的圆形管，致使单管冻结能力不强，极大地增加了循环冷媒介质用量和施工机械能耗。

为了解决现有的冻结管单管冻结能力不强，致使极大地增加了循环冷媒介质用量和施工机械能耗的问题，将传统圆形截面设计成异形截面，可解决上述问题。异形截面可以有多种形式，如方形、薄板形、工字形、三角形、X形、T形和Y形等，不同的截面形式具有不同的受力特性。本文对方形冻结管的截面形式和施工工艺作一简单介绍，运用有限元软件对方形截面冻结管单管冻结时的温度场发展规律进行研究，同时与传统圆形冻结管单管冻结时的温度场进行对比分析，论证采用方形冻结管施工的可行性，对今后类似工程设计具有一定的指导作用。

1 方形冻结管简介

1.1 截面形状

方形冻结管是利用一种正方形截面的冻结管外壁代替传统的圆形外壁，冻结管外壁在地层中形成方形空腔，在其中心部位放入供液管，同时在冻结管头部设置回液管，冷媒介质从供液管流入，经回液管流出，如此循环在地层中形成冻土帷幕，如图1所示。冻结管材质通常为无缝低碳钢管，也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管。与传统圆形冻结管技术相比，方形冻结管具有较大的单位体积材料比表面积，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力，从而提高性价比，具有较大的推广应用价值。

1.2 施工工艺

1.2.1 施工准备

（1）要求提前供水、供电到施工场地附近，并清理隧道及施工场地，保证施工通行顺畅。

（2）按不同位置的冻结孔钻进要求，用1.5"钢管搭建冻结孔施工脚手架，安装钻孔施工升降平台。

（3）施工设备进场。由于现场对施工影响大，应合理安排施工设备运抵安装地点的时间顺序。

1.2.2 冻结钻孔施工

（1）依据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于100mm。

（2）水平钻孔使用MD-60A型钻机，垂直钻孔选用GXY-1型钻机钻进。水平钻孔前要安装孔口管及孔口密封装置。当第一个孔开通后，没有涌水涌砂可继续钻进，但以后钻孔仍要装孔口装置，以防突发涌水涌砂现象出现；若涌水涌砂较厉害，还应注水泥浆（或双液浆）止水。

（3）为了保证钻进精度，开孔段是关键。钻进前5m时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进，检测偏斜无问题后方可继续钻进。

（4）冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。下好冻结管后，采用经纬仪灯光测斜法检测，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏。

（5）试压不合格的冻结管必须进行处理达到密封要求后方可使用。可逐根提卅孔内管，并用泥浆泵对逐个焊缝打压，找出泄漏焊缝及原因，及时处理，并作好记录，二次下入后仍须自检。

（6）在冻结管内下入供液管。供液管底端连接150mm长的支架，φ12mm钢筋焊接。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

（7）冻结管安装完毕后，用木塞等堵住管口，以免异物掉进冻结管。

（8）测温孔施工方法与冻结管相同。

方形冻结管冻结施工工艺流程如图2所示。

2 温度场数值模型的建立

2.1 计算基本假定

假定土层具有均匀的初始温度场，初始温度取18℃（一般地层10m以下恒温带温度为15～20℃）；土层为一层，视为均质、热各向同性体；直接将温度荷载施加到冻结管管壁上；忽略水分迁移的影响；为方便计算及考虑不利情况，所有土层参数取传热最不利的粉质黏土层。

2.2 计算模型和参数选取

本文建立二维温度场数值模型，选取了9节点网格划分格式，网格划分后的计算模型如图3所示。

模型尺寸为：粉质黏土层边界为半径1m的半圆面，中心处圆形冻结管直径为100mm，方形冻结管边长为100mm，冻结影响区域经试算未超过该范围。

模型的材料参数见表l，依据为相关报告及试验。模型中粉质黏土层材料采用热传导单元，各向同性，热传导率与时间相关，比热容为常数。

冻结前地层初始温度取18℃，并在整体模型边界面上保持不变。盐水温度作为边界荷载加在冻结管管壁上，其降温计划见表2。根据降温计划，取冻结时间步为40d，每步时间长为24h。采用带相变的瞬态导热模型。

2.3 研究路径

为了更好地研究方形冻结管单管冻土帷幕的温度场发展与分布规律，分别设置了2条路径和在路径上的18个分析点，如图3所示。路径1和路径2分别设置在水平和与水平方向夹角45°的方向，每隔100mm设置一分析点；方形冻结管水平方向分析点为1～9号，夹角45°的方向分析点为10—18号，圆形冻结管与之对应，水平方向分析点为1'～9'號，夹角45°的方向分析点为10'～18'号。

3 温度场计算结果与分析

3.1 冻土帷幕温度场等值线

不同冻结时间温度场计算结果如图4所示。由此可以看出，在冻结初期，虽然方形冻结管为非圆形截面，但是其冻土帷幕温度也是以冻结管为圆心呈同心圆分布，离冻结管越近温度越低。随着冻结时间的增加，冻土帷幕厚度逐渐增加，到冻结20d时，两种冻结管的-10℃圆形冻土帷幕半径发展为300mm。到了冻结40d时，两种冻结管的-10℃圆形冻土帷幕半径达到400mm。两种冻结管冻土帷幕温度场发展过程几乎一致。

3.2 路径分析

（1）路径1。路径1设置在水平方向，每隔100 mm设置—分析点；方形冻结管为1～9号分析点，圆形冻结管与之对应，为l'～9'号分析点，其温度随时间变化曲线如图5所示。可以看出，方形冻结管1、2号分析点的温度比圆形冻结管的低1～3℃，说明在靠近冻结管200mm范围内，方形冻结管比圆形冻结管降温陕，方形冻结管制冷效果更好。在距冻结管300mm以外，两种冻结管的降温过程基本—致。

路径1上各点不同时间的温度空间分布曲线如图6所示。可以看出，两种冻结管路径1上不同时间的温度都是离冻结管越近温度越低；降温速度先快后慢，由盐水降温计划所决定；冻结40d时各点温度低于O℃；在靠近冻结管200mm范围内，方形冻结管比圆形冻结管降温快。

（2）路径2。路径2设置在与水平夹角45°的方向，每隔100mm设置一分析点；方形冻结管为10～18号分析点，圆形冻结管与之对应，为10'～18'号分析点。两种冻结管路径2上各点温度随时间变化曲线如图7所示，不同时间的温度空间分布曲线如图8所示。可以看出，与路径1相似，在靠近冻结管200mm范圍内，方形冻结管比圆形冻结管降温快，方形冻结管制冷效果更好；在距冻结管300mm以外，两种冻结管的降温过程基本一致。

4 结束语

本文对方形冻结管的截面形式和施工工艺作一简单介绍，运用有限元软件对方形截面冻结管单管冻结时的温度场发展规律进行研究，同时与传统圆形冻结管单管冻结时的温度场进行对比分析，主要得出：

（1）与传统圆形冻结管技术相比，方形冻结管具有较大的单位体积材料比表面积，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力，从而提高性价比。

（2）从温度场云图可知，对于非圆形截面的方形冻结管，其冻土帷幕温度场也是以冻结管为圆心呈同心圆分布，离冻结管越近温度越低；两种冻结管冻土帷幕温度场发展过程几乎一致。

（3）在靠近冻结管200mm范围内，方形冻结管比圆形冻结管降温快，方形冻结管制冷效果更好；在距冻结管300mm以外，两种冻结管的降温过程基本一致。