陳軍浩，夏紅兵，李棟偉

(1. 福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院∥福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3. 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)與環(huán)境工程研究所∥凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

多圈管凍結(jié)壁溫度場發(fā)展及凍結(jié)管偏斜影響*

陳軍浩1，夏紅兵2，李棟偉3

(1. 福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院∥福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3. 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)與環(huán)境工程研究所∥凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

人工多圈管凍結(jié)是深厚地層井筒掘砌的最有效方法，為進(jìn)一步了解凍結(jié)壁溫度場發(fā)展特性，以某凍結(jié)井筒為原型，開展了室內(nèi)多圈管凍結(jié)模型試驗(yàn)，同時(shí)借助有限元軟件對(duì)凍結(jié)管無偏斜以及隨機(jī)偏斜兩種條件下凍結(jié)壁溫度場發(fā)展特性進(jìn)行了分析比較。得出凍結(jié)管布置圈徑對(duì)凍結(jié)壁環(huán)向擴(kuò)展速率影響較??；凍結(jié)管偏斜對(duì)井幫溫度、凍結(jié)壁有效厚度影響較小，但對(duì)不同位置凍結(jié)壁交圈時(shí)間及對(duì)徑向方向凍結(jié)壁平均溫度影響較大；同時(shí)凍結(jié)管偏斜會(huì)使凍結(jié)壁內(nèi)部產(chǎn)生更多的密閉未凍承壓水倉，引起凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹力增大，對(duì)凍結(jié)壁整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。在凍結(jié)造孔時(shí)，要嚴(yán)格控制凍結(jié)管偏斜。

多圈管；凍結(jié)壁；溫度場；模型試驗(yàn)；凍結(jié)管偏斜

我國能源資源具有“富煤、貧油、少汽”的顯著特點(diǎn)，煤炭占一次能源資源總量的94.22%。2013年、2014年全國煤炭產(chǎn)量分別為36.5億t，38.7億t，可以看出隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，國家對(duì)煤炭需求有增無減[1]。而我國煤炭產(chǎn)量的95%以上獲得來自地下開采，因此，要保證我國煤炭產(chǎn)量的持續(xù)增加，深部開采已成為煤礦開采的必然趨勢(shì)。目前在華東地區(qū)絕大多數(shù)淺部煤層已得到充分開采，新建或改擴(kuò)建的井筒均需穿越深厚沖積層，如山東龍固礦、淮南丁集礦、郭屯礦、楊村礦等凍結(jié)深度均超過了500 m，楊村礦風(fēng)井表土層厚度更是達(dá)到了538.9 m，凍結(jié)深度達(dá)到800 m。隨著井筒穿越表土地層厚度的不斷增加，為保證工程施工安全，要求凍結(jié)壁厚度也不斷增大，目前普遍采用三圈+輔助孔、四圈孔凍結(jié)管布置方式，實(shí)踐證明多圈管凍結(jié)是解決深厚地層井筒掘砌的最有效方法[2-4]。

多圈管凍結(jié)鑿井過程中，凍結(jié)壁的安全與穩(wěn)定性至關(guān)重要，其受影響因素雖然有很多，但凍結(jié)造孔的質(zhì)量好壞是基本因素，特別是隨著井筒凍結(jié)深度的不斷加大，凍結(jié)造孔質(zhì)量要求顯得尤為重要[5-7]。若凍結(jié)孔發(fā)生較大偏斜，則凍結(jié)孔之間的環(huán)(徑)向間距大小不一，凍結(jié)所形成的凍結(jié)壁實(shí)際情況與設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)有很大差異，將影響到凍結(jié)壁的整體交圈時(shí)間，也會(huì)對(duì)平均凍結(jié)壁溫度、有效厚度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)甚至引起凍結(jié)管斷裂、井筒出水等工程事故，不利于凍結(jié)鑿井。

近年來，隨著多圈管凍結(jié)鑿井的普遍應(yīng)用，已有不少專家學(xué)者對(duì)多圈管凍結(jié)壁溫度場發(fā)展變化特征展開研究，并獲得了大量實(shí)質(zhì)性成果，但主要是通過數(shù)值計(jì)算或現(xiàn)場實(shí)測方式獲得，較少結(jié)合模型試驗(yàn)以及考慮凍結(jié)管偏斜進(jìn)行多圈管溫度場發(fā)展分析[8-10]。本文以某三圈孔凍結(jié)井筒為原型，井筒凍結(jié)深度502 m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度9.2 m，平均溫度-14 ℃。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，測得凍結(jié)壁溫度場發(fā)展變化基本規(guī)律，同時(shí)利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件，建立凍結(jié)孔無偏斜、有偏斜兩種模型，并比較兩種方案計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的差異，分析凍結(jié)孔偏斜對(duì)凍結(jié)壁溫度場變化的影響。

1 多圈管凍結(jié)模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)介紹

模型試驗(yàn)土樣來自現(xiàn)場-380～-410 m厚黏土層，土體初始溫度15 ℃。通過室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)，獲得該土層物理性能指標(biāo)為：含水率26%；比熱1.53 J/(g·K)；結(jié)冰溫度-1.0 ℃；導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化而變化，在15、0、-2、-10、-20、-30 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.32、1.36、1.52、1.73、1.79、1.83 W/(m·K)，各溫度區(qū)間導(dǎo)熱系數(shù)可采用線性內(nèi)差法獲得。

試驗(yàn)在礦山地下工程教育部工程研究中心人工多圈管凍結(jié)模型試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，為提高試驗(yàn)效率，在合理設(shè)計(jì)相似比(n=10)的基礎(chǔ)上，將直徑為3 m的試驗(yàn)平臺(tái)三等分，試驗(yàn)僅在1/3區(qū)域進(jìn)行。試驗(yàn)過程始終滿足相似準(zhǔn)則[11]，幾何縮比為Cξ=n；溫度縮比為CT=1；時(shí)間縮比Ct=n2。試驗(yàn)選用的凍結(jié)管為雙重鋼套管，內(nèi)、外徑分別為14mm、20mm，由于土體凍結(jié)效果受凍結(jié)管外壁與接觸土體熱交換面積大小的影響，因此模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)凍結(jié)管根數(shù)時(shí)，在考慮相似比的基礎(chǔ)上，還考慮了現(xiàn)場與室內(nèi)凍結(jié)管外徑大小的差異，以保證單位面積土體上冷量分配的相似性[12]。同時(shí)在模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，由于現(xiàn)場凍結(jié)管間距介于1.23～2.37m之間，通過相似比換算后，模型試驗(yàn)中凍結(jié)孔間距較小，僅為0.12～0.24m，若考慮偏斜，將不利于凍結(jié)管布設(shè)，因此模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)凍結(jié)管處于無偏斜狀態(tài)。

試驗(yàn)過程采用酒精制冷，循環(huán)溫度-32 ℃，凍結(jié)時(shí)間70h。為掌握凍結(jié)壁溫度場發(fā)展情況，在特征點(diǎn)位置布設(shè)了溫度測點(diǎn)，其中1-8#布設(shè)在主面，9-16#測點(diǎn)布置在界面位置。界面各測點(diǎn)布置均在各區(qū)域距離凍結(jié)管最遠(yuǎn)處，分別位于掘砌荒徑、內(nèi)圈孔內(nèi)側(cè)、內(nèi)圈孔中間、內(nèi)-中圈孔之間、中圈孔中間、中-外圈孔之間、外圈孔中間、外圈孔外側(cè)；距離井筒中心距離分別為：0.56、0.63 、0.68 、0.74 、0.94 、1.11 、1.25 、1.40m?，F(xiàn)場原型與模型試驗(yàn)凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所示；測溫元件布置情況見圖1所示；模型試驗(yàn)現(xiàn)場效果見圖2所示。

表1 現(xiàn)場與試驗(yàn)凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 模型試驗(yàn)測溫元件布置平面圖(單位：mm)Fig.1 Model test temperature measurement element layout

圖2 凍結(jié)模型試驗(yàn)過程Fig.2 Process of the freezing model test

1.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 模型試驗(yàn)凍結(jié)壁發(fā)展特征 現(xiàn)場開機(jī)凍結(jié)210d后開挖至厚黏土層位，按相似比換算成模型試驗(yàn)凍結(jié)時(shí)間為50h。本文選擇凍結(jié)壁相對(duì)薄弱的界面位置進(jìn)行凍結(jié)壁溫度場發(fā)展特征分析。通過對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)整理，獲得不同測點(diǎn)位置溫度隨時(shí)間變化曲線，見圖3所示。

圖3 界面不同位置溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Change of different position temperature in interface

從圖3可以看出，凍結(jié)壁沿界面方向土體降溫速率不一，總體表現(xiàn)為中間快，內(nèi)、外兩側(cè)慢。如掘砌荒徑位置土體需凍結(jié)20h才降至結(jié)冰溫度；而在凍結(jié)管之間土體，受四周冷量疊加影響，溫度下降很快，凍結(jié)15h均可降至結(jié)冰溫度，其中主凍結(jié)孔(中圈孔)中間位置土體在凍結(jié)8h即進(jìn)入負(fù)溫狀態(tài)，降溫速率達(dá)到1.45 ℃/h。受土體凍結(jié)過程釋放潛熱影響，在結(jié)冰點(diǎn)溫度附近，土體溫度梯度明顯減小。

選取11-15#測點(diǎn)溫度變化做分析比較，獲得了不同位置凍結(jié)壁交圈時(shí)間。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，以土體結(jié)冰溫度-1 ℃為凍結(jié)壁邊界，可以計(jì)算出不同位置凍結(jié)壁發(fā)展速率，見表2所示。

表2 不同位置凍結(jié)壁交圈時(shí)間及擴(kuò)展速率對(duì)比

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，各測點(diǎn)位置土體交圈時(shí)間差異很大，中圈主凍結(jié)孔環(huán)向之間土體交圈時(shí)間最早，僅為11.05h；而內(nèi)圈輔助孔環(huán)向之間土體交圈時(shí)間最遲，達(dá)到19.43h。根據(jù)相似準(zhǔn)則換算得出：中圈、內(nèi)圈、外圈孔之間凍結(jié)壁擴(kuò)展速率分別為13.36、14.66、13.90mm/d，三者相差很小，表明凍結(jié)壁沿環(huán)向擴(kuò)展速率受凍結(jié)管布置圈徑影響較小。內(nèi)-中圈管之間與中-外圈管之間凍結(jié)壁擴(kuò)展速率雖然達(dá)到17.90mm/d與22.38mm/d，但由于徑向兩圈管間距要大于環(huán)向兩凍結(jié)孔間距，因此在徑向凍結(jié)壁交圈時(shí)間大于環(huán)向凍結(jié)壁交圈時(shí)間。

1.2.2 模型試驗(yàn)凍結(jié)壁特征參數(shù) 凍結(jié)壁穩(wěn)定性兩個(gè)主要參數(shù)指標(biāo)為凍結(jié)壁有效厚度與平均溫度，計(jì)算時(shí)可將溫度低于土體結(jié)冰溫度的區(qū)域認(rèn)為是凍結(jié)壁已經(jīng)形成區(qū)域，并對(duì)該區(qū)域沿徑向方向?qū)囟冗M(jìn)行面積分，計(jì)算出賦存在該區(qū)域的凍結(jié)壁總冷量，而后除以徑向方向凍結(jié)壁有效厚度，進(jìn)而計(jì)算出凍結(jié)壁平均溫度。由于現(xiàn)場井筒掘砌時(shí)，需挖走掘砌荒徑以內(nèi)的凍土，因此當(dāng)井幫溫度低于土體凍結(jié)溫度后，凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)邊緣固定為掘砌荒徑位置；凍結(jié)壁外邊緣計(jì)算時(shí)，可假設(shè)外圈孔外側(cè)測點(diǎn)溫度只受到相鄰兩根凍結(jié)管影響，采用兩根凍結(jié)管相互影響下的溫度場計(jì)算公式獲得[13]。通過計(jì)算獲得模型試驗(yàn)過程凍結(jié)壁特征參數(shù)隨時(shí)間變化情況，見圖4所示。

圖4 模型試驗(yàn)凍結(jié)壁特征參數(shù)隨時(shí)間變化情況Fig.4 Characteristic parameters of the frozen wall change with time of the model test

從圖4中可以看出，凍結(jié)壁形成及發(fā)展情況與表2凍結(jié)壁各區(qū)域形成時(shí)間相對(duì)應(yīng)：凍結(jié)11.05h時(shí)，中圈孔環(huán)向之間土體交圈，凍結(jié)壁形成并迅速擴(kuò)展，至凍結(jié)13.5h時(shí)，凍結(jié)壁厚度增長至0.20m；凍結(jié)14.76h時(shí)雖然外圈孔環(huán)向之間土體交圈，但由于中-外圈之間土體尚未交圈，且外圈孔凍結(jié)壁厚度小于中圈孔凍結(jié)壁厚度，該階段凍結(jié)壁厚度仍由中圈孔形成的凍結(jié)壁厚度決定；凍結(jié)16.6h時(shí)，中-外圈孔之間土體交圈，中圈孔與外圈孔形成的凍結(jié)壁合二為一，引起凍結(jié)壁厚度突然增大，達(dá)到0.54m，該階段凍結(jié)壁平均溫度迅速下降至-6.56 ℃；凍結(jié)19.43h時(shí)，內(nèi)圈孔環(huán)向之間土體交圈，使得內(nèi)-中-外三圈孔形成的凍結(jié)壁合為一個(gè)整體，凍結(jié)壁厚度出現(xiàn)再次跳躍，達(dá)到0.73m，該階段凍結(jié)壁平均溫度變化較小，降至-8 ℃；凍結(jié)22.2h時(shí)，井幫位置土體溫度降至結(jié)冰溫度，凍結(jié)壁有效厚度范圍變?yōu)榫畮臀恢弥镣馊淄鈧?cè)形成的凍結(jié)壁，因外圈孔外側(cè)凍結(jié)壁擴(kuò)展速率較慢，因此在此之后凍結(jié)壁厚度增長速率緩慢，但凍結(jié)壁平均溫度下降較快；至凍結(jié)50h時(shí)，凍結(jié)壁有效厚度為0.98m，凍結(jié)壁平均溫度降至-20.76 ℃。

2 凍結(jié)壁溫度場發(fā)展數(shù)值模擬

2.1 人工凍結(jié)溫度場控制微分方程

人工凍結(jié)溫度場是一個(gè)存在相變且凍結(jié)鋒面在不斷遷移的瞬態(tài)非線性數(shù)學(xué)物理方程[14]。其理論求解難度大，控制微分方程為

(1)

式中：a=λ/(cγ)為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；c為比熱，J/(g·K)；γ為土體的重度，kg/m3；Q′為內(nèi)熱源，W/m2。

式(1)為拋物線型微分方程，在時(shí)間上采用有限差分法，空間上采用有限單元法進(jìn)行求解?？刹捎肎alerkin加權(quán)余量法來建立熱傳導(dǎo)問題的有限元方程。

2.2 多圈管凍結(jié)溫度場計(jì)算模型建立

采用凍結(jié)法鑿井時(shí)，凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展性狀直接依賴于先期凍結(jié)造孔的質(zhì)量好壞，其最直接的判斷標(biāo)準(zhǔn)為凍結(jié)造孔偏斜率的控制問題。若相鄰兩根凍結(jié)管呈“八”字型成孔，凍結(jié)壁交圈時(shí)間將加大，同時(shí)也將提高該區(qū)域凍結(jié)壁平均溫度，進(jìn)而降低該區(qū)域凍結(jié)壁強(qiáng)度大小。因此本文模型建立時(shí)以現(xiàn)場凍結(jié)井筒為原型，考慮凍結(jié)管無偏斜與凍結(jié)管隨機(jī)偏斜兩種方案，以比較凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁溫度場發(fā)展的影響情況。本文考慮凍結(jié)管隨機(jī)偏斜時(shí)，規(guī)定凍結(jié)管偏斜率≤0.15%，相鄰兩個(gè)凍結(jié)孔終孔間距≤2.8m，利用VC++軟件編寫出凍結(jié)管隨機(jī)偏斜程序[15-16]，隨機(jī)獲得中、外圈最大凍結(jié)孔間距分別為2.0、2.48m，符合《煤礦井巷工程施工規(guī)范》規(guī)定。

模型建立時(shí)選取土體物理性能參數(shù)參照1.1節(jié)土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于地層埋深較深，在模型建立時(shí)，可按平面問題來簡化考慮溫度場。同時(shí)考慮凍結(jié)管尺寸較小，為方便建模，將鹽水溫度作為節(jié)點(diǎn)荷載考慮，即計(jì)算時(shí)將凍結(jié)管以溫度載荷形式直接施加在節(jié)點(diǎn)上，溫度載荷取值與現(xiàn)場回管路鹽水溫度一致，為-32 ℃。計(jì)算模型見圖5所示，溫度場計(jì)算云圖見圖6所示。

圖5 凍結(jié)溫度場計(jì)算模型Fig.5 Freezing temperature field calculation model

圖6 溫度場計(jì)算云圖Fig.6 Temperature field calculation cloud

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

通過后處理，以土體結(jié)冰溫度為臨界點(diǎn)，繪制出不同位置土體交圈時(shí)凍結(jié)壁-1 ℃等值線，見圖7、圖8所示。同時(shí)將凍結(jié)管無偏斜、偏斜時(shí)數(shù)值計(jì)算獲得的凍結(jié)壁交圈時(shí)間與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3所示。

表3 凍結(jié)壁交圈時(shí)間對(duì)比

3 凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁溫度場影響

3.1 凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁交圈時(shí)間影響

對(duì)比圖7、圖8可以看出，凍結(jié)管處于理想無偏斜條件時(shí)，各位置土體獲得的冷量均勻，凍結(jié)壁以凍結(jié)管節(jié)點(diǎn)為中心，規(guī)則地向四周發(fā)展直至各位置交圈；當(dāng)凍結(jié)管處于偏斜條件時(shí)，凍結(jié)初期受冷量分配不均勻影響，凍結(jié)壁溫度場發(fā)展較為紊亂，不規(guī)則地向四周發(fā)展。由于中圈孔間距最小，且環(huán)向土體同時(shí)受環(huán)向、徑向凍結(jié)管傳遞的冷量疊加影響，交圈時(shí)間最快，在凍結(jié)管無偏斜與偏斜條件下交圈時(shí)間分別僅為44、56d；外圈土體環(huán)向交圈時(shí)間次之，分別為56、74d，二者差值均很大，表明凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁交圈時(shí)間影響明顯。當(dāng)外圈土體環(huán)向交圈后，雖然在較短時(shí)間內(nèi)徑向位置中圈與外圈孔之間土體即可完成交圈，但仍有部分土體處于正溫狀態(tài)，特別是在凍結(jié)管偏斜條件下，凍結(jié)80d后，凍結(jié)壁內(nèi)部形成較多封閉空間，在適宜的工程地質(zhì)條件下，隨著凍結(jié)鋒面逐漸收縮，由于封閉空間內(nèi)的水無法及時(shí)遷移排出，將在凍結(jié)壁內(nèi)部形成密閉未凍承壓水倉[17]，引起凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹力增大，而凍土在外荷載作用下，凍結(jié)壁強(qiáng)度隨外荷載增大呈減小趨勢(shì)[18]，因此密閉未凍承壓水倉將對(duì)凍結(jié)壁整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。內(nèi)圈孔屬于輔助凍結(jié)孔，凍結(jié)管布置少，因此在徑向上內(nèi)圈與中圈孔之間土體交圈時(shí)間較遲，在凍結(jié)管無偏斜與偏斜條件下交圈時(shí)間分別為70、94d，此時(shí)內(nèi)、中、外圈孔之間凍結(jié)壁連成一個(gè)整體。

從表3可以看出，通過模型試驗(yàn)換算獲得的現(xiàn)場凍結(jié)壁交圈時(shí)間與凍結(jié)管無偏斜條件下較為接近，但與凍結(jié)管偏斜條件下差異很大，同樣表明凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁交圈時(shí)間影響顯著。不同位置凍結(jié)壁交圈時(shí)間先后順序?yàn)椋涵h(huán)向中圈孔之間土體——環(huán)向外圈孔之間土體——徑向中外圈孔之間土體——徑向內(nèi)中圈孔之間土體。

圖7 凍結(jié)管無偏斜條件下凍結(jié)壁發(fā)展性狀Fig.7 Development of frozen wall under the condition of frozen pipe without deflective

圖8 凍結(jié)管隨機(jī)偏斜條件下凍結(jié)壁發(fā)展性狀Fig.8 -1 ℃ development of frozen wall under the condition of frozen pipe random deflective

3.2 凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁特征參數(shù)影響

凍結(jié)鑿井安全與否主要體現(xiàn)在井筒掘砌過程，除受凍結(jié)壁穩(wěn)定性影響外，還與井幫溫度大小直接相關(guān)，通過對(duì)模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析，獲得不同方案下凍結(jié)200d后井筒開挖至厚黏土層位時(shí)井幫溫度、凍結(jié)壁平均溫度、有效厚度等特征參數(shù)變化對(duì)比情況，見表4所示。

凍結(jié)管偏斜對(duì)內(nèi)外圈之間主面與界面位置土體溫度影響較大，但對(duì)內(nèi)圈孔內(nèi)側(cè)特別是井幫位置土體，以及外圈孔外側(cè)土體溫度影響較小。凍結(jié)管偏斜條件下，主面與界面井幫位置溫度分別為-9.64、-9.46 ℃，沿環(huán)向井幫平均溫度為-9.6 ℃，與凍結(jié)管無偏斜時(shí)-9.8 ℃，差別不大，表明凍結(jié)管偏斜對(duì)井幫溫度影響較小；而模型試驗(yàn)結(jié)果井幫平均溫度較低，為-12.3 ℃，這主要是由于模型中心采用厚鋼筒代替井壁，減少了中心部分土體吸收冷量所引起的。

凍結(jié)壁平均溫度在凍結(jié)管無偏斜、隨機(jī)偏斜條件下分別為-19.6、-18.9 ℃，表明凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁平均溫度影響較大；模型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果較低，為-20.76 ℃，與井幫溫度偏低受影響原因一致。以-1 ℃為邊界，得出凍結(jié)壁有效厚度在凍結(jié)管無偏斜、隨機(jī)偏斜條件下分別為10.3、10.1m，二者差異較?。荒Ｐ驮囼?yàn)計(jì)算結(jié)果較小，為9.8m，主要是由于試驗(yàn)時(shí)外圈孔外側(cè)土體僅0.25m厚，受室內(nèi)大氣對(duì)流影響較大，導(dǎo)致凍結(jié)壁外邊緣離外圈孔較近。

表4 井幫溫度、凍結(jié)壁有效厚度及平均溫度對(duì)比

4 結(jié) 論

本文以某凍結(jié)井筒為原型，開展了室內(nèi)多圈管凍結(jié)模型試驗(yàn)，同時(shí)借助有限元軟件對(duì)凍結(jié)管無偏斜、隨機(jī)偏斜條件下凍結(jié)壁溫度場發(fā)展性狀進(jìn)行了分析比較，得到以下結(jié)論：

1)多圈管凍結(jié)時(shí)，由于各圈凍結(jié)孔環(huán)向及徑向交圈時(shí)間不同，凍結(jié)壁厚度呈跳躍性增長趨勢(shì)，且在凍結(jié)壁形成過程時(shí)，各圈之間容易產(chǎn)生密閉未凍承壓水倉。

2)凍結(jié)壁沿環(huán)向擴(kuò)展速率受凍結(jié)管布置圈徑影響較小，但凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁交圈時(shí)間影響很大；而凍結(jié)壁交圈與否是井筒能否開挖的直接依據(jù)，因此在凍結(jié)造孔時(shí)，要嚴(yán)格控制凍結(jié)管偏斜。

3)凍結(jié)管偏斜對(duì)井幫溫度、凍結(jié)壁有效厚度影響較小，但對(duì)徑向方向凍結(jié)壁平均溫度影響較大，而凍結(jié)壁強(qiáng)度受溫度影響較大，因此沿徑向方向凍結(jié)壁強(qiáng)度不一，多圈管凍結(jié)條件下形成的凍結(jié)壁屬于非均質(zhì)材料。

4)凍結(jié)管偏斜容易使凍結(jié)壁內(nèi)部產(chǎn)生更多的密閉未凍承壓水倉，引起凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹力增大，降低該區(qū)域凍結(jié)壁強(qiáng)度，對(duì)凍結(jié)壁整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

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Multi-circle-tube frozen wall temperature field development and deviation pipes influence

CHENJunhao1，XIAHongbing2，LIDongwei3

(1. College of Civil Engineering∥ Fujian Key Laboratory of Civil Engineering New Technology and Informationzation, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China；2. Research Center of Mine Underground Engineering of the Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China；3. China Cold and Arid Regions Environment and Engineering Research Institute, Lanzhou 730000, China)

It is well known that artificial multi-circle-tube freezing method could provide better experiences on shaft excavation in deep stratum. For further researching on evolution of the thermal field, the analogy model simulation was carried on, and the temperature field characteristics in frozen wall without freezing tube deviation were analyzed as well as it in random deviation of freezing tube. Comparing the results, it was concluded that the radius of the circular distribution of freezing tube poses slight effects on the annular expanding velocity of the frozen wall, and freezing tube deviation has minor influences on the temperature distribution of the shaft wall and the effective thickness of the frozen wall as well. It has important impacts on the time of frozen wall circle-crossing in different positions and the average temperature distribution in radial direction. In addition, it could result more enclosed confined water storage within the inner of the frozen wall, thereby increasing the heave force inside the frozen wall with negative effects on the stability of the frozen wall. As a result, the freezing tube deviation should be controlled strictly as drilling freezing holes.

multi-circle-tube; frozen wall; temperature field; model test; deviation pipes

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.04.010

2016-02-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51504070);福建省教育廳中青年教師教育科研資助項(xiàng)目(JA15353)；福建工程學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(GY-Z15004)

陳軍浩(1986年生)，男;研究方向：巖土與地下工程、凍土力學(xué)與工程;E-mail:chjhtougao@163.com

TD262

A

0529-6579(2016)04-0056-07