方形與圓形凍結(jié)管單管凍結(jié)溫度場數(shù)值對比分析

胡俊 劉勇 李玉萍

摘要：為解決現(xiàn)有凍結(jié)管單管凍結(jié)能力不強致使增加循環(huán)冷媒介質(zhì)用量和施工機械能耗的問題，可將傳統(tǒng)圓形截面設計成方形截面。對方形凍結(jié)管的截面形式和施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對方形凍結(jié)管單管凍結(jié)時的溫度場發(fā)展規(guī)律進行研究，主要得出：與傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管相比，方形凍結(jié)管可在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結(jié)能力；雖然方形凍結(jié)管為非圓形截面，但其凍土帷幕溫度場也是以凍結(jié)管中心為圓心呈同心圓分布；在靠近凍結(jié)管200mm內(nèi)，方形凍結(jié)管比圓形凍結(jié)管制冷效果好；在距凍結(jié)管300mm以外，兩種凍結(jié)管降溫過程基本一致。

關鍵詞：方形凍結(jié)管；單管凍結(jié)；凍結(jié)法；溫度場；數(shù)值模擬

中圖分類號：U 445.55⁺5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005x（2015）04-0152-06

人工凍結(jié)技術目前在城市地下工程建設中的應用越來越多，它是通過在地層中插入凍結(jié)管，在凍結(jié)管中通低溫冷媒介質(zhì)，將土體中的水結(jié)成冰，形成凍土帷幕，在凍土帷幕的支護下開挖修筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其不受支護深度和范圍的限制，是城市地下工程建設中非常重要的一個輔助工法。傳統(tǒng)的凍結(jié)管均為形狀單一的圓形管，致使單管凍結(jié)能力不強，極大地增加了循環(huán)冷媒介質(zhì)用量和施工機械能耗。

為了解決現(xiàn)有的凍結(jié)管單管凍結(jié)能力不強，致使極大地增加了循環(huán)冷媒介質(zhì)用量和施工機械能耗的問題，將傳統(tǒng)圓形截面設計成異形截面，可解決上述問題。異形截面可以有多種形式，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。本文對方形凍結(jié)管的截面形式和施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對方形截面凍結(jié)管單管凍結(jié)時的溫度場發(fā)展規(guī)律進行研究，同時與傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管單管凍結(jié)時的溫度場進行對比分析，論證采用方形凍結(jié)管施工的可行性，對今后類似工程設計具有一定的指導作用。

1 方形凍結(jié)管簡介

1.1 截面形狀

方形凍結(jié)管是利用一種正方形截面的凍結(jié)管外壁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形外壁，凍結(jié)管外壁在地層中形成方形空腔，在其中心部位放入供液管，同時在凍結(jié)管頭部設置回液管，冷媒介質(zhì)從供液管流入，經(jīng)回液管流出，如此循環(huán)在地層中形成凍土帷幕，如圖1所示。凍結(jié)管材質(zhì)通常為無縫低碳鋼管，也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管。與傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管技術相比，方形凍結(jié)管具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結(jié)能力，從而提高性價比，具有較大的推廣應用價值。

1.2 施工工藝

1.2.1 施工準備

（1）要求提前供水、供電到施工場地附近，并清理隧道及施工場地，保證施工通行順暢。

（2）按不同位置的凍結(jié)孔鉆進要求，用1.5"鋼管搭建凍結(jié)孔施工腳手架，安裝鉆孔施工升降平臺。

（3）施工設備進場。由于現(xiàn)場對施工影響大，應合理安排施工設備運抵安裝地點的時間順序。

1.2.2 凍結(jié)鉆孔施工

（1）依據(jù)施工基準點，按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔?？孜黄畈粦笥?00mm。

（2）水平鉆孔使用MD-60A型鉆機，垂直鉆孔選用GXY-1型鉆機鉆進。水平鉆孔前要安裝孔口管及孔口密封裝置。當?shù)谝粋€孔開通后，沒有涌水涌砂可繼續(xù)鉆進，但以后鉆孔仍要裝孔口裝置，以防突發(fā)涌水涌砂現(xiàn)象出現(xiàn)；若涌水涌砂較厲害，還應注水泥漿（或雙液漿）止水。

（3）為了保證鉆進精度，開孔段是關鍵。鉆進前5m時，要反復校核鉆桿垂直度，調(diào)整鉆機位置，并采用減壓鉆進，檢測偏斜無問題后方可繼續(xù)鉆進。

（4）凍結(jié)管下入孔內(nèi)前要先配管，保證凍結(jié)管同心度。焊接時，焊縫要飽滿，保證凍結(jié)管有足夠強度，以免拔管時凍結(jié)管斷裂。下好凍結(jié)管后，采用經(jīng)緯儀燈光測斜法檢測，然后復測凍結(jié)孔深度，并進行打壓試漏。

（5）試壓不合格的凍結(jié)管必須進行處理達到密封要求后方可使用?？芍鸶嶝變?nèi)管，并用泥漿泵對逐個焊縫打壓，找出泄漏焊縫及原因，及時處理，并作好記錄，二次下入后仍須自檢。

（6）在凍結(jié)管內(nèi)下入供液管。供液管底端連接150mm長的支架，φ12mm鋼筋焊接。然后安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。

（7）凍結(jié)管安裝完畢后，用木塞等堵住管口，以免異物掉進凍結(jié)管。

（8）測溫孔施工方法與凍結(jié)管相同。

方形凍結(jié)管凍結(jié)施工工藝流程如圖2所示。

2 溫度場數(shù)值模型的建立

2.1 計算基本假定

假定土層具有均勻的初始溫度場，初始溫度取18℃（一般地層10m以下恒溫帶溫度為15～20℃）；土層為一層，視為均質(zhì)、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到凍結(jié)管管壁上；忽略水分遷移的影響；為方便計算及考慮不利情況，所有土層參數(shù)取傳熱最不利的粉質(zhì)黏土層。

2.2 計算模型和參數(shù)選取

本文建立二維溫度場數(shù)值模型，選取了9節(jié)點網(wǎng)格劃分格式，網(wǎng)格劃分后的計算模型如圖3所示。

模型尺寸為：粉質(zhì)黏土層邊界為半徑1m的半圓面，中心處圓形凍結(jié)管直徑為100mm，方形凍結(jié)管邊長為100mm，凍結(jié)影響區(qū)域經(jīng)試算未超過該范圍。

模型的材料參數(shù)見表l，依據(jù)為相關報告及試驗。模型中粉質(zhì)黏土層材料采用熱傳導單元，各向同性，熱傳導率與時間相關，比熱容為常數(shù)。

凍結(jié)前地層初始溫度取18℃，并在整體模型邊界面上保持不變。鹽水溫度作為邊界荷載加在凍結(jié)管管壁上，其降溫計劃見表2。根據(jù)降溫計劃，取凍結(jié)時間步為40d，每步時間長為24h。采用帶相變的瞬態(tài)導熱模型。

2.3 研究路徑

為了更好地研究方形凍結(jié)管單管凍土帷幕的溫度場發(fā)展與分布規(guī)律，分別設置了2條路徑和在路徑上的18個分析點，如圖3所示。路徑1和路徑2分別設置在水平和與水平方向夾角45°的方向，每隔100mm設置一分析點；方形凍結(jié)管水平方向分析點為1～9號，夾角45°的方向分析點為10—18號，圓形凍結(jié)管與之對應，水平方向分析點為1'～9'號，夾角45°的方向分析點為10'～18'號。

3 溫度場計算結(jié)果與分析

3.1 凍土帷幕溫度場等值線

不同凍結(jié)時間溫度場計算結(jié)果如圖4所示。由此可以看出，在凍結(jié)初期，雖然方形凍結(jié)管為非圓形截面，但是其凍土帷幕溫度也是以凍結(jié)管為圓心呈同心圓分布，離凍結(jié)管越近溫度越低。隨著凍結(jié)時間的增加，凍土帷幕厚度逐漸增加，到凍結(jié)20d時，兩種凍結(jié)管的-10℃圓形凍土帷幕半徑發(fā)展為300mm。到了凍結(jié)40d時，兩種凍結(jié)管的-10℃圓形凍土帷幕半徑達到400mm。兩種凍結(jié)管凍土帷幕溫度場發(fā)展過程幾乎一致。

3.2 路徑分析

（1）路徑1。路徑1設置在水平方向，每隔100 mm設置—分析點；方形凍結(jié)管為1～9號分析點，圓形凍結(jié)管與之對應，為l'～9'號分析點，其溫度隨時間變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，方形凍結(jié)管1、2號分析點的溫度比圓形凍結(jié)管的低1～3℃，說明在靠近凍結(jié)管200mm范圍內(nèi)，方形凍結(jié)管比圓形凍結(jié)管降溫陜，方形凍結(jié)管制冷效果更好。在距凍結(jié)管300mm以外，兩種凍結(jié)管的降溫過程基本—致。

路徑1上各點不同時間的溫度空間分布曲線如圖6所示。可以看出，兩種凍結(jié)管路徑1上不同時間的溫度都是離凍結(jié)管越近溫度越低；降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計劃所決定；凍結(jié)40d時各點溫度低于O℃；在靠近凍結(jié)管200mm范圍內(nèi)，方形凍結(jié)管比圓形凍結(jié)管降溫快。

（2）路徑2。路徑2設置在與水平夾角45°的方向，每隔100mm設置一分析點；方形凍結(jié)管為10～18號分析點，圓形凍結(jié)管與之對應，為10'～18'號分析點。兩種凍結(jié)管路徑2上各點溫度隨時間變化曲線如圖7所示，不同時間的溫度空間分布曲線如圖8所示?？梢钥闯?，與路徑1相似，在靠近凍結(jié)管200mm范圍內(nèi)，方形凍結(jié)管比圓形凍結(jié)管降溫快，方形凍結(jié)管制冷效果更好；在距凍結(jié)管300mm以外，兩種凍結(jié)管的降溫過程基本一致。

4 結(jié)束語

本文對方形凍結(jié)管的截面形式和施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對方形截面凍結(jié)管單管凍結(jié)時的溫度場發(fā)展規(guī)律進行研究，同時與傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管單管凍結(jié)時的溫度場進行對比分析，主要得出：

（1）與傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管技術相比，方形凍結(jié)管具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結(jié)能力，從而提高性價比。

（2）從溫度場云圖可知，對于非圓形截面的方形凍結(jié)管，其凍土帷幕溫度場也是以凍結(jié)管為圓心呈同心圓分布，離凍結(jié)管越近溫度越低；兩種凍結(jié)管凍土帷幕溫度場發(fā)展過程幾乎一致。

（3）在靠近凍結(jié)管200mm范圍內(nèi)，方形凍結(jié)管比圓形凍結(jié)管降溫快，方形凍結(jié)管制冷效果更好；在距凍結(jié)管300mm以外，兩種凍結(jié)管的降溫過程基本一致。