摘要:目前對于人工凍結法的研究主要集中在地下水滲流對凍結效果的影響，未考慮地下水含鹽量的影響，對地下水含鹽量對凍結效果的影響機制認識不深入。含鹽量將會影響地下水的熱力學性質，在近海地層和海底進行臨時地層凍結加固時，高含鹽量地下水將會影響地層凍結效果。基于熱流耦合模型，采用COMSOL多場耦合分析軟件對雙管凍結條件下高含鹽量地下水凍結機理展開研究，重點分析凍結溫度場、凍結交圈、凍結管間距對凍結效果的影響。研究表明：當地下水含鹽量高于4%時，下游的凍結范圍受地下水含鹽量增加的影響較大。隨著地下水含鹽量的增加，凍結前期用時較長，積極凍結階段用時逐漸縮短;當凍結壁完全交圈并凍結完全時，凍結壁中心位置處溫度隨地下水含鹽量的提高而有所升高;凍結管間距的增加將會放大地下水含鹽量對凍結的影響。

　　關　鍵　詞：含鹽量;人工凍結;耦合分析;溫度場;凍結壁

　　隨著我國經濟發展及海洋發展戰略的提出，近海地區地下空間及海底開發也進入一個新的階段，在進行跨海隧道和海底隧道施工時，常會遇到海水侵入、涌砂等現象，針對施工環境極其復雜的情況，為提供穩定可靠的開挖工作面和保證正常施工，可采用人工凍結法[1-2]進行處理。人工凍結法是通過人工冷源凍結地層中的水，使之形成具有一定強度的凍結壁以抵御地層水土壓力的臨時加固方法。諸多學者對地下水滲流作用對凍結溫度場的影響進行了探索[3-8]。凍結壁能有效地阻隔地下水和維持地層平衡，因此在城市地下空間建設中得到了大量的應用[9-12]。隨著跨海隧道工程的興起，人工凍結法也被逐漸應用至跨海隧道工程中。

　　環境論文投稿刊物：《冰川凍土》(雙月刊)創刊于1979年，由中國地理學會、中國科學院寒區旱區環境與工程研究所主辦。本刊的學科定位：研究主要包括：冰、雪、凍土(含人工凍土)的性質、過程及其控制;冰凍圈的資源與環境;冰凍圈各組分的動態變化及相互作用;冰凍圈與大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和人類活動之間的相互作用。

　　日本東京灣橫斷道路橫穿東京灣海底隧道、東京灣燃氣中央干線隧道、伊勢灣橫穿燃氣隧道和川崎人工河北段隧道等近十幾項工程均采用了人工凍結法對地層進行加固處理[13-15]。我國港珠澳大橋拱北隧道段利用人工凍結技術進行管幕間止水[16]。某海底盾構隧道在進行穿越時通過采用人工凍結技術形成高強度凍土墻，順利解決涌水流沙等問題，保證了盾構順利推進[17]。與城市凍結施工不同，在海洋環境或近海岸環境凍結施工將會面臨較高海水含鹽量問題。蘇文德[18]在總結我國首條海底地鐵隧道人工凍結法施工中指出，在海底環境中實施人工凍結法應考慮地下水含鹽量對凍結效果的影響。我國東南沿海部分地區地下水含鹽量為1%~5%，海水平均含鹽量為3.5%~5.0%，會對施工產生較大影響[19-21]。

　　較高含鹽量的地下水及海水熱力學性質與淡水的明顯差異，這無疑會影響凍結效果。而目前已有研究主要集中于分析地下水滲流速度對人工凍結的影響，忽視了地下水含鹽量差異對凍結效果的影響。因此，開展高含鹽量地下水凍結法凍結機理研究，探明其對凍結效果的影響具有重要的現實意義。為了探究含鹽量工況下人工凍結的凍結規律，采用COMSOL多場耦合軟件對雙管凍結進行研究，重點分析凍結壁厚度、凍結交圈時間及凍結溫度場分布規律。相關研究可為高含鹽量地層凍結施工提供理論和技術支持。

　　1人工凍結過程熱-流耦合計算模型

　　在人工凍結過程中，熱-流耦合是凍結實施的關鍵。當地層土體溫度下降到冰點以下時，孔隙中的自由水開始凍結，由此產生的冰晶堵塞了地下水流動的原始孔隙通道。同時，由于對流的存在，地下水流場的變化也會反過來影響土體的傳熱。特別是水-冰相變將導致土體物理性質的微小變化。基于上述耦合機理，分別建立了地下水流場和凍結溫度場的控制方程，從而確立了該問題的數學模型。通過COMSOL多場耦合軟件建模可對該熱流耦合問題進行數值求解。基本假設如下：(1)假定含水層完全飽和，總孔隙率保持不變;(2)假定溶質含量引起的凝固點降低可以忽略不計;(3)假定土體的性質不隨溫度的改變而發生變化。

　　2數值模型

　　基于以上控制方程，利用COMSOL多場耦合軟件計算考慮不同地下水含鹽量對雙管凍結效果的影響。幾何尺寸為20m×20m的土層區域，凍結管半徑為0.073m，管距l=0.5m。考慮初始地層溫度為5℃，地下水滲流從一側流入，另一側流出，滲流速度為5m/d。假定土層為砂層。在考慮地下水含鹽量時，選取含鹽量(即地下水中鹽的質量分數，下文中提到的含鹽量均指鹽的質量分數)分別為0、1%、2%、3%、4%、5%和6%的梯度，通過查閱氯堿工業理化常數手冊[22]得到不同含鹽量的熱力學參數。

　　3計算結果分析

　　為準確分析地下水含鹽量對雙管凍結溫度場發展的影響規律，選取經過凍結管連線中點的路徑Z進行分析。

　　3.1　凍結壁發展規律凍結壁是指在相鄰的兩個凍結管之間，每個凍結管產生的凍結體由中心向外擴散直至相交形成的凍結整體。凍結壁是人工凍結法施工中關注的重點。圖3為凍結144h時的溫度場分布，圖中橫軸和縱軸均為距離模型邊界的位置。由圖3可見，凍結形成的凍結壁呈非對稱性，上游凍結壁較薄，下游凍結壁較厚，這主要是由于滲流的影響，與前人的研究結果基本一致[23]。隨著含鹽量的逐漸增加，上下游的凍結壁厚度都有所減小，凍結壁中心的溫度也逐漸升高。上游凍結壁厚度受含鹽量的影響較小，主要受滲流速度的影響。這是因為當地層水流經過凍結壁后，流速有所減小，此時地層水的凝固點成為影響凍結效果的主要因素。

　　4結　語

　　采用COMSOL多場耦合軟件對雙管凍結下的溫度場進行分析，研究不同含鹽量對凍結規律和凍結效果的影響，得出以下主要結論：(1)當地下水含鹽量低于4%時，下游的凍結范圍受地下水含鹽量增加的影響較小，當地下水含鹽量高于4%時，下游凍結范圍受地下水含鹽量增加的影響較大。相較于下游凍結壁厚度，上游凍結壁厚度明顯較小。(2)隨著地層水含鹽量的增加，凍結前期的時間逐漸增大，凍結壁溫度也逐漸升高。積極凍結階段用時逐漸減小，在凍結壁完成交圈后，會在一定的時間內凍結完全。

　　(3)當凍結壁完全交圈并凍結完全時，中點處的溫度也存在一定差異，隨著地層水含鹽量的提高，最終凍結溫度逐漸升高。(4)凍結管間距的增大會放大地層水含鹽量對凍結范圍的影響，在較高含鹽量地層可能造成凍結壁無法交圈的現象。

　　參　考　文　獻：

　　余占奎,黃宏偉,王如路,等.人工凍結技術在上海地鐵施工中的應用[J].冰川凍土，2005，27(4)：550-556.(YUZhankui,HUANGHongwei,WANGRulu,etal.ApplicationoftheartificiallygroundfreezingmethodtoShanghaimetroengineering[J].JournalofGlaciologyandGeocryology,2005,27(4):550-556.(inChinese))

　　[1]陳維健,周曉敏,喬衛國.大水流地層條件下井筒凍結壁動態監控理論和技術[J].煤炭學報，2008，33(9)：1006-1010.(CHENWeijian,ZHOUXiaomin,QIAOWeiguo.Monitoringtheoryandtechnologyoffreezewallinshaftsinkingofheavyseepageground[J].JournalofChinaCoalSociety,2008,33(9):1006-1010.(inChinese))[2]楊平,皮愛如.高流速地下水流地層凍結壁形成的研究[J].巖土工程學報，2001，23(2)

　　作者：葉超1，李忠超1,2,3，梁榮柱1，肖銘釗2，蔡兵華2，吳文兵1