基于差异冻结技术的深厚冲积层三维冻结温度场数值计算分析

为了探究人工地层冻结(artificial ground freezing, AGF)多圈管冻结壁温度场分布与发展规律,以淮北青东煤矿东风井为工程背景,利用现场实测数据和COMSOL Multiphysics软件建立三维冻结温度场数值计算模型,分析了立井井筒所在土层在差异冻结技术下的冻结温度场时空演化规律。研究结果表明:在对比分析中三圈管相较两圈管冻结扩展速度较快,相同的冻结时间下,冻结壁平均温度要低0.73~3.32℃·d^(-1),有效厚度增加0.38 m;砂土层相同冻结时间的条件下冻结壁平均温度要比黏土层低0.94~1.50℃,有效厚度增加0.21 m。冻结井筒计算范围内,径向温度场呈现出圈管之间温度低,圈管两侧温度较高的“马鞍型”分布;在土体深度方向,不同土性的土层温度梯度较为明显,具体表现为三圈管以及细砂层位温度更低,30 d左右Ⅱ层土体(三圈管砂土层)降温速率达到最大,约为1.12℃·d^(-1),首先完成土体降温阶段进入冻结壁交圈和拓展阶段,此时其他土层仍处于土体降温阶段。“长短腿”冻结管布置形式既可以提高井筒开挖的时间,缩短工期;又可以防止深部冻土入荒径过多,降低开挖难度,节约工程成本。采用差异冻结的方式,开机冻结30 d,去路盐水温度降至-30℃后维持该温度循环制冷盐水,使得该冻结工程取得了圆满成功。此研究可以为类似矿井冻结施工提供一定的参考。

钱塘江底地铁联络通道双侧发散布孔的冻结温度场实测

钱塘江底地层富含气及动水,会明显影响江底联络通道冻结施工的温度场演变过程和分布特征。为解决该问题,通过对位于钱塘江底的杭州地铁6号线某联络通道冻结工程进行现场监测,研究冻结施工中不同位置地层温度的演变过程,分析停冻后冻结管内的温度变化特征,获得地层中含气及地下水流动对联络通道冻结温度场的影响规律。1)双侧发散布孔时,冻土向内平均发展速度是向外的1.47倍,而停冻6 h后外排和内排冻结管内的温度分别回升5℃和10℃;2)地层中囊状气泡削弱了冻结管向周围土体的冷量传递过程,从而明显影响冻结效果,冻结过程中气泡位置的温度比冻结管终端位置偏高8~18.4℃;3)地下水流动也会影响地层中的冷量分布,冻结57 d时冻结壁上、下游对应位置冻结管内温度相差8℃,而停冻6 h后相应位置的冻结管内温度分别回升了5℃和2℃。研究结果表明:双侧隧道内发散布孔方式可以有效解决含气及动水地层中影响联络通道冻结施工的问题,而地层中囊状气泡和地下水流动都会明显影响冻结温度场的分布特征。

富水砂层斜井明挖段三维冻结温度场时空演化规律研究

为解决冻结斜井明挖段施工过程中,斜井冻结温度场难以准确预测导致开挖时间及速度无法确定的工程难题,以升富煤矿冻结斜井明挖段为研究对象,基于实测地层特性及冻结孔布置参数,采用COMSOL Multiphysics有限元软件,构建三维冻结温度场数值计算模型,对冻结斜井明挖段施工期间温度场的时空演化规律进行数值计算预测分析。计算结果表明:在相同冻结时间条件下,细砂层冻结壁平均温度比中砂层低0.28~2.39℃,细砂层冻结壁有效厚度比中砂层厚0.36~0.59 m。在持续冻结88 d后,明挖段冻结壁平均温度低于-12℃,且不同层位的侧帮冻结壁厚度均能达到4 m以上,底板处的冻结壁厚度均达到5 m以上,满足设计开挖需求。在开挖期间,井帮位置暴露的土体存在“热流侵蚀”现象,但在快速开挖施工的条件下,冻结壁的有效厚度并未减小且冻结壁平均温度仍处于-10℃以下,因此开挖过程中不会发生大范围的冻结壁“软化”现象。基于预测结果,制定了现场开挖方案,由现场实测数据可知,在开挖过程中测点及井帮温度出现轻微波动,但整体温度发展趋势较为稳定,表明施工期间冻结壁是安全稳定的。研究成果可为斜井冻结法凿井的安全施工及优化设计提供参考。

越江泥水平衡盾构仓内水平冻结温度场研究

人工冻结技术可以短期提升地层稳定性并隔绝地下水,是在江底构建临时盾构检修环境的有效方法,而已有研究成果尚无法对冻结施工过程的评价提供参考。依托南京市新济洲越江供水廊道工程,研究了盾构泥水仓内形成冻土过程中温度分布特征及影响规律。结果表明:通过盾构工作面的接力换热装置,可将地面低温盐水以较小循环压力输入冻结管,从而降低冻结管内盐水渗漏风险,在稳定冻结阶段工作面盐水温度较地面温度偏高约2.5℃;施工过程中冻结管端头温度的变化过程基本一致,但受到冻结管周围地层吸热能力差别的影响,间距较大位置的冻结管端头温度偏高约1℃;盾构结构钢材导热性能和散热系数的差别会影响冷量传递过程,造成盾构刀盘周围位置的冻土温度偏低3℃左右,而盾构面板的散热导致相应位置的冻土温度偏高约4℃;在水平冻结管最大布置间距3.12 m的条件下,冻结80 d时可将盾构泥水仓全部冻实,从而具备打开盾构泥水仓进行盾构应急检修的施工条件。

冷媒温度和渗流速度对富水砂层冻结温度场的影响规律研究

针对天津地区地铁隧道施工中存在富水砂层等复杂水文地质条件下的冻结问题,通过室内模型试验和数值模拟的结合,研究了冷媒温度和渗流速度对砂土冻结温度场、交圈时间和冻结壁发展的影响。研究结果表明:随着冷媒温度降低,冻结管附近的温度梯度越陡,冻结壁也变得更厚。渗流存在时,渗流水将冷量从上游带到下游,阻碍了冻结壁在上游方向的发展,同时在一定程度上推动了冻结壁在下游方向的发展,导致冻结壁厚度不均匀。最终,冻结壁的形状从静水时的圆形发展为心形。在实际工程中,采用注浆等手段减缓渗流速度,并降低冷媒温度,可缩短交圈时间,确保冻结进程顺利进行。

基于方程分析法的土体冻结温度场相似准则研究

方程分析法主要用于解决可以转化为方程式或方程组的问题,其核心思想是将问题中的条件或关系转化为数学表达式,再通过解这个方程找到答案,其推得的相似准则具有明确的物理意义,逻辑严谨,因此被广泛应用。文章利用方程分析法中的相似转换法、相似定数法和积分类比法,结合是否考虑热参数变化受温度影响下的土体冻结温度场模型,分别建立了相似准则,给出了详细的推导过程,并分析了三种方法的异同点,为进一步研究土体温度场模型试验的相似性提供了理论支持。结果表明,对比考虑和不考虑热参数变化的模型,在相同推导方法下得到的相似准则数量存在差异;不考虑热参数随温度变化的温度场相似准则数少于考虑热参数的相似准则数,且具体数量和形式与热参数关于温度的函数有关。

冻结管偏斜对煤矿井冻结温度场发展影响

通过某矿实测和数值模拟对比研究冻结管有无偏斜时三圈管冻结温度场发展过程,结果表明:冻结管无偏斜时冻结锋面扩展速度较为一致,冻结管偏斜时冻结锋面扩展速度不均匀,形成大小不一的未冻承压水仓,冻结壁交圈时间推迟一至两周;测温孔温度和冻结壁平均温度实测与模拟值随时间的变化趋势基本一致,冻结管偏斜对冻结壁平均温度和有效厚度影响较小,对井帮环向温度影响较大。

钱营孜矿新副井冻结温度场监测与分析

为了探究钱营孜矿新副井冻结过程中温度场演变情况,文章采用相关有限元软件对-50.20m细砂层的温度场进行了模拟、预测。根据模拟的结果绘制了相应的温度场负温区域图,与实测冻结温度场的结果进行了对比分析,ANSYS软件模拟的结果与实测结果吻合,从而为今后的冻结法施工提供了宝贵的建议。

富水软土地层联络通道冻结温度场分布规律

为探究富水软土地层联络通道在冻结施工期间的土体温度场变化情况,以杭州至绍兴城际铁路工程某联络通道为例,运用现场实测和数值模拟方法,对联络通道的温度场分布和冻结壁厚度进行研究。结果表明:受管片散热及冻结管倾斜布置作用,冻结壁厚度随深度增加将呈现先持续增大,再小幅减小,最后归于平缓的趋势,当深度为2.192 m时,冻结壁厚度最大,当深度大于6.640 m时,冻结壁厚度趋于稳定;联络通道冻结区域土体可划分为散热影响段、冻结管布置影响段和冻结稳定段;隔热材料优化敷设方式和优化管片结构形式有效提升了靠近隧道管片端土体的冻结效果,使喇叭口位置的冻结壁厚度增加约53.8%。

地铁盾构洞门水泥土加固垂直冻结温度场分析

文章以南通地铁某盾构洞门接收水泥土冻结加固为例,通过工程实测与数值模拟,参照前人粉砂土层热物理实验结果,分析了水泥掺量对粉砂地层水泥土加固冻结温度场的影响。结果表明,水泥土加固的水泥掺量越大,冻结初期降温越快,但水泥掺量对最终的冻结壁厚度和冻结壁平均温度影响较小。研究结果以期为类似的工程实践提供指导和借鉴。

冻结法凿井冻结温度场的数值反演与模拟

考虑了冻结孔的实际偏斜状况,提出了基于平面有限元模型的冻结温度场数值反演及模拟方法.介绍了模型的基本特征、计算参数及数值反演、模拟的基本步骤.由于能够模拟冻结孔的实际分布状况及冻结管外表面的温度下降过程,并且以土性参数的反演为前提,因而该模型能够以较高的精度模拟冻结温度场的发展过程.通过某冻结温度场的数值模拟实例验证了该方法的可行性,并对影响数值模拟结果的主要因素进行了分析.

深部高承压水地层裂隙岩体冻结温度场实测研究

通过深部高承压水地层冻结法凿井现场实测,获得矿井裂隙岩体各个层位测温孔的温度和盐水去回路干管温度变化规律.结果表明:测温孔实测温度在冻结初期呈线性下降规律;当温度继续降低到岩石的结冰温度以后,降温速率逐步增加;当冻结帷幕达到设计温度时,实测温度变化趋于平缓;外圈管外侧测温孔降温速率最慢,两圈管之间位置的测温孔降温速率最快;位于不同位置不同层位的测温孔降温速率不一致,其中位于92 m深度的卵石层(C1~#测温孔)降温速率为0.54℃·d^(-1),位于209 m深度的砂质泥岩(C3~#测温孔)降温速率为0.9℃·d^(-1);根据实测温度可以预测地层形成冻结帷幕的交圈时间、厚度、平均温度等冻结设计参数.深部裂隙岩体冻结温度实测资料对指导冻结帷幕设计与施工具有重要实践意义.

某矿井冻结温度场的数值模拟

冻结法凿井中 ,冻结壁厚度设计、冻结方案优化是关键问题。然而 ,随着冻结深度的加大 ,单圈孔冻结方案往往不能同时满足工期和冻结壁安全的要求。文章通过对单圈孔和主、辅双圈孔冻结方案冻结壁瞬态温度场的数值模拟 ,研究了冻结温度场的扩展与分布规律 ,并进行冻结方案的优化。

地下水流速对冻结温度场影响的试验研究

人工冻结地层(砂层)中,地下水流速对冻结温度场分布规律的影响非常大,为此,自行研制了一套监测地下水不同流速对冻结温度场影响的试验装置系统,该系统由地下水渗流系统、冻结系统和温度监测系统三大子系统组成。单管冻结的试验结果表明:在地下水(流速为5 m/d)作用下,上游距离冻结中心越近位置,温度梯度越大,下游的温度梯度较平缓;与冻结中心等距位置,下游的温度明显低于上游,表明上游的冷量被水带到下游。冻结15 d时,无流速情况下,冻结发展速度较快,形成一个半径约580 mm的冻结圆柱,而5 m/d的流速时,冻结发展速度较慢,并且下游的冻结发展速度比上游的快,与无流速时相比,上游形成的冻结厚度减少了22.4%,下游减少了5.2%。三管冻结的试验结果表明:当流速由5 m/d增大10 m/d时,冻结15 d时,冻结区域的面积仅减少了7.1%,由此可见,冻结管的"群管效应"可以有效减小水流对冻结区域的不利影响,可为大流速的地下水作用下的冻结管布置方案的优化设计提供参考。

基于分布式光纤传感技术的冻结温度场监测系统

分析冻结法凿井施工采用分布式光纤温度传感器进行温度场监测的可行性,给出了基于分布式光纤温度传感器的冻结温度场监测系统的组成、原理和光缆布设方案。通过与传统的单总线温度传感系统数据对比,其具有测量温度值准确,数据量大,系统稳定性高,布设更加方便等优点。

多圈管冻结温度场特征分析及工程应用

多圈管冻结工法已在深厚地层井筒掘砌中广泛应用,但对多圈管冻结温度场需进一步深入研究.以某冻结井筒为原型,对关键层位开展冻结管无偏斜条件下的冻结温度场模型试验、进行冻结管偏斜条件下的温度场数值计算,同时利用温度场信息可视化软件对现场实测结果进行分析.将三种测试手段获得的结果进行比较,得出冻结管偏斜对冻结壁有效厚度影响较小,但对冻结壁平均温度、冻结壁交圈时间影响都很大,且容易在冻结壁内部产生密闭未冻承压水仓,造成冻胀力聚集,对冻结壁整体稳定性及井筒开挖不利.其结果可为多圈管冻结法凿井设计与施工提供参考.

考虑多地层相变的地铁联络通道三维冻结温度场数值模拟

地铁联络通道冻结法施工地层一般为多地层,各地层相变潜热具有差异性,尤其是富水卵砾石层差异较大,目前分析普遍考虑单一地层或极少数地层相变潜热,难以反映真实情况。依托南宁地铁联络通道冻结法施工工程,建立三维瞬态导热模型,并考虑多地层相变潜热,对联络通道的冻结温度场进行探究。结果表明,积极冻结约20 d,冻结圆柱逐渐增加并开始交圈;冻结43.22 d后,冻结帷幕的平均温度下降至-10℃以下。现场温度实测值与数值模拟结果温降趋势基本一致,与模型试验相差较远。

富水砂卵石地层联络通道人工冻结温度场分析

为研究冻结法在富水砂卵石地层条件下的适应性以及冻结设计方案的合理性,对成都地铁10号线区间联络通道冻结加固过程进行了数值模拟分析。分析结果表明:积极冻结过程中盐水循环温度、测温孔以及卸压孔各项数据正常;冻结开始后10~35 d是冻结壁成型的主要时期,40 d时冻结壁厚度达到设计要求;各测温孔温度在0~5 d时下降速度快,之后降速减缓,在40 d时各测温孔平均温度降至-10℃。数值模拟结果与现场监测数据吻合较好,表明采用数值模拟方法研究冻结温度场可行,现场的冻结设计方案合理。

考虑冻结管影响范围的多管冻结温度场研究

冻结法施工中,冻结管的布置间距往往大于单管冻结锋面半径,且考虑到冻结管影响范围有限,为增强冻结温度场计算的准确性,基于势函数叠加原理,推导双管冻结叠加稳态温度场的计算公式,并将其周期化得到单排等距多管稳态温度场。结合依托工程的地层参数,通过数值模拟对推导公式进行验证。研究表明:1)考虑相邻冻结管叠加影响范围有限性的双管稳态温度场计算公式能较准确地预测出一般冻结期内的温度分布规律;2)在双管温度叠加区内,冻结管连线中点为中垂线温度的最低点,且随着冻结管间距的减小,该点温度不断下降,但中垂线上冻结壁厚度并不改变;3)随着冻结壁厚度的增加,双管稳态温度场接近加强单管稳态温度场。

煤矿井壁冻结温度场监测系统

根据分布式光纤温度监测系统的工作原理,分析其应用于冻结壁温度场监测的可行性,对冻结壁温度场监测系统的组成、监测数据的处理和光缆布设方案进行研究,设计的分布式光纤煤矿井壁冻结温度场监测系统实现了0.5m的连续测温空间分辨率,温度分辨率为0.1℃,并应用于冻结壁温度场的温度监测。与传统的单总线温度传感测温系统的测温数据对比,其具有测量温度值准确、数据量大、系统稳定性高和布设更加方便等优点。