CN111927463B - 一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法，所述方法包括：获取地下水渗流速度及土体等效导热系数；依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距；依据一个或多个冻结管间距布置多排管冻结工程中的冻结管。根据本发明的技术方案，通过确定冻结管合理间距，对多排管冻结的布置施工做出指导，合理控制冻结管数量，加快多排管冻结的整体冻结过程，减少资源的浪费，同时降低施工的难度。

Description

一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法
技术领域
本发明涉及人工冻结技术领域，具体涉及一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法。
背景技术
人工冻结技术是指采用人工制冷的方法将天然岩土体变为冻土，增加其强度与稳定性并隔绝地下水的技术，由于其适应性强、安全可靠、对环境污染小等优点已经在矿山、市政领域得到了广泛的应用。在现代城市建设中，随着开挖深度的增大，施工环境越发复杂，地下水渗流问题越来越无法回避，由此根据不同的工程需求专家学者提出了不同的冻结管布置方式。在传统煤矿立井施工中，井筒周边布置冻结管形成冻结壁；在地铁联络隧道施工中，近水平倾斜的冻结管被用来在两隧道之间隔绝地下水，形成冻结区间，为施工提供便利。在地铁车站建设中，使用多排管冻结作为地铁PBA车站底部大范围冻结止水的一种方法；
发明内容
本发明实施例提供一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法，用于确定冻结管合理间距，对多排管冻结的布置施工做出指导。
发明人对多排管冻结过程的众多因素进行研究，在具体工程的冻结设计过程中，在工程可以控制的范围内，对次要因素做出规定，分析主要因素对冻结效果的影响，发明人创造性地发现，针对具体的冻结工程，包括地下水渗流速度在内的环境因素已经被确定，人工冻结过程中可以控制的只有冻结管的间距与冻结管壁面(冷媒)温度，因此，当人为控制冻结管壁面温度低于指定温度，忽略地层温度的影响，冻结的效果主要由冻结管间距、土体等效导热系数、地下水渗流速度3个因素决定。对于多排管冻结设计就变为根据地下水渗流速度和土体等效导热系数来设计冻结管间距的问题。地下水渗流速度、冻结管间距、土体等效导热系数3个因素对冻结的作用效果彼此独立，并且根据试验结果，因素作用均呈单调变化。因此，如果以这3个因素构成一个决定冻结效果的冻结因素空间坐标系，在其中会存在一个有效冻结边界面，边界面下方的点都可以作为边界条件在多排管冻结时发生有效的群孔冻结现象，形成覆盖一定冻结管的大规模冻结。进一步地，发明人对多排管冻结在地下水渗流条件下的群孔效应进行分析，发现在冻结过程中，首排冻结管在冻结发展过程中相对滞后，其与已冻结区域冻结相连的过程大大延长整个冻结区域的交圈时间，在实际工程中对首排冻结管进行局部加密可以加快多排管冻结的整体冻结过程。发明人基于上述发现，从而完成本发明。
因而，本发明实施例提供了一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法，所述方法包括：
获取地下水渗流速度及土体等效导热系数；
依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距；
依据一个或多个冻结管间距布置多排管冻结工程中的冻结管。
优选地，所述函数关系为：所述冻结管间距、所述地下水渗流速度及所述土体等效导热系数之间满足线性函数关系。
优选地，所述依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距，具体为根据公式D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c，计算得到所述冻结管间距的上限值Dmax并选取所述一个或多个冻结管间距D；
其中：D是多排管冻结工程中布置的冻结管间距，单位米；
λ是土体等效导热系数，单位瓦/米度；
v是地下水渗流速度，单位米/天；
α是土体等效导热系数的权重；
β是地下水渗流速度的权重；
c是常数。
进一步地，当期望冻结区域至少覆盖60％的冻结管时，所述公式D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c,具体为D≤Dmax且
Figure BDA0002603550900000021
进一步地，当期望冻结区域覆盖全部冻结管时，所述公式D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c,具体为D≤Dmax且
Figure BDA0002603550900000022
进一步地，所述土体等效导热系数的权重α的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000023
所述地下水渗流速度的权重β的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000031
所述常数c的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000032
进一步地，冻结管布置的行间距或列间距的数值是所述一个或多个冻结管间距。
进一步地，多排管冻结工程中的冻结管为均匀布置。
进一步地，对多排管冻结工程中的最外圈冻结管加密布置，内部冻结管均匀布置。
进一步地，所述最外圈冻结管加密布置的管间距为所述内部冻结管均匀布置的管间距的n倍，其中，n为间距调整系数，取值范围为0<n≤1.0。
区别于现有技术，上述技术方案具有如下有益效果：
根据本发明的上述技术方案，通过对多排管冻结过程中影响因素的分析，建立概化规律公式，在具体工程的冻结设计过程中，根据公式计算合理的管间距，对多排管冻结的布置施工做出指导，达到合理控制冻结管数量，加快多排管冻结的整体冻结过程，减少资源的浪费，同时降低施工的难度的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例在多排管冻结工程中的冻结管布置方法的流程图；
图2为本发明实施例三个主要冻结因素的空间坐标系示意图；
图3为本发明实施例三个主要冻结因素的极限位置坐标示意图；
图4为本发明实施例有效冻结边界面的示意图；
图5为本发明实施例最外圈冻结管加密布置示意图；
图6为本发明实施例多排管冻结方案的多排管冻结剖面图示意图；
图7为本发明实施例多排管冻结方案的多排管冻结平面示意图；
图8为本发明实施例模拟分析冻结锋面半径时的多排管冻结模型示意图；
图9为本发明实施例模拟分析冻结锋面半径时的冻结锋面半径变化对比趋势图；
图10为本发明实施例渗流条件下10排冻结管冻结5天温度场分布示意图；
图11为本发明实施例渗流条件下10排冻结管冻结8天温度场分布示意图；
图12为本发明实施例渗流条件下10排冻结管冻结10天温度场分布示意图；
图13为本发明实施例渗流条件下10排冻结管冻结15天温度场分布示意图；
图14为本发明实施例渗流条件下10排冻结管冻结25天温度场分布示意图；
图15为本发明实施例渗流条件下10排冻结管冻结40天温度场分布示意图；
图16为本发明实施例渗流条件下多排管冷量扩散示意图；
图17为本发明实施例多排管冻结速度场示意图；
图18为本发明实施例渗流速度对冻结交圈过程的影响趋势图；
图19为本发明实施例变渗流速度冻结过程特性曲线；
图20为本发明实施例土体等效导热系数对冻结交圈过程的影响趋势图；
图21为本发明实施例变等效导热系数冻结过程特性曲线；
图22为本发明实施例冻结管间距对冻结交圈过程的影响趋势图；
图23为本发明实施例变冻结管间距冻结过程特性曲线；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法，其特征在于，所述方法包括：
101、获取地下水渗流速度及土体等效导热系数；
102、依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距；
103、依据一个或多个冻结管间距布置多排管冻结工程中的冻结管。
多排管的冻结过程影响因素众多。在具体工程的冻结设计过程中，需要在工程可以控制的范围内，对次要因素做出规定，分析主要因素对冻结效果的作用，以建立概化规律公式，对多排管冻结的布置施工做出指导。
根据分析，针对具体的冻结工程，包括地下水渗流速度在内的环境因素已经被确定，人工冻结过程中可以控制的只有冻结管的间距与冻结管壁面(冷媒)温度。因此，当人为控制冻结管壁面温度低于指定温度，忽略地层温度的影响，冻结的效果主要由冻结管间距、土体等效导热系数、地下水渗流速度3个因素决定。对于多排管冻结，冻结设计就变为根据地下水渗流速度和土体等效导热系数来设计冻结管间距的问题。
为了方便说明，说明书及说明书附图中出现的渗流速度等同于地下水渗流速度，导热系数等同于土体等效导热系数，管间距等同于冻结管间距。
地下水渗流速度、冻结管间距、土体等效导热系数3个因素对冻结的作用效果彼此独立，并且根据试验结果，因素作用均呈单调变化。因此，对于冻结效果，存在以下函数关系：
f＝f(x,y,z)＝f(渗流速度、导热系数、管间距)
所以，若由上述3个关键因素构成一个三维冻结因素空间，如图2所示，空间内的每一个点代表某种工程条件下最终的冻结效果。则在(渗流速度、导热系数、管间距)空间内必定存在一个有效冻结边界面，边界面下方的点都可以作为边界条件在多排管冻结时发生群孔冻结现象，形成覆盖一定冻结管的大规模冻结。
因此，在具体的冻结工程中，工程技术人员执行步骤101、通过实地勘测、室内试验等技术手段获得地下水渗流速度和土体等效导热系数；再执行步骤102、根据建立的概化规律公式获得冻结管间距；最后执行步骤103、根据获得的冻结管间距完成冻结工程中的冻结管布置。从而达到对多排管冻结的布置施工做出指导，达到合理控制冻结管数量，加快多排管冻结的整体冻结过程，减少资源的浪费，同时降低施工的难度的有益效果。
优选地，所述函数关系为：所述冻结管间距、所述地下水渗流速度及所述土体等效导热系数之间满足线性函数关系。
优选地，所述依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距，具体为根据公式D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c，计算得到所述冻结管间距的上限值Dmax并选取所述一个或多个冻结管间距D；
其中：D是多排管冻结工程中布置的冻结管间距，单位米；
λ是土体等效导热系数，单位瓦/米度；
v是地下水渗流速度，单位米/天；
α是土体等效导热系数的权重；
β是地下水渗流速度的权重；
c是常数。
其中，单位米对应的字符格式的单位为m；
单位瓦/米度对应的字符格式的单位为W/mK；
单位米/天对应的字符格式的单位为m/d。
在上述冻结因素空间坐标系内，上述有效冻结边界面跟坐标轴形成3个交点，每一个交点都是代表一种极限状态。根据3点确定一个平面的原则，当确定有效冻结边界面与坐标轴形成3个交点坐标，即可通过坐标确定平面方程，经整理后，得到公式：D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c，从而得到冻结管间距确定方法。
因此，在具体的冻结工程中，工程技术人员在获得了地下水渗流速度和土体等效导热系数后，将其带入公式D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c，即可计算出合理的冻结管间距范围，进而根据具体冻结工程的成本、工期、施工现场环境等约束条件，在上述合理的冻结管间距范围内，选择合理的冻结管间距，完成冻结管的布置。
进一步地，当期望冻结区域至少覆盖60％的冻结管时，所述公式D≤Dmax且Dmax＝αλ+βv+c,具体为D≤Dmax且
Figure BDA0002603550900000061
进一步地，当期望冻结区域覆盖全部冻结管时，所述公式D≤Dmax且Dmax＝aλ+βv+c,具体为D≤Dmax且
Figure BDA0002603550900000062
进一步地，所述土体等效导热系数的权重a的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000063
所述地下水渗流速度的权重β的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000064
所述常数c的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000065
在具体工程中，由于冻结工期的限制比如工期相对较短，或者由于施工环境因素的限制比如地下水渗流速度比较大，导致在工期内无法达到冻结全部冻结管的状态，所以本发明提供了期望冻结区域至少覆盖60％的冻结管时的冻结管间距计算公式、期望冻结区域覆盖全部的冻结管时的冻结管间距计算公式以及冻结区域在上述60％到全部之间时，对应的权重参数和常数的取值范围。以便工程技术人员可以根据具体工程需求自行选择使用。
在具体工程中，地下水渗流速度、冻结管间距、土体导热系数3种因素的变化区间为：
表1关键因素变化区间
Figure BDA0002603550900000066
如图3所示，3个极限位置的坐标分别是：①冻结管间距最小(D＝1m)，土体导热系数最大(λ＝2.2W/m K)时，能够发生有效冻结的最大渗流速度；②渗流速度最小(静水，v＝0m/d)，冻结管间距最小(D＝1m)时的土体最小导热系数；③渗流速度最小(静水，v＝0m/d)，土体导热系数最大(λ＝2.2W/m K)时的土体最大间距。其中原点坐标为(0，2.2，1)。
工程技术人员可以根据两种情况确定极限坐标的位置，进而确定土体等效导热系数的权重a、地下水渗流速度的权重β、常数c的取值范围；也可以在具体的多排管冻结工程中，根据需要直接使用以下两种情况下的公式计算冻结管间距，指导多排管冻结的布置施工。
第一种情况是选择的参数所形成的冻结区域，能够至少覆盖60％的冻结管。
根据室内试验及现场勘测得到地下水渗流速度及土体导热系数后，采用数值模拟的方法建立了三维模型，模拟在不同渗流速度以及不同冻结管间距条件下，多排管冻结的整体发展过程，记录不同排的冻结管的冻结时间与次序，建立渗流速度、土体导热系数、冻结管间距之间的关系，并根据数值模拟的结果，得到x＝6,y＝1,z＝3。
则3个极限位置坐标分别为：
表2极限位置坐标(A)
坐标轴 ① ② ③
x(渗流速度) 6 0 0
y(导热系数) 2.2 1.0 2.2
z(冻结管间距) 1.0 1.0 3.0
如图4，根据极限位置坐标，可以得到有效冻结边界面的方程为：
Figure BDA0002603550900000071
当确定地下水渗流速度及土体等效导热系数后，可以得到设计间距：
Figure BDA0002603550900000072
其中，冻结管间距单位是m，土体等效导热系数单位是W/m K，渗流速度单位为m/d。此时，
Figure BDA0002603550900000073
第二种情况是选择的参数所形成的冻结区域，能够覆盖全部的冻结管。
根据室内试验及现场勘测得到地下水渗流速度及土体导热系数后，采用数值模拟的方法建立了三维模型，模拟在不同渗流速度以及不同冻结管间距条件下，多排管冻结的整体发展过程，记录不同排的冻结管的冻结时间与次序，建立渗流速度、土体导热系数、冻结管间距之间的关系，并根据数值模拟的结果，得到x＝2.5,y＝1.4,z＝2。
则3个极限位置坐标分别为：
表3极限位置坐标(B)
坐标轴 ① ② ③
x(渗流速度) 2.5 0 0
y(导热系数) 2.2 1.4 2.2
z(冻结管间距) 1.0 1.0 2.0
根据极限位置坐标，可以得到有效冻结边界面的方程：
Figure BDA0002603550900000081
当确定地下水渗流速度及土体等效导热系数后，可以得到设计间距：
Figure BDA0002603550900000082
其中，冻结管间距单位是m，土体等效导热系数单位是W/m K，渗流速度单位为m/d。
此时，
Figure BDA0002603550900000083
所以，根据两种情况下计算得到的权重和常数，可得到权重和常数的取值范围是：
Figure BDA0002603550900000084
进一步地，冻结管布置的行间距或列间距的数值是所述一个或多个冻结管间距。
进一步地，多排管冻结工程中的冻结管为均匀布置。
在具体的冻结工程中，根据地下水渗流速度、冻结管间距、土体等效导热系数三者的关系计算得到合理的冻结管间距范围后，根据具体冻结工程的现场环境因素及其他技术指标，在合理的冻结管间距范围内分别选择冻结管的行间距和列间距的数值；根据具体冻结工程的需求，行间距与列间距的数值可以相同，也可以不同。
进一步地，对多排管冻结工程中的最外圈冻结管加密布置，内部冻结管均匀布置。
进一步地，所述最外圈冻结管加密布置的管间距为所述内部冻结管均匀布置的管间距的n倍，其中，n为间距调整系数，取值范围为0<n≤1.0。
根据分析，首排冻结管的交圈相对滞后，其交圈时间常常会严重延长整个多排管的交圈过程，对首排冻结管进行局部加密可以加快多排管冻结的整体冻结过程。而实际工程中常常无法判断地下水渗流的具体方向，为了合理控制冻结管数量，减少资源的浪费，同时降低施工的难度，对多排管布置的最外一圈冻结管进行加密，根据不同的工程条件，提出间距调整系数n，对最外圈冻结管的间距进行调整。加密布置的方法如图5所示。根据数值模拟结果，间距调整系数n主要与地下水的渗流速度有关，地下水渗流速度越大，间距调整系数n越小，最外圈冻结管的间距越小。间距调整系数的选取可以根据表4。
表4间距调整系数选取方法
Figure BDA0002603550900000091
综上所述，冻结设计采取整体均匀布置、边缘局部加密的排布方式，即根据地下水渗流速度和土体等效导热系数来设计冻结管间距，同时为减小冻结区域交圈前后时间跨度大的问题，对整个冻结区域的最外圈冻结管进行加密，最终达到匀速形成有效冻结区的目的。
本发明实施例上述技术方案具有如下有益效果：通过对多排管冻结过程中影响因素的分析，建立概化规律公式，在具体工程的冻结设计过程中，根据公式计算合理的管间距，对多排管冻结的布置施工做出指导，合理控制冻结管数量，减少资源的浪费，同时降低施工的难度。
为了更加清楚、完整的对本发明创造进行说明，下面对发明人在发明创造过程中的实验和分析进行介绍。
在传统煤矿立井施工中，井筒周边布置冻结管形成冻结壁；在地铁联络隧道施工中，近水平倾斜的冻结管被用来在两隧道之间隔绝地下水，形成冻结区间，为施工提供便利。
多排管冻结与以往在采矿及市政工程领域所使用的冻结方法有所不同。如图6和图7所示，多排管冻结是由多排规则布置的竖向冻结管局部冻结形成大面积的水平冻结板结构，所形成的水平冻结体与其上冻结管形成一个类似“板梳”形状。这与以往在采矿及市政工程领域所采用的单管、双管、单排和双排冻结管等情形下的冻结规律尚有较大区别，大面积水平冻结板的成形及影响规律尚未得到清楚揭示。发明人对砂卵石地层中渗流条件下多排管冻结的发展规律做了深入研究，以便建立将多排管冻结运用到实际工程中的理论指导。
人工冻结问题包含了相变、移动边界等物理过程，而渗流条件下的人工冻结更是一个涉及温度场和渗流场的多场耦合问题。针对砂卵石地层的人工冻结过程，数值模拟中所涉及到的材料热力学参数见表5。
表5数值模拟材料热力学参数
Figure BDA0002603550900000092
发明人对多排管冻结的群孔效应进行了研究，群孔效应是指多排管冻结时，不同冻结管的降温作用相互叠加加强的现象。静水条件下群孔效应表现为单管冻结锋面半径的扩大；渗流条件下群孔效应表现为冻结由背水面向迎水面渐进式发展的现象。人工冻结过程受到环境因素的影响，而多排管冻结的发展在受到环境影响的同时，也会改变环境因素而进一步影响冻结的发展，最终整体表现出双非线性关系。此外，地下水的流动会带动冷量的迁移，使冻结问题更加复杂。因此，发明人分别对静水和渗水条件下的群孔效应进行分析。
发明人对静水条件下群孔效应进行了分析。如图8所示，发明人通过数值模拟软件建立冻结管间距为2m时的多排管冻结分析模型，分别分析了在静水条件下多排管中一根管与单一冻结管的冻结锋面半径随时间的变化规律，如图9所示。
从图9中可以看出，在单一冻结管的冻结过程中，其冻结锋面半径经过初期的快速发展后逐渐稳定在一个定值，此工况下形成的冻土柱与周围环境达到了热平衡，冻结锋面半径为0.45m；对于多排管冻结过程中的一根管，在冻结的初始阶段，冻土柱的发展距离相邻冻结管较远，冻结过程与单管冻结非常相似，随着冻结的发展冻土柱不断扩大，与之相邻的冻结土柱也在不断扩大，在此过程中，周围冻土柱的扩大降低了环境温度，在一定程度上促进冻结的发展，此后冻土柱的半径迅速扩大，最终相邻的冻土柱相连。在多排管的冻结过程中，当相邻冻结管的冻土柱彼此相连时可以认为相邻的冻结管发生了交圈，对于整个多排管，当全部的冻结管冻土柱相连时，则认为多排管冻结交圈。
通过对比发现，在静水条件下单一冻结管冻结稳定时的锋面半径(0.45m)远小于多排管间距的一半(1m)，二者的不同点在于，对于组成多排管的每一根管，其冻结过程都会受到周围冻结管降温作用叠加而加强。因此，静水条件下群孔效应表现为单管冻结锋面半径的扩大，加速了多排管整体交圈过程。
发明人对渗流条件下群孔效应进行了分析。针对渗流条件下多排管冻结的成型与发展规律，建立了渗流条件(0.5m/d)下的5行10排间距为2m的多排冻结管阵列，冻结约40d后达到稳定状态后，作为整体的多排冻结管交圈，各阶段的温度场分布如图10～图15所示。
如图10、图11所示，从温度场分布图中可以看出，冻结开始的前8d，每行冻结管几乎沿着水流方向平行发展，并且同行冻结相连。每根管外的冻结区域在渗流方向上逐渐增大，如图16所示。可以认为，在冻结交圈前每根管周围的冻结区域都是其上游所有冻结管冷量降温作用的叠加。若将每根管外冻结区域在垂直渗流方向的最外侧一点依次相连，就能得到每根冻结管受到的上游冻结管的冷量补给范围，从多排管的冻结形态来看，每根冻结管的冷量以一定角度向外传递。
随着冻结的发展，在某一排冻结管中相邻两管的冷量扩散范围会彼此相交重叠。后排冻结管由此发生局部的冻结相连。在所建模型中，冻结发展至10d时后排冻结管交圈。
冻结发展至15d时，冻结整体表现出由背水面向迎水面方向发展的趋势，直到所有冻结管交圈。原因在于下游冻结管交圈之后，影响了冻结区域的渗流场，如图17(15d,v＝0.5m/d)所示，在已经冻结区域的迎水面出现了一定范围的减速区，如图中0.4m/d等速线，从而促进了相应区域的冻结发展。
冻结交圈后，冻结核心区域温度随着冻结过程逐渐降低。冻结过程中发现，首排冻结管在冻结发展过程中相对滞后(冻结25d)，其与已冻结区域冻结相连的过程大大延长整个冻结区域的交圈时间，在实际工程中对首排冻结管进行局部加密以加快多排管冻结的整体冻结过程。
冻结稳定后的温度场如图15所示，零温线环绕冻结区域一周在背水面形成凸起，等温线在迎水面变化急剧，在背水面相对平缓，与渗流条件下的单管冻结温度场分布相似，核心冻结区域的最低温度在-25℃左右。
在渗流条件下,上游冻结管的冷量会随着渗流经过下游，降低了下游冻结管的环境温度，从而促进了下游冻结管的冻结，在排数足够多的情况下，下游冻结管会首先交圈；下游冻结管交圈后会在一定程度上减小了流经上游冻结管的渗流速度，促进了其冻结发展，冻结最终表现出由背水面向迎水面渐进式发展的现象。
综上所述，群孔效应是指多排管冻结时，不同冻结管降温作用相互叠加加强的现象。降温作用的叠加促进了冻结效果的改变，整体冻结的发展并非多个单管冻结过程的简单复制，而是作为一个整体表现出有异于单管冻结的现象。
发明人对多排管冻结群孔效应的因素进行了分析，在复杂的工程环境下，人为布置的冻结管能否有效达到封水目的，合理分析多排管冻结的影响因素显得十分重要。工程条件下，冻结管外温度场分布复杂，影响因素众多，且受到地下水渗流的影响，每排管周围的环境温度、流速均不相同。总体来说，冻结发展受到外部因素和内部因素共同作用。外部因素即地下水的渗流方向、地下水渗流速度、拟冻结区域的大小、环境温度等环境因素以及地层导热性能；内部因素即冻结管壁面温度、冻结管间距等。
因素分析过程中，由于近地表的地层温度不随室外大气温度的变化而变化，常年维持在17℃左右；同时冻结管壁面温度在人工冻结的过程中采用循环冷媒的方法进行控制，工程中常选用-30℃的低温盐水作为冷媒，这一因素在实际冻结过程中能够较好的控制。因此，从工程实用性方面考虑，环境温度及冻结管壁面温度对冻结过程影响暂不做分析。因素分析主要考虑了以下几个因素：
(1)地下水渗流速度。地下水渗流速度是影响冻结发展的主要因素，多地出台的地铁联络通道冻结相关规范都规定了最大渗流速度。根据工程资料所选取的渗流速度范围是0m/d～6m/d。
(2)土体等效导热系数。导热系数是影响土体导热率的重要参数，冻结过程中，多孔介质的导热系数可以表示为土骨架-水等混合体的等效导热系数Kef，即：
Figure BDA0002603550900000121
式中：Kef为多孔介质的等效导热系数；
Figure BDA0002603550900000122
为多孔介质的孔隙率；KL为水的导热系数；KS为土骨架的导热系数。因为砂卵石土块的导热系数约为2.2W/(m K)，因此研究过程中选择的多孔介质等效导热系数区间取1.0～2.2W/(m K)。
(3)冻结管间距。较小的冻结管间距可以加快冻结速度，较大的间距则可以节约能源，在同时考虑冻结效率与节约能源的基础上，所选择的冻结管间距为1.0～3.0m。
在因素分析过程中选择一组典型参数，并在此基础上改变参数水平进行单因素分析，所选择的典型参数如表6所示，单因素的各试验水平见表7。
表6多排管冻结典型参数
Figure BDA0002603550900000123
表7单因素试验水平表
Figure BDA0002603550900000124
发明人分析了地下水渗流速度对群孔效应影响，地下水的流动会带动冷量的迁移，从而对冻结过程造成影响。如图18为地下水渗流速度对冻结交圈过程的影响。根据前面的分析，冻结会从背水面向迎水面渐进式发展，每一排冻结管会陆续与已冻结的区域相连。图18中横坐标为自迎水面起冻结管所在的排数；纵坐标为特定排冻结管的冻结交圈时间。
从图18中可以看出，静水条件下，整个多排管约在1.3d后交圈，随着渗流速度的升高，多排管的整体冻结交圈时间增长，并且当渗流速度超过2m/d时，首排冻结管无法与主体冻结区域交圈。渗流速度对冻结交圈过程影响明显，当渗流速度为1m/d时，多排管整体交圈的时间为2.2d，当渗流速度到达最高6m/d时，冻结交圈至第2排冻结管时，所用时间约为22d。不仅如此，在模拟过程中发现，当流速过快导致多排管的首排无法交圈时，第二排首尾两根冻结管将是整个冻结区域最后交圈的位置。
同时可以发现，在每一个因素水平下，都存在某一排特定的冻结管，该排冻结管与其下游全部冻结管几乎在同一时间发生交圈，随后冻结继续向迎水面发展，最终所有冻结管交圈。工程中，基于节约能量与缩短工期的原则，施工时关注的重点不应是将整个冻结过程延长的首排冻结管的交圈时间，而应该是在合理时间内能够发生冻结的绝大多数冻结管。因此，将不同因素水平下冻结管发生首次局部冻结的时间叫做特征冻结交圈时间，此时发生局部冻结的排数叫做特征冻结排数。
如图19为变渗流速度条件下多排管冻结的特征冻结交圈时间及特征冻结排数。从图中可以看出，当渗流速度为1m/d时，特征冻结交圈时间约为1.4d，而当渗流速度增大到6m/d时，特征冻结交圈时间为2.4d。当渗流速度超过2m/d后，首排冻结管不再与主体冻结区域交圈，且第二排的冻结交圈时间与前一排交圈时间跨度很大。模拟过程中特征冻结排数在静水条件下位全部冻结管，渗流速度为1m/d时为8排，随着速度的增大特征冻结排数明显减少，当间距为6m/d时整体冻结排数为2排。
发明人对土体等效导热系数对群孔效应的影响进行了分析，导热系数决定了冷量在土体中传递的快慢，对于某特定土体条件下的人工冻结，孔隙率会在一定程度上影响土体等效导热系数。图20为不同土体等效导热系数时多排管冻结发展历程。
从图20中可以看出，在土体等效导热系数改变的情况下，多排冻结管均发生了整体交圈，说明等效导热系数只会影响冻结的快慢发展，而不会影响多排管冻结的局部可冻性。通过对比可以看出，随着等效导热系数的减小，多排管整体冻结交圈所需要的时间增长，首排与第二排之间交圈的时间跨度逐渐增大。但是从冻结交圈天数来看，等效导热系数对冻结过程的影响要比冻结管间距及渗流速度的影响小。图21为改变等效导热系数的条件下多排管冻结的特征冻结交圈时间及特征冻结排数。
从图21中可以看出，多排管冻结的特征冻结交圈时间随着土体等效导热系数的增大而逐渐减小，当等效导热系数是1.0W/(m K)时，特征冻结交圈时间为3d，而当等效导热系数是2.2W/(m K)时，特征冻结交圈时间为1.4d；多排管的特征冻结排数当等效导热系数是1.0W/(m K)时仅为2排，而当等效导热系数是2.2W/(m K)时是8排。
发明人分析了冻结管间距对群孔效应的影响，多排管的冻结间距包括行距和排距，为了简化分析要素，假定行距与排距相等，统称为冻结管间距。冻结管的间距对多排数值管冻结的影响明显，合理的间距可以有效节约冻结需要的冷量。图22为不同冻结管间距时多排管冻结发展过程。
从图22中可以看出，随着冻结管间距的增大，多排管的整体冻结时间显著增长，并且可交圈的冻结管排数在减少。冻结管间距为1.0m时，全部多排管几乎在同一时间交圈；冻结管间距为1.5m时，尽管全部冻结管可以最终交圈，首排与主体冻结区域交圈的时间跨度很大；冻结管间距为2.0m时，首排冻结管不再与主体冻结区域交圈，且第二排的冻结交圈时间与前一排交圈时间跨度很大；当冻结管间距为3.0m时，无法交圈的冻结管多达5排。另外在模拟过程中发现，当冻结管间距为2.0m时，首排冻结管中除首尾两根冻结管外，其余冻结管可与主体冻结区域发生交圈，整个冻结区域的迎水面角部冻结管是最后发生交圈的部位。
图23为变冻结管间距条件下多排管冻结的特征冻结交圈时间及特征冻结排数。从图中可以看出，当冻结管间距为1.0m时，特征冻结交圈时间为1.4d，随着冻结管间距的增大初始冻结时间明显增加，当冻结管间距为2.0m和3.0m时，特征冻结交圈时间分别为9d和35d，由此可见，冻结管间距对初始冻结时间的影响要比地下水渗流速度更明显。模拟过程中特征冻结排数在间距为1m时为8排，随着间距的增大排数逐渐减小，当间距为3m时整体冻结排数为2排。
从模拟结果来看，渗流速度越小、冻结管间距越小、土体等效导热系数越大，多排管冻结发展越快。特征冻结交圈时间描述了冻结过程中下游多排冻结管同时交圈现象，多因素中冻结管间距对其影响最大，其次是渗流速度。
综上，发明人基于上述实验和分析，从而完成本发明。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。
基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在多排管冻结工程中的冻结管布置方法，其特征在于，所述方法包括：
获取地下水渗流速度及土体等效导热系数；
依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距；
依据一个或多个冻结管间距布置多排管冻结工程中的冻结管；
其中，所述函数关系为：所述冻结管间距、所述地下水渗流速度及所述土体等效导热系数之间满足线性函数关系；
所述依据冻结管间距、地下水渗流速度及土体等效导热系数之间的函数关系，计算获得一个或多个冻结管间距，具体为根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，计算得到所述冻结管间距的上限值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
并选取所述一个或多个冻结管间距
Figure DEST_PATH_IMAGE006
;
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
是多排管冻结工程中布置的冻结管间距，单位米；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是土体等效导热系数，单位瓦/米度；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是地下水渗流速度，单位米/天；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
是土体等效导热系数的权重；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
是地下水渗流速度的权重；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当期望冻结区域至少覆盖60%的冻结管时，所述公式
Figure DEST_PATH_IMAGE020
,具体为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当期望冻结区域覆盖全部冻结管时，所述公式
Figure DEST_PATH_IMAGE024
,具体为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，
所述土体等效导热系数的权重
Figure DEST_PATH_IMAGE028
的取值范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
,
所述地下水渗流速度的权重
Figure DEST_PATH_IMAGE032
的取值范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
,
所述常数
Figure DEST_PATH_IMAGE036
的取值范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
。
5.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，冻结管布置的行间距或列间距的数值是所述一个或多个冻结管间距。
6.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，多排管冻结工程中的冻结管为均匀布置。
7.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，对多排管冻结工程中的最外圈冻结管加密布置，内部冻结管均匀布置。
8.依据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述最外圈冻结管加密布置的管间距为所述内部冻结管均匀布置的管间距的
Figure DEST_PATH_IMAGE040
倍，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为间距调整系数，取值范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
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