德國工程師 F. H. Poetsch 于 1883 年開發了人工地層凍結（artificial ground freezing，簡稱 AGF）法，用于應對比利時煤礦內滲水問題。這種方法在 19 世紀晚期首次獲到認可，時至今日，AGF 雖然與最初的形式相比并無太多變化，但仍然具有非常高的應用價值。我們可以利用仿真分析來開發一種更加有效的 AGF 方法。

什么是人工地層凍結法？

人工地層凍結是一項通過地下管道運送人工制冷劑的施工技術。制冷劑在管道中循環時，熱量會從地面排出，使管道周圍開始結冰，進而導致土壤凍結。也就是說，這個過程將土壤水分轉化為了冰。一旦土壤凍結，就會變得更堅固（有時堅硬如混凝土），具有更強的防水性能。這樣的土壤能夠為相關的基礎設施提供有效的支撐，尤其是那些復雜的大型基礎設施。

為了保證 AGF 法產生效果，我們需要了解系統內部的溫度分布。對于發生在 AGF 中的物理過程，最突出的是伴隨相變的瞬態傳熱現象。此外，相變和地下水流之間的關系——尤其是當流速較大時——也是一個重要的考慮因素。這些因素影響著凍結壁的形成，從而影響
AGF 法的強度和可靠性。

為了研究 AGF 法，河海大學的一組研究人員采用了 COMSOL Multiphysics? 軟件。他們的案例研究涉及使用 AGF 法加固中國廣州地鐵區間隧道入口處的土壤。

模擬人工地層凍結法和地下水流

在這個案例中，凍結液是在整個管道系統中循環流動的 -30oC 鹽水。地下溫度逐漸降低，直至孔隙水凍結，形成凍結壁。凍結區的形成物由泥砂組成，地下水流方向主要為水平方向，且與隧道的軸向保持垂直。

為了簡化飽和含水層中的熱傳遞建模，研究人員使用了基于溫度場和流場耦合的二維模型。模型的長度和高度均為 20 米，如下圖所示?？梢钥吹?，圖中包含五個監測點。監測的目的是對比溫度的計算結果與現場 實測數據，借此驗證模型的準確性。

此分析作出了如下假設：

• 冰不能移動，介質不能變形
• 含水層完全飽和，總孔隙率保持不變
• 由溶質濃度引起的凝固點降低可忽略不計

根據凍結區之前的溫度監測數據，初始地面溫度為 15° C。下圖顯示了不同熱觀測孔的初始溫度。

凍結系統的冷卻源是凍結管的側壁。側壁溫度的變化對系統的內部溫度分布影響最大。他們將主管道的溫度監測值用作側壁估算溫度的近似值。下圖顯示了經過 40 天的監測后，主管道側壁溫度的擬合函數和曲線。

通過現場測試，得知地下水流的流速為 0.2 米/天，并計算出上游和下游之間的水頭差為 0.8 米。

下面來研究結果。首先觀察一段時間內的溫度分布和滲透系數之間的關系。在溫度方面，隨著凍結時間的增加，凍結管道的低溫主要向下游擴散，對上游的影響較小。滲透系數的計算結果可以表現凍結壁的形成過程，說明了頂、底部凍結壁的形成速度比上、下游凍結壁的形成速度更快。請注意，凍結壁在 35 天后完全閉合。

在比較凍結壁的閉合和流速時，研究人員發現隨流速增大，閉合時間呈非線性增加。當流速大于 1.5 米/天時，閉合時間會顯著增加。通過比較所有方向的平均壁厚和相對流速，他們發現流速對上游壁厚度的影響最為顯著。

模型的成功驗證為中國廣州地鐵隧道工程提供了指導。研究人員下一步計劃繼續開發這一模型，希望將它用作優化 AGF 法的實際應用的資源。