一种大流速地下水作用下冻结法凿井冻结孔布置方法与流程

本发明属于竖井隧道施工领域，具体涉及一种大流速地下水作用下冻结法凿井冻结孔布置方法。

背景技术：

在竖井冻结法的施工过程中，冻结孔的布置方式一般为：按等距离布置在与掘进井筒(巷道)同心的圆周上，且同一冻结孔布置圈上的低温冷媒的控制温度相同。在无流动的地下水的施工环境中，这种布置方案可以保证形成的冻结壁的强度比较均匀；当遇到流速较大的地下水作用时，往往会通过整体加密、或者整体降低低温冷媒的温度、或者增加冻结壁孔的布置圈数的方法来对原有的冻结方案进行优化，采用上述优化方式的冻结孔布置方案可以达到让冻结壁顺利交圈的目的。但实际上，水流对冻结管布置圈径上不同位置的冻结效果的影响程度不同，研究表明，位于水流上游的冻结管形成的冻结壁的交圈时间要迟于位于水流下游的冻结管，而下游的冻结管的交圈时间迟于两侧的冻结管，如果通过整体加密、或者整体降低低温冷媒的温度、或者增加冻结壁孔的布置圈数的方法会造成冷量的浪费，且无法形成均匀的冻结壁，对后期的掘砌施工增加了难度。

因此，在生产和实践中，为了应对流速较大的地下水对冻结壁形成带来的不利影响，需要一种新式的冻结孔优化布置方式，既可以加快冻结孔的交圈时间，又可以保证形成的冻结壁强度比较均匀，并且可以避免能源的浪费。

技术实现要素：

本发明提供一种大流速地下水作用下冻结法凿井冻结孔布置方法，该方法包括：对水流上游部分的主力冻结孔进行加密，或同时增加辅助冻结孔、并控制不同区域的低温冷媒的温度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大流速地下水作用下冻结法凿井冻结孔布置方法，包括：对水流上游部分的优化区域内的主力冻结孔进行加密至原来数量的1～2倍，并将低温冷媒温度降低0～6℃。

在优选的实施方式中，对水流上游部分的优化区域内的主力冻结孔进行加密至原来数量1.3～1.7倍，更优选为增加1～2个主力冻结孔；优选将低温冷媒温度降低1～4℃。

在优选的实施方式中，多个所述主力冻结孔组成主力冻结孔布置圈，在所述主力冻结孔的周边设置辅助冻结孔；所述辅助冻结孔与所述主力冻结孔布置圈的最外圈之间的距离与所述主力冻结孔布置圈的最外圈的直径之比为0.1～0.2；优选地，所述辅助冻结孔与主力冻结孔布置圈的最外圈之间距离为1.5～2.5m，更优选为2.0m。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为单圈设置，水流速小于等于5m/d时，将优化区域的所述主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～1.3倍，优选为8/7倍；将所述低温冷媒温度降低1～6℃。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为单圈设置，水流速为大于5m/d小于等于10m/d时，将优化区域的所述主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～1.3倍，优选为8/7倍；将所述低温冷媒温度降低1～6℃；所述辅助冻结孔设置于单圈的外侧；所述辅助冻结孔与所述单圈之间的距离为1.5～2.5m，优选为2m；优选地，所述辅助冻结孔的数量为3个；其中2个所述辅助冻结孔分别对应设置于：自所述优化区域的末端的主力冻结孔与未优化区域的始端的主力冻结孔的之间的圆弧的中点所在的、沿着平行于水流方向延伸至圈外的直线上；剩余1个所述辅助冻结孔设置于：所述单圈与水流方向平行的直径所在的、延伸至圈外的直线上；优选地，所述优化区域为：单圈形成的圆形中，圆心角的角平分线与水流方向平行的圆心角内部的区域；所述圆心角的角度为60°～180°。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为单圈设置，水流速为大于10m/d小于等于15m/d时，将优化区域的所述主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～1.3倍，优选为8/7倍；将所述低温冷媒温度降低1～6℃；所述辅助冻结孔设置于单圈的所述优化区域的外侧，所述辅助冻结孔与所述主力冻结孔交错排列；所述辅助冻结孔与主力冻结孔布置圈之间距离与主力冻结孔布置圈直径之比为(2/28)～(5/28)；所述辅助冻结孔与所述单圈之间的距离为1.5～2.5m，优选为2m；优选地，所述优化区域为：单圈形成的圆形中，圆心角的角平分线与水流方向平行的圆心角内部的区域；所述圆心角的角度为60°～180°。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为双圈设置，水流速为5～10m/d时，将第一优化区域的外圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.2～1.5倍，优选为10/7倍，内圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.2～1.8倍，优选为5/3倍，将内圈、外圈的低温冷媒温度降低1～6℃；将第二优化区域的内圈的低温冷媒温度降低1～4℃；将第三优化区域的外圈的低温冷媒温度保持为零下30℃，将第四优化区域的内、外圈的低温冷媒温度降低1～6℃；优选地，在所述第一优化区域内，相邻的两个所述外圈的主力冻结孔的间距调整为0.5-2m，优选为1m；相邻的两个所述内圈的主力冻结孔的间距调整为0.5-2.5m，优选为1.6m；优选地，所述第一优化区域为：外圈形成的圆形中，角平分线与水流方向平行的圆心角，与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域，所述圆心角的角度为60°；所述第二优化区域为：所述第一优化区域的两侧，角度为60°的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域；所述第三优化区域为：外圈形成的圆形中，所述第二优化区域与所述第四优化区域之间的区域；所述第四优化区域为：外圈形成的圆形中，角平分线与水流方向平行的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域，所述圆心角的角度为40°；所述第四优化区域位与所述第一优化区域分别位于同一圆形的不同半球。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为双圈设置，水流速为大于10m/d小于等于15m/d时，在所述主力冻结孔的外圈之外设置所述辅助冻结孔1～6个，将所述低温冷媒温度降低1～6℃；优选地，所述辅助冻结孔的数量为6个，均设置在：与水流方向平行的外圈直径的两侧的圆心角的角度各为30°的区域内；其中的4个所述辅助冻结孔设置在：与水流方向平行的外圈直径的两侧的圆心角的角度各为15°的区域内；该区域内相邻的两个辅助冻结孔之间的距离为该区域的末端的辅助冻结孔与该区域外始端的辅助冻结孔之间的距离的1/2，且不小于1m。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为三圈设置，水流速小于等于10m/d时，在优化区域范围内将外圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～2倍，优选为13/8倍，将中圈主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～1.6倍，优选为33/25倍，将所述低温冷媒的最低温度降低1～6℃；优选地，所述优化区域为：与水流方向平行的外圈直径的两侧的圆心角的角度各30°的区域内。

在优选的实施方式中，当所述主力冻结孔为三圈设置，水流速大于10m/d，小于等于20m/d时，在优化区域范围内将外圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～2倍，优选为56/37倍，中圈主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～2倍，优选为33/25倍，将所述低温冷媒的最低温度降低1～6℃；优选地，所述外圈的优化区域为：与水流方向平行的外圈直径的两侧的圆心角的角度各75°的区域内；所述中圈的优化区域为：与水流方向平行的外圈直径的两侧的圆心角的角度各30°的区域内。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明在水流速度较大，最多达到20m/d的条件下，通过对水流上游部分的主力冻结孔进行加密、将低温冷媒温度降低、主力冻结孔的周边设置辅助冻结孔，以及控制不同区域低温冷媒的温度按照一定规律分布的布置方式，加快了冻结区域的交圈速度，提高了整个冻结壁的冻结效率，并实现了冷量的合理分配。

附图说明

图1为实施例1的冻结孔的布置方法示意图。

图2为实施例1的单圈冻结孔5m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

图3为实施例2的冻结孔的布置方法示意图；其中，1：1号辅助冻结孔，2：2号辅助冻结孔，3：3号辅助冻结孔。

图4为实施例2的单圈冻结孔10m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

图5为实施例3的冻结孔的布置方法示意图。

图6为实施例3的单圈冻结孔15m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

图7为实施例4的冻结孔的布置方法示意图；其中，11：第一优化区域，12：第二优化区域，13：第三优化区域，14：第四优化区域。

图8为实施例4的双圈冻结孔10m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

图9为实施例5的冻结孔的布置方法示意图；其中，21：角21，22：角22。

图10为实施例5的双圈冻结孔15m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

图11为实施例6的冻结孔的布置方法示意图。

图12为实施例6的三圈冻结孔10m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

图13为实施例7的冻结孔的布置方法示意图；其中，31：角31，32：角32。

图14为实施例7的三圈冻结孔20m/d流速作用下冻结效果比较示意图。

其中，图2、图4、图6、图8、图10、图12、图14均为基于comsol multiphysics分析软件的数值计算结果绘制成的温度分布示意图。

具体实施方式

本发明提供一种大流速地下水作用下冻结法凿井冻结孔布置方法，该方法适用于主力冻结孔的布置圈分为：多圈(如4～5圈)、单圈、双圈(包括内圈和外圈)、三圈(包括内圈、中圈、外圈)；水流速为小于5m/d至20m/d；低温冷媒的常规温度控制为零下30～零下36℃，温度降低优选为6℃。

上述主力冻结孔，是指位于布置圈圆周上的冻结孔，与辅助冻结孔相区别。

上述布置方法包括：对水流上游部分的优化区域(即：主力冻结孔布置圈上及圈周边需要对冻结孔布置方式进行改进的区域)内的主力冻结孔进行加密至原来数量的1～2倍(例如，可以为1倍、1.3倍、1.5倍、1.8倍、2倍中的任意值或任意值之间的范围)，优选为1.3～1.7倍，由于冻结孔在施工过程中会出现冻结孔偏斜等问题，冻结孔的间距不宜过小；并将低温冷媒温度降低0～6℃(例如，可以为0℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)，优选为1～4℃，低温冷媒的温度优选为零下30～零下36℃(例如，可以为零下30℃、零下31℃、零下32℃、零下33℃、零下34℃、零下35℃、零下36℃中的任意值或任意值之间的范围)；以下对于不同的主力冻结孔布置圈圈数、不同水流速设置不同的布置方法。

1、当主力冻结孔为单圈(即主力冻结孔布置圈)设置时，按照水流速的不同，布置方法如下：

(1)地下水流速小于等于5m/d时，为了应对水流对冻结孔交圈的不利影响，对水流上游部分的冻结孔进行加密。

具体为：将优化区域的主力冻结孔的数量至原来的1.1～1.3倍，优选为8/7倍，优选为增加1～2个，优选将相邻的两个主力冻结孔的间距缩小至1m；并将优化区域中冻结孔的低温冷媒温度降低1～6℃(例如，可以为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)。

(2)水流速为大于5m/d小于等于10m/d时，为了应对水流对冻结孔交圈的不利影响，在对冻结孔布置圈中的水流上游部分的冻结孔进行加密的基础上，在冻结孔布置圈外设置一排辅助冻结孔。

具体为：将优化区域的主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～1.3倍，优选为8/7倍，优选为1～2个；将低温冷媒温度降低1～6℃(例如，可以为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)；此外，还需在单圈的圈外设置辅助冻结孔，该辅助冻结孔与单圈之间距离与单圈的直径之比为(2/28)～(5/28)(例如：可以为2/28、3/28、4/28、5/28中的任意值或任意值之间的范围)，优选为2/28；考虑到冻结孔偏斜的情况，以及为了扩大冻结壁的形成范围，从而达到更好的封水效果，将单圈与辅助冻结孔布置圈之间的距离(该距离即为上述两个圈的半径的差值)控制为1.5～2.5m(例如：可以为1.5m、1.8m、2m、2.3m、2.5m中的任意值或任意值之间的范围)，进一步优选为2m。

在辅助冻结孔数量的选取上，对应同一种流速的地下水，通过comsol multiphysics系统数值计算软件对包含不同数量的辅助冻结孔的冻结方案的冻结效果进行试验研究，在达到相同或相接近的冻结效果的前提下，选取辅助冻结孔最少的方案为最优方案。

作为优选的实施方式，辅助冻结孔的数量为3个；其中2个辅助冻结孔分别对应设置于：自优化区域的末端的主力冻结孔与未优化区域的始端的主力冻结孔的之间的圆弧的中点所在的、沿着平行于水流方向延伸至圈外的直线上；剩余1个辅助冻结孔设置于：单圈(即为主力冻结孔布置圈)与水流方向平行的直径所在的、延伸至圈外的直线上。

(3)水流速为大于10m/d小于等于15m/d时，水流对单个冻结孔形成的冻土柱状体的冲击作用增大，为了保证所有相邻冻结孔形成的冻结壁可以成功交圈，在(1)的基础上，在水流上游方向距离主力冻结孔布置圈2m处设置一排辅助冻结孔。

具体为：将优化区域的相邻两个主力冻结孔之间的间距调整为1m；将低温冷媒温度降低1～6℃(例如，可以为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)；辅助冻结孔设置于主力冻结孔布置圈的优化区域的上游，辅助孔接孔与主力冻结孔交错排列；该辅助冻结孔与主力冻结孔布置圈之间距离与主力冻结孔布置圈直径之比为(2/28)～(5/28)(例如：可以为2/28、3/28、4/28、5/28中的任意值或任意值之间的范围)，优选为2/28；将单圈与辅助冻结孔布置圈之间的距离更优选为1.5～2.5m(例如：可以为1.5m、1.8m、2m、2.3m、2.5m中的任意值或任意值之间的范围)，进一步优选为2m。

上述优化区域指的是：单圈(即主力冻结孔布置圈)形成的圆形中，圆心角的角平分线与水流方向平行的圆心角内部的区域，该圆心角的角度为60°～180°，优选为60°。

2、当主力冻结孔为双圈设置时，按照地下水流速的不同，布置方法如下：

(1)水流速为5～10m/d时，双圈冻结孔布置方案的优化的主要目的是提高冻结的效率，并实现冷量的合理分配。

具体为：

将第一优化区域的外圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.2～1.5倍，优选为10/7倍，第一优化区域的内圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.2～1.8倍，优选为5/3倍，将内、外圈的低温冷媒温度降低1～6℃；将第二优化区域的内圈的低温冷媒温度降低1～4℃；将第三优化区域的外圈的低温冷媒温度保持为零下30℃；将第四优化区域的内、外圈的低温冷媒温度降低1～6℃；在第一优化区域内，相邻的两个外圈的主力冻结孔的间距调整为1-1.5m，优选为1m，相邻的两个内圈的主力冻结孔的间距调整为1-2m，优选为1.6m。

示例性地，上述各个优化区域内的低温冷媒温度降低可选择1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围；上述相邻的两个外圈的主力冻结孔的间距可以为1m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m中的任意值或任意值之间的范围；上述相邻的两个内圈的主力冻结孔的间距可以为1m、1.2m、1.5m、1.8m、2.0m中的任意值或任意值之间的范围。

上述第一优化区域为：外圈形成的圆形中，角平分线与水流方向平行的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域，该圆心角的角度为60°；上述第二优化区域为：第一优化区域的两侧，角度为60°的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域；上述第三优化区域为：外圈形成的圆形中，第二优化区域与第四优化区域之间的区域；上述第四优化区域为：外圈形成的圆形中，角平分线与水流方向平行的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域，该圆心角的角度为40°；第四优化区域位与第一优化区域分别位于同一圆形的不同的半球。

(2)水流速为大于10m/d小于等于15m/d时，为了提高双排冻结孔的冻结效率，在不改变内圈孔以及外圈孔排布的情况下，在外圈的外侧2m处设置一排辅助冻结孔。

具体为，该辅助冻结孔与外圈之间的距离与外圈的直径之比为0.1～0.2(例如：0.11、1.12、0.15、0.18、0.2中的任意值或任意值之间的范围)，在主力冻结孔的外圈之外的优化区域内设置辅助冻结孔1～6个，将低温冷媒温度降低1～6℃(例如，可以为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)；该优化区域指的是：与水流方向平行的外圈的圆形的直径两侧圆心角的角度各30°的区域内。辅助冻结孔的数量为优选为6个，其中的4个设置在与水流方向平行的外圈直径的两侧的圆心角的角度各为15°的区域内；该区域内相邻的两个辅助冻结孔之间的距离为该区域的末端的辅助冻结孔与该区域外始端的辅助冻结孔之间的距离的1/2，且不小于1m。

3、当主力冻结孔为三圈设置时，按照水流速的不同，布置方法如下：

(1)水流速小于等于10m/d时，对冻结孔布置圈中位于水流上游部分的冻结孔进行局部加密优化。

具体为，在优化区域范围内将外圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～2倍，优选为13/8倍，将中圈主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～1.6倍，优选为11/7倍，优选为将外圈和中圈主力冻结孔的管间距调整为1m，将低温冷媒的最低温度降低1～6℃(例如，可以为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)。该优化区域为：与水流方向平行的外圈的圆形的直径两侧，圆心角的角度各30°的区域内。

(2)水流速大于10m/d，小于等于20m/d时，随着地下水流速的增加，冻结孔布置范围内形成的冻结壁的交圈时间逐渐增加，并最终会出现不交圈的现象，为了应对较大流速的地下水对冻结壁形成带来的不利影响，需要将中圈和外圈的不同范围内的主力冻结孔进行加密优化。

具体为，在优化区域范围内将外圈的主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～2倍，优选为28/15倍，中圈主力冻结孔的数量增加至原来的1.1～2倍，优选为11/7倍，优选为将外圈和中圈主力冻结孔的管间距调整为1m，将低温冷媒的最低温度降低1～6℃(例如，可以为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃中的任意值或任意值之间的范围)。上述外圈的优化区域为：与水流方向平行的外圈的直径两侧的圆心角的角度各75°的区域内；上述中圈的优化区域为：与水流方向平行的外圈的直径两侧的圆心角的角度各30°的区域内。

在实际生产中，该冻结孔的布置方式可以依据本发明的上述技术方案增至4圈、5圈及以上均可，本发明对此不做限定。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例为单圈冻结孔布置方法，地下水流速小于等于5m/d。

如图1所示，本实施例的主力冻结孔布置圈的直径为14m，在该布置圈的圆周上分布有37个主力冻结孔，其中在优化区域的圆弧上均匀分布有8个直径为159mm的冻结孔，其他的主力冻结孔直径均为140mm；低温冷媒温度降至-36℃。

上述优化区域指的是：单圈形成的圆形中，圆心角的角平分线与水流方向平行的圆心角内部的区域，该圆心角的角度为60°。

相比之下，常规布置方法为：冻结孔布置圈径为14m，均匀分布36个冻结孔，冻结孔直径为140mm，低温冷媒温度为-34℃。

本实施例的布置方法与常规布置方法的冻结效果对比如图2所示，本实施例的布置方法冻结壁的交圈时间较常规布置方法冻结壁的交圈时间提前了28天。

本实施例的创新点说明：当地下水流速小于5m/d时，为了应对水流对冻结孔交圈的不利影响，对水流上游部分的冻结孔进行加密。考虑到冻结深度、钻机施工以及冻结孔偏斜问题，冻结孔的间距最小值一般控制为1m；另外，优化区域的角度可以为60～180°，在5m/d流速作用下，作为优选，优化角度选择为60°，在实际设计与施工中，单圈冻结孔的布置圈径一般为14～17m，优化之后，冻结孔的数量较优化之间仅增加1～2个，优化范围内的冻结孔直径调整为159mm，低温冷媒温度调整为-36℃，该优化方法可以保证流经冻结孔布置圈下游的水流温度得到进一步降低，从而加快水流下游冻结孔的交圈时间，在下游冻结孔交圈之后，水流无法从冻结孔布置区域穿过，上游区域冻结孔受到的水流冲击作用减小，而上游的冻结孔间距较小，从而加快了该区域的交圈时间，进而提高了整个冻结壁的冻结效率。由于本案仅对冻结孔布置范围局部进行了优化，其他区域的冻结孔的数量、温度以及管径都没有变化，整个冻结孔布置圈实现了冷量的合理分配。

实施例2

本实施例为单圈冻结孔布置方法，地下水流速为大于5m/d，小于等于10m/d。

如图3所示，本实施例的主力冻结孔的总数为40个，优化区域均匀分布有8个直径为159mm的主力冻结孔，且该区域冻结孔的低温冷媒温度为-36℃。

距离主力冻结孔布置圈外2m处设置有一排、共3个辅助冻结孔，辅助冻结孔径为159mm，低温冷媒温度为-36℃；其中2个辅助冻结孔分别对应设置于：自优化区域的末端的主力冻结孔与未优化区域的始端的主力冻结孔的之间的圆弧的中点所在的、沿着平行于水流方向延伸至圈外的直线上；剩余1个辅助冻结孔设置于：单圈与水流方向平行的直径所在的、延伸至圈外的直线上。除优化区域外的其他区域的主力冻结孔的直径为140mm，低温冷媒温度为-34℃。

上述优化区域指的是：单圈形成的圆形中，圆心角的角平分线与水流方向平行的圆心角内部的区域，该圆心角的角度为60°。

相比之下，常规布置方法与实施例1相同。

本实施例的布置方法与常规布置方法的冻结效果对比如图4所示，如果采用常规的冻结孔布置方法，在10m/d流速作用下冻结壁无法交圈，而采用本实施例的冻结壁布置方法，整个冻结壁在冻结153d成功交圈。

本实施例的创新点说明：当地下水流速5～10m/d时，为了应对水流对冻结孔交圈的不利影响，在对冻结孔布置圈中的水流上游部分的冻结孔进行加密的基础上，在冻结孔布置圈外设置一排辅助冻结孔，辅助冻结孔布置圈与原冻结孔布置圈之间的距离可以为1.5～2.5m，作为优选，辅助冻结孔与主力冻结孔布置圈之间的距离控制为2m，这样即可以保证冻结孔的施工质量又可以保证辅助冻结孔充分发挥对地下水流的冷却作用。辅助冻结孔的数量由辅助冻结孔的布置圈径以及地下水流速的大小决定，当地下水流速大于5m/d小于10m/d时，作为优选，辅助冻结孔的数量为3个，其中1号孔与3号孔位于优化区末端孔与未优化区始端孔中间位置的正前方，2号孔在冻结孔布置圈与水流方向平行的直径方向，1、2、3三个辅助冻结孔的直径为159mm，且低温冷媒温度为-36℃，通过在水流冲击的关键位置设置辅助冻结孔，对流经主力冻结孔的水流进行冷却，从而保证在地下水流速大于5m/d小于10m/d的情况下，冻结壁能够成功交圈。当所有主力冻结孔成功交圈之后15天，位于水流上游区域的冻结壁已经完成交圈并发展成为具有一定厚度的冻结壁，此时关闭辅助冻结孔的冻结盐水循环系统，并将所有主力冻结孔的低温冷媒温度回升至-34℃，进入稳定冻结阶段，从而保证最终形成的冻结壁强度均匀，进而降低掘进施工的难度。

实施例3

本实施例为单圈冻结孔布置方法，地下水流速为大于10m/d，小于等于15m/d。

如图5所示，本实施例的主力冻结孔布置圈的冻结孔的总数为40个，优化区域内均匀分布有8个直径为159mm的冻结孔，该区域冻结孔低温冷媒温度为-36℃。

距离主力冻结孔布置圈外2m处设置有一排、共7个辅助冻结孔，辅助冻结孔径为159mm，低温冷媒温度为-36℃。

除优化区域外的其他区域的主力冻结孔的直径均为140mm，低温冷媒温度为-34℃。

其他区域的冻结孔间距、孔径以及低温冷媒的温度保持不变。

上述优化区域指的是：单圈形成的圆形中，圆心角的角平分线与水流方向平行的圆心角内部的区域，该圆心角的角度为60°。

相比之下，常规布置方法与实施例1相同。

本实施例的布置方法与常规布置方法的冻结效果对比如图6所示，常规布置方法在经历180d后，冻结孔作用区域的冻结壁无法交圈，而按照本实施例的布置方法所形成的冻结壁在冻结第153天成功交圈。

本实施例的创新点说明：

随着地下水流速的增加，水流对单个冻结孔形成的冻土柱状体的冲击作用增大，为了保证所有相邻冻结孔可以成功交圈，在实施例1的基础上，在水流上游方向距离主力冻结孔布置圈2m处设置一排辅助冻结孔，作为优选，辅助冻结孔的数量比优化区域冻结孔的数量少1个，辅助冻结孔直径为159mm，低温冷媒温度控制为-36℃，辅助冻结孔与主力冻结孔交错分布，位于主力冻结孔上游的辅助冻结孔在冻结初期通过低温冷媒的循环不断向外传递冷量，从而对流经该区域的水流进行降温，随着冻结时间的进一步增加，在辅助冻结孔的周围逐渐形成具有一定体积的冻结柱状体，这些冻结柱状体很大程度上减小了水流对主力冻结孔作用区域的影响，进而保证了在10m/d以上的流速作用下，主力冻结孔可以成功交圈。在冻结孔成功交圈之后10d，停止辅助冻结孔的低温冷媒循环，并将所有主力冻结孔的低温冷媒温度回升至-34℃，进入稳定冻结阶段，从而保证在最终形成的冻结壁强度均匀，进而降低掘进施工的难度。

实施例4

本实施例为双圈冻结孔布置方法，地下水流速为5m～10m/d。

如图7所示，第一优化区域11内，外圈的相邻的两个主力冻结孔的间距调整为1m，主力冻结孔的数量增加至10个；内圈的相邻的两个主力冻结孔间距调整为1.6m，主力冻结孔数量增加至5个，且该区域内的冻结孔直径都调整至159mm，低温冷媒的温度控制为-36℃，其他区域冻结孔径保持不变；第二优化区域12的低温冷媒的温度控制为-34℃，第三优化区域13的低温冷媒的温度控制为-30℃，第四优化区域14的低温冷媒的温度控制为-36℃。

上述第一优化区域11为：外圈形成的圆形中，角平分线与水流方向平行的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域，圆心角的角度为60°；上述第二优化区域12为：第一优化区域两侧，角度为60°的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域；上述第三优化区域为：外圈形成的圆形中，第二优化区域13与第四优化区域14之间的区域；上述第四优化区域14为：外圈形成的圆形中，角平分线与水流方向平行的圆心角与该圆心角与所对应的圆弧所组成的区域，圆心角的角度为40°；第四优化区域14位与第一优化区域11分别位于同一圆形的不同的半球。

相比之下，常规布置方法：双圈冻结孔的内圈布置圈径为12m，外圈径为17m；外圈均匀分布有42个冻结孔，低温冷媒的温度为-34℃；内圈均匀分布有17个冻结孔，低温冷媒的温度为-32℃；

本实施例的布置方法与常规布置方法的冻结效果对比如图8所示，常规布置方案的冻结壁整体的交圈时间为92d，本实施例中冻结壁的交圈时间为61d，交圈时间提前31d。

本实施例的创新点说明：

双圈冻结孔作为单圈冻结孔的加强布置形式，较小的地下水流速(5m/d以下)并不会对其交圈时间产生太大的影响，因此对双圈冻结孔布置方案的优化的主要目的是提高冻结的效率，并实现冷量的合理分配。针对小于10m/d的地下水流速，对冻结孔布置圈中位于水流上游的部分进行优化，优化的方式为同时缩小冻结孔的间距、扩大冻结孔的直径并降低冻结孔的低温冷媒的最低温度，据数值计算结果，将冻结孔布置圈交圈最迟的部分，即在与水流方向平行的直径成-30°到30°范围(即第一优化区域11)内的冻结孔布置进行优化，在优化区域内对内排以及外排的冻结孔进行加密，其中外排孔优化范围内冻结孔的间距调整为1m，内排孔冻结孔优化区域冻结孔的间距调整为1.6m，并将优化区域内的冻结孔的直径扩大为159mm，低温冷媒的温度降低至-36℃，其他区域的冻结孔直径以及间距不变；在优化区域两侧60°区域(图中第二优化区域12)低温冷媒的温度控制为-34℃；位于水流下游的冻结孔布置圈中的4部分的交圈时间对整个区域内的冻结壁的交圈时间具有较大的影响，因此将该区域的内圈冻结孔以及外圈冻结孔的最低温度控制为-36℃，为了提高冻结冷量的利用率，第四优化区域14的范围控制在与水流平行的直径方向的两侧各20°的范围内；数值计算结果显示，第三优化区域13为整个冻结孔布置圈中冻结壁最先形成的区域，水流对该区域冻结效果的影响最小，因此控制该区域的低温冷媒的温度为-32℃即可，内圈孔除第一优化区域11以及第四优化区域14外其他区域的低温冷媒的最低温度为-32℃。这样可以实现不同区域的温度差异冻结，既提高了冻结的效率，又提高了冷量的利用率。

实施例5

本实施例为双圈冻结孔布置方法，地下水流速为大于10m/d，小于等于15m/d。

如图9所示，距离外圈外侧2m处设置一排辅助冻结孔，其中在角21范围内设置4个辅助冻结孔，角22范围内设置2个辅助冻结孔，辅助冻结孔中低温冷媒的温度控制为-36℃；上述优化区域内相邻的两个辅助冻结孔之间的距离为该区域的末端的辅助冻结孔与该区域外始端的辅助冻结孔之间的距离的1/2，且不小于1m；上述各个辅助冻结孔的直径可以为159mm。

其中，角21和角22共同组成了上述优化区域，该优化区域为：与水流方向平行的外圈的圆形的直径两侧圆心角的角度各30°的区域内；其中，角21为与水流方向平行的外圈的圆形的直径两侧圆心角的角度各15°的区域内；角22是该优化区域内除角21之外的部分。

在主力冻结孔布置区域形成的冻结壁完成交圈后10d，关闭辅助冻结孔，从而保证在进行掘进施工前形成的冻结壁强度均匀。

相比之下，常规布置方法与实施例4相同。

如图10所示，常规布置方法在15m/d的水流作用下，冻结壁无法交圈，而采用本实施例的布置方法后，冻结壁在冻结第90d完成交圈。

本实施例的创新点说明：

当地下水流速大于10m/d小于等于15m/d时，为了提高双排冻结孔的冻结效率，在不改变内圈孔以及外圈孔排布的情况下，在主力冻结孔布置圈外2m处设置一排辅助冻结孔，辅助冻结孔布置在圆心角为60°的范围内，该圆心角原点与主力冻结孔布置圈的圆心重合且圆心角的角平分线与水流方向平行，辅助冻结孔的数量根据主力冻结孔的布置圈径确定，根据数值计算结果可以发现冻结孔交圈的顺序由与水流方向平行的直径两侧逐渐向中间靠拢，因此越靠近与水流方向平行的一条的直径的区域受到的水流的冲击作用越大，以主力冻结孔布置圈的圆心为原点，将辅助冻结孔设置在与水流方向平行的直径两侧各30°的范围内，其中与水流方向平行的直径两侧各15°的范围(角21所示范围)内，辅助冻结孔的间距控制为角2范围内冻结孔间距的1/2，且间距不能小于1m，辅助冻结孔的直径可以为159mm、140mm以及133mm，辅助冻结孔的最低温度可以设置为-32～-36℃，为了使冻结孔对流经的水流起到充分冷却的作用以及保证冻结孔周围能够形成半径更大的冻结柱状体，将辅助冻结孔的直径设置为159mm，低温冷媒的温度设置为-36℃。

实施例6

本实施例为三圈冻结孔布置方法，地下水流速小于等于10m/d。

如图11所示，在优化区域内，将外圈以及中圈的主力冻结孔的管间距调整为1m，低温冷媒的最低温度调整为-36℃，管径调整至159mm；外圈的主力冻结孔的数量变为47个，中圈的主力冻结孔的数量变为46个，内圈直径分别为12.6m以及14.4m，各分布有13个主力冻结孔。

该优化区域为：与水流方向平行的外圈的直径两侧，圆心角的角度各30°的区域内。

相比之下，常规布置方法为：外圈直径为23.4m，均匀分布有42个管径为140mm的冻结孔，低温冷媒的最低温度为-34℃；中圈直径为18.6m，均匀分布有44个管径为159mm的冻结孔，低温冷媒的最低温度为-36℃；内圈直径分别为12.6m以及14.4m，各分布有13个冻结孔，冻结孔的最低温度为-32℃。

如图12所示，采用本实施例的布置方法，冻结区域内形成的冻结壁的交圈时间为62d，较常规布置方案缩短了8天。

本实施例的创新点说明：

三圈冻结孔布置方案由于其自身冻结孔群对地下水具有较强的抵御作用，因此对该类冻结方案进行优化的主要目的为缩短冻结壁交圈的时间并使其能够适应更大水流速度的施工环境。当地下水流速小于10m/d时，对冻结孔布置圈中位于水流上游部分的冻结孔进行局部加密优化，优化的范围由地下水流速的大小决定，将优化角度定义为角平分线与水流方向平行且顶点为冻结孔布置圈圆心的圆心角，根据数值计算的结果可以得出，当地下水流速小于10m/d时，优化角度的最优值为60°，在优化区域内，将外圈以及中圈冻结孔的管间距调整为1m，孔径调整为159mm，低温冷媒的最低温度调整为-36℃，内圈各个冻结参数值保持不变。

实施例7

本实施例为三圈冻结孔布置方法，地下水流速大于10m/d，小于等于20m/d。

如图13所示，在优化范围内将外圈以及中圈冻结孔的管间距调整为1m，冻结孔的最低温度调整为-36℃，管径调整至159mm，其中外圈冻结孔的数量变为51个，中圈冻结孔的数量变为46个，内圈直径分别为12.6m以及14.4m，各分布有13个主力冻结孔。

上述外圈的优化区域为：与水流方向平行的外圈的圆形的直径两侧，圆心角的角度各75°的区域内(图13中的角31)；上述中圈的优化区域为：与水流方向平行的外圈的直径两侧，圆心角的角度各30°的区域内(图13中的角32)。

相比之下，常规布置方法与实施例6相同。

如图14所示，按照常规布置方法进行布孔，在冻结时间达到100d时仍然无法交圈，而按照本案布置方法进行布孔，在冻结时间达到58d时冻结区域已经成功交圈。

本实施例的创新点说明：

随着地下水流速的增加，冻结孔布置范围内形成的冻结壁的交圈时间逐渐增加，并最终会出现不交圈的现象，为了应对较大流速的地下水对冻结壁形成带来的不利影响，在实施例6的基础上，将外圈的优化角度调整为150°，中圈的优化角度保持为60°，在优化区域内，将外圈以及中圈冻结孔的管间距调整为1m，低温冷媒的最低温度调整为-36℃，管径调整至159mm，其他布置条件保持不变。通过扩大外圈的优化区域，对水流冲击作用较大的区域提供了更充分的冷量供应，从而缩短了整个冻结壁的交圈时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。