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摘要：为在综合国内外各类文献的基础上，总结了冻结法的发展研究进程，尤其是冻结法施工在理论研究、数值计算研究以及试验研究三个方向上的发展以及国内外学者获得的结论成果，通过不同的方法得出冻结法施工在渗流场与温度场上的发展规律以及水热耦合的规律，对后续的研究方向给出了建议。关键词：人工关键字：冻结法;渗流场;温度场;水热耦合
0前言
19世纪，德国工程师波茨舒为了解决在富水地层中的施工问题首次提出了人工冻结法用于施工，迄今为止已经有一百多年的历史了。在这一百多年中，各国的学者对人工冻结法的施工作出了一系列的研究与探索，通过这些研究和试验表明，人工冻结法施工的运用越来越广泛，不仅仅在一些矿井工程中，在一些地下工程运用也较广泛。冻结法施工是指在含水土层内先钻孔打入钢管，导入循环的液氮，管壁与周围的土层环境进行热量的交换，从而实现对土层的降温，使周边的地层冻结，形成坚硬的冻土壳。不仅能保证地层稳定，还能起隔水作用，可以进行深基坑的挖土。由于该工法对周围环境的干扰较小，且形成的冻结壁具有良好的隔水性，且冻结法施工形成的临时支护的强度较高，因此在地层的地下施工中，该工法的运用越来越广泛了。
1理论研究
在理论研究方面，国内外研究学者根据基本假设的不同，提出了多种温度场、渗流场两场相互耦合理论。特鲁巴克 [1]的研究对象主要是单一均质且各向同性的含静水土层，对单管冻结时温度场的时空演变规律展开系统的研究，并提出了冻结温度场理论。巴尔霍金等在特鲁巴克的理论研究基础上提出了设置单排和双排冻结管的形成的冻土帷幕温度场的解析解。
余力 [2]对冻结问题进行了简化，将三维转化成二维，通过水力积分仪对冻结温度场进行分析研究，得到单圈管冻结温度场的形成规律，同时得出冻结壁有效厚度和平均温度的经验公式。
李述训 [3]根据前人的实测资料，对平面轴对称的热传导方程的计算过程进行简化，得到了二类边界条件下的解析解以及冻结壁交圈时间的计算方法，如何求出冻结管间平均温度和冻结壁厚度的方法。
谢怀阳 [4]将工程数学方法和冻结温度场理论相结合，得到冻结温度场和降温相变区域的计算方法。
胡向东 [5]对特鲁巴克的单管和单排管解和巴霍尔金的单排和双排管解等在考虑土层实际冻结温度的基础上做出修正。
2试验研究
周晓敏[6]做了双管冻结的试验，通过影响各参数的正交模型试验，对温度在-26.0℃至-30.6℃之间的常规盐水进行了一系列的研究，在此冻结工艺中，地下水渗流速度不同（流速分别为2.21m/d和3.16m/d）、孔间距的不同，对饱和砂冻结交圈时间的影响，以及对上下游温度场发展规律分析研究;
张维廉[7]根据第一边值条件的立井冻结过程中的数学模型，得到了相似准则方程，确定了时间相似比、几何相似比和热物理参数相似比三者之间的关系，建立了大型相似模型试验，得出了温度在主面、界面和轴面上的分布规律，并建立了他们的半经验方程。
王朝晖[8]通过模型试验，对在温度为-80℃的液氮冻结条件下，不同的地下水流速下，对冻结温度场的影响有何不同开展了一系列研究，其结果表明10m/d以上的地下水流速对液氮冻结效果最为明显;
李方政[9]通过相似理论，进行地下水渗流作用下双排管冻结试验系统，该试验系统采对渗流作用下，影响冻结壁形成的主要因素进行正交试验研究，并在相同条件下，开展单排管冻结试验，进行对比研究，通过试验对孔间距以及低温冷媒的温度对冻结的影响规律进行研究。
3数值计算研究
在数值计算研究方面，国内外诸多学者做了大量的分析研究。Harlan[10]最先提出水热迁移耦合模型，随后，在水热迁移耦合模型的基础上，由国内外诸多研究者，对此做了大量的分析、拓展以及研究。
徐光苗[11]在已有的国内外研究成果的基础上，建立了含相变低温岩土体温度场-渗流场两场耦合数学模型。
杨平[12]在多孔介质热迁移理论以及达西定律的基础上，在地下水流存在的作用下，建立数学模型，研究了单根冻结管的冻结峰面发展，分析研究了在冻结过程中温度场及地下水渗流场的变化规律。
周晓敏等[13]建立了冻土和融土之间微分方程的统一数学模型，得到在特定地下水平均渗流速度井筒冻结温度场与渗流场的分布和发展规律。
高娟等[14]运用有限元软件的方法，对地下水作用下竖井和水平冻结的温度场形成规律进行了研究。
黄诗冰[15]等通过考虑冰与水相变，开发了水热耦合模型来模拟水流对冻结过程的影响，并将该模型与基于COMSOL多物理场平台的Nelder-Mead单纯形法相结合，优化了圆形隧道周围冻结管的位置。
王彬[16]通过COMSOL数值模拟计算软件，基于表观热容法构建了水热耦合的数学模型，并通过相似模型试验对数学模型的合理性进行了验证，随后通过该模型对受渗流场影响的立井冻结温度场的发展规律进行了分析研究。
4展望
冻结法施工技术作为一种特殊的施工方法，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的。近年来，世界各地城市地下工程施工进入了高峰，复杂的施工环境使一些大型的设备往往束手无测，而冻结法这种环保有效的施工技术越来越重要。在理论研究、试验研究以及数值计算研究方面全世界的学者已经取得了一定的成果，但还需将三者相结合进行进一步的研究。
参考文献
[1]特鲁巴克，凍结法凿井[M].北京：煤炭工业出版社，1958.
[2]余力，相似理论在特殊凿井中的应用——再讨论冻结法几个问题的研究[J].中国矿业学院学报，1981（3）：1-10.
[3]李述训，立井冻结法凿井工程中的热工计算[J]，冰川冻土，1994，16（1）：20-30. [4]謝怀阳.冻结法凿井施工中温度场计算探讨[J].中州煤炭.2002，115（1）：13-14，16.
[5]胡向东，黄峰等.考虑土层冻结温度时人工冻结温度场模型[J].中国矿业大学学报，2008，37（4）：550-55.
[6] 周晓敏，王梦恕，张绪忠. 渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J].煤炭学报，2005，30（02）： 196-201.
[7]张威廉.竖井冻结过程的模拟方法[J].中国矿业大学学报.1981（3）：27-35.
[8] 王朝晖， 朱向荣， 曾国熙， 等. 动水条件下土层液氮冻结模型试验的研究[J].浙江大学学报（自然科学版），1998， 32 （5）： 534～ 540.
[9] 李方政，丁航，张绪忠.渗流作用下富水砂层双排管冻结壁形成规律模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（02）：386-395.
[10] Harlan R L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J]. Water Resources Research， 1973，9（5）： 1314-1323.
[11]徐光苗. 寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究[D].中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2006.
[12]杨平， 皮爱如. 高流速地下水流地层冻结壁形成的研究[J].岩土工程学报， 2001， 23 （02）： 167-171.
[13] 周晓敏， 于兰. 竖井冻结过程中渗流场变化的分析研究[J].煤炭学报， 2001， 26 （02）： 141-144. [14] J. Gao， M.M Feng， W.H. Yang. Research on distribution law of frozen temperature field of fractured rock mass with groundwater seepage[J]. Journal of Mining & Safety Engineering， 2013， 30（1）：68-73.
[15] S.B. Huang， Q.S Liu， A.P. Cheng， et al. A fully coupled thermo-hydro-mechanical model including the determination of coupling parameters for freezing rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2018，103.
[16] Wang， B.， Rong， C. X.， Lin， J.， Cheng， H.， & Cai， H. B. （2019）. Study on the Formation Law of the Freezing Temperature Field of Freezing Shaft Sinking under the Action of Large-Flow-Rate Groundwater. Advances in Materials Science and Engineering，2019.
0前言
19世纪，德国工程师波茨舒为了解决在富水地层中的施工问题首次提出了人工冻结法用于施工，迄今为止已经有一百多年的历史了。在这一百多年中，各国的学者对人工冻结法的施工作出了一系列的研究与探索，通过这些研究和试验表明，人工冻结法施工的运用越来越广泛，不仅仅在一些矿井工程中，在一些地下工程运用也较广泛。冻结法施工是指在含水土层内先钻孔打入钢管，导入循环的液氮，管壁与周围的土层环境进行热量的交换，从而实现对土层的降温，使周边的地层冻结，形成坚硬的冻土壳。不仅能保证地层稳定，还能起隔水作用，可以进行深基坑的挖土。由于该工法对周围环境的干扰较小，且形成的冻结壁具有良好的隔水性，且冻结法施工形成的临时支护的强度较高，因此在地层的地下施工中，该工法的运用越来越广泛了。
1理论研究
在理论研究方面，国内外研究学者根据基本假设的不同，提出了多种温度场、渗流场两场相互耦合理论。特鲁巴克 [1]的研究对象主要是单一均质且各向同性的含静水土层，对单管冻结时温度场的时空演变规律展开系统的研究，并提出了冻结温度场理论。巴尔霍金等在特鲁巴克的理论研究基础上提出了设置单排和双排冻结管的形成的冻土帷幕温度场的解析解。
余力 [2]对冻结问题进行了简化，将三维转化成二维，通过水力积分仪对冻结温度场进行分析研究，得到单圈管冻结温度场的形成规律，同时得出冻结壁有效厚度和平均温度的经验公式。
李述训 [3]根据前人的实测资料，对平面轴对称的热传导方程的计算过程进行简化，得到了二类边界条件下的解析解以及冻结壁交圈时间的计算方法，如何求出冻结管间平均温度和冻结壁厚度的方法。
谢怀阳 [4]将工程数学方法和冻结温度场理论相结合，得到冻结温度场和降温相变区域的计算方法。
胡向东 [5]对特鲁巴克的单管和单排管解和巴霍尔金的单排和双排管解等在考虑土层实际冻结温度的基础上做出修正。
2试验研究
周晓敏[6]做了双管冻结的试验，通过影响各参数的正交模型试验，对温度在-26.0℃至-30.6℃之间的常规盐水进行了一系列的研究，在此冻结工艺中，地下水渗流速度不同（流速分别为2.21m/d和3.16m/d）、孔间距的不同，对饱和砂冻结交圈时间的影响，以及对上下游温度场发展规律分析研究;
张维廉[7]根据第一边值条件的立井冻结过程中的数学模型，得到了相似准则方程，确定了时间相似比、几何相似比和热物理参数相似比三者之间的关系，建立了大型相似模型试验，得出了温度在主面、界面和轴面上的分布规律，并建立了他们的半经验方程。
王朝晖[8]通过模型试验，对在温度为-80℃的液氮冻结条件下，不同的地下水流速下，对冻结温度场的影响有何不同开展了一系列研究，其结果表明10m/d以上的地下水流速对液氮冻结效果最为明显;
李方政[9]通过相似理论，进行地下水渗流作用下双排管冻结试验系统，该试验系统采对渗流作用下，影响冻结壁形成的主要因素进行正交试验研究，并在相同条件下，开展单排管冻结试验，进行对比研究，通过试验对孔间距以及低温冷媒的温度对冻结的影响规律进行研究。
3数值计算研究
在数值计算研究方面，国内外诸多学者做了大量的分析研究。Harlan[10]最先提出水热迁移耦合模型，随后，在水热迁移耦合模型的基础上，由国内外诸多研究者，对此做了大量的分析、拓展以及研究。
徐光苗[11]在已有的国内外研究成果的基础上，建立了含相变低温岩土体温度场-渗流场两场耦合数学模型。
杨平[12]在多孔介质热迁移理论以及达西定律的基础上，在地下水流存在的作用下，建立数学模型，研究了单根冻结管的冻结峰面发展，分析研究了在冻结过程中温度场及地下水渗流场的变化规律。
周晓敏等[13]建立了冻土和融土之间微分方程的统一数学模型，得到在特定地下水平均渗流速度井筒冻结温度场与渗流场的分布和发展规律。
高娟等[14]运用有限元软件的方法，对地下水作用下竖井和水平冻结的温度场形成规律进行了研究。
黄诗冰[15]等通过考虑冰与水相变，开发了水热耦合模型来模拟水流对冻结过程的影响，并将该模型与基于COMSOL多物理场平台的Nelder-Mead单纯形法相结合，优化了圆形隧道周围冻结管的位置。
王彬[16]通过COMSOL数值模拟计算软件，基于表观热容法构建了水热耦合的数学模型，并通过相似模型试验对数学模型的合理性进行了验证，随后通过该模型对受渗流场影响的立井冻结温度场的发展规律进行了分析研究。
4展望
冻结法施工技术作为一种特殊的施工方法，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的。近年来，世界各地城市地下工程施工进入了高峰，复杂的施工环境使一些大型的设备往往束手无测，而冻结法这种环保有效的施工技术越来越重要。在理论研究、试验研究以及数值计算研究方面全世界的学者已经取得了一定的成果，但还需将三者相结合进行进一步的研究。
参考文献
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[6] 周晓敏，王梦恕，张绪忠. 渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J].煤炭学报，2005，30（02）： 196-201.
[7]张威廉.竖井冻结过程的模拟方法[J].中国矿业大学学报.1981（3）：27-35.
[8] 王朝晖， 朱向荣， 曾国熙， 等. 动水条件下土层液氮冻结模型试验的研究[J].浙江大学学报（自然科学版），1998， 32 （5）： 534～ 540.
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[10] Harlan R L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J]. Water Resources Research， 1973，9（5）： 1314-1323.
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[12]杨平， 皮爱如. 高流速地下水流地层冻结壁形成的研究[J].岩土工程学报， 2001， 23 （02）： 167-171.
[13] 周晓敏， 于兰. 竖井冻结过程中渗流场变化的分析研究[J].煤炭学报， 2001， 26 （02）： 141-144. [14] J. Gao， M.M Feng， W.H. Yang. Research on distribution law of frozen temperature field of fractured rock mass with groundwater seepage[J]. Journal of Mining & Safety Engineering， 2013， 30（1）：68-73.
[15] S.B. Huang， Q.S Liu， A.P. Cheng， et al. A fully coupled thermo-hydro-mechanical model including the determination of coupling parameters for freezing rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2018，103.
[16] Wang， B.， Rong， C. X.， Lin， J.， Cheng， H.， & Cai， H. B. （2019）. Study on the Formation Law of the Freezing Temperature Field of Freezing Shaft Sinking under the Action of Large-Flow-Rate Groundwater. Advances in Materials Science and Engineering，2019.