《Cold Regions Science and Technology》：Temperature-plateau-based identification of frozen curtain closure in artificial ground freezing using enthalpy-based lattice Boltzmann modelling and field monitoring
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•一种高原–连接框架分离了相变、连接和壁面生长。•一个28管工程截面将D2Q5与16个现场测量相结合。•残差场重建捕获了受监测约束的热非均质性。•单参数能量平衡相对于D2Q5给出2.99%的平均相对误差。•η提供了潜热高原发展的归一化过程度量。引言人工地层冻结（AGF）是一种成熟
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一种高原–连接框架分离了相变、连接和壁面生长。
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一个28管工程截面将D2Q5与16个现场测量相结合。
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残差场重建捕获了受监测约束的热非均质性。
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单参数能量平衡相对于D2Q5给出2.99%的平均相对误差。
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η提供了潜热高原发展的归一化过程度量。
引言
人工地层冻结（AGF）是一种成熟的地下施工辅助方法。它已应用于地铁联络通道（Fan和Yang，2019；Zou等，2023；Liu等，2022；Yan等，2023；Fu等，2021；Liu等，2023）、隧道和竖井（Hu和Deng，2016；Alzoubi等，2020）以及深基坑（Ou等，2024；Schindler等，2023），特别是在需要地下水控制和临时地层加固的情况下。在运行过程中，循环冷冻盐水通过冻结管从地层中提取热量，导致孔隙水冻结，形成冻结壁或冻结帷幕。由此产生的温度场决定了冻结体的厚度和连续性，并最终影响开挖安全。
热响应受相变的强烈影响。随着孔隙水冻结，潜热改变局部温度梯度并减缓冻结锋面的推进（Andersland和Ladanyi，2004；Rubinstein，1971；Alexiades和Solomon，1993；Alzoubi等，2020；Voller等，1987；Crank，1984）。有限差分和有限元方法可以表示这一过程，但移动界面和潜热处理需要特别关注，尤其是在多管系统中（Rubinstein，1971；Alexiades和Solomon，1993；Voller等，1987；Crank，1984）。LBM为瞬态传热、非线性相变和复杂边界提供了另一种介观框架（Huang等，2013；Zhang和Chen，2003；McNamara和Zanetti，1988；Chen和Doolen，1998；Succi，2001；Guo和Shu，2013）。在基于焓的公式中，显热和潜热被合并为一个能量变量，因此不需要显式追踪相界面（Huang等，2013；Liu等，2017）。
以往研究描述了冻结温度场、冻结壁生长以及管间距、盐水温度、土壤特性和渗流的影响（Fan和Yang，2019；Zou等，2023；Liu等，2022；Yan等，2023；Fu等，2021；Liu等，2023；Vitel等，2016；Alzoubi等，2020）。较少关注潜热高原的持续时间和空间模式与冻结帷幕发展的既定指标之间的关系。在实践中，冻结闭合通过多种证据来源进行评估，包括0°C等温线连续性、冻结壁厚度、温度目标和现场确认。因此，将温度历史与这些空间标准联系起来的进程指标将是有用的，前提是明确其局限性。还需要对焓-LBM预测进行进一步的现场评估（Fan和Yang，2019；Liu等，2023；Alzoubi等，2020）。
与此同时，冻土建模正在超越纯热传导，向水热、热-水-力学和孔隙尺度描述发展。孔隙尺度LBM已被用于模拟耦合传热传质（Gan等，2024），介观焓模型已研究孔隙结构中的水-冰转变（Li等，2024），近期综述总结了冻土的热-水-力学-化学框架（Li和Yin，2025）。其他研究将基质吸力或空间变化的热特性纳入水热模型（Tian等，2025；Liu等，2025）。这些发展明确了基于传导的模型在哪些方面仍然有用——用于分离热行为和工程指标——以及哪些方面变得不完整，特别是对于水分再分布、残余未冻水和冻胀变形。近期中国研究同样涉及AGF风险控制、富水粉质黏土中的联络通道行为以及盐水冷却方案（Lu等，2021；Gao等，2021；Zhang等，2022）。
本研究改编了现有的总焓D2Q5框架用于AGF，而不是引入新的LBM方案。其贡献包括：（1）实现了用于横截面AGF传热的分段温度-焓关系；（2）分析了多管间的潜热高原和热相互作用；（3）构建了28管工程等效截面，并进行了网格敏感性评估和基于监测的比较；以及（4）将η定义为D2Q5高原持续时间与式（12）预测的初始连接时间之间的归一化联系，随后对该构型的η工作区间进行了辅助的18案例固定几何评估。
章节片段
人工地层冻结与相变机制
AGF通过嵌入管道中循环的低温盐水从地层中提取热量来运行。随着孔隙水冻结，处理过的土壤发展成低渗透性、高强度的冻结体。这一机制支撑了其在联络通道、竖井和其他含水地下工程中的应用（Fan和Yang，2019；Liu等，2022；Yan等，2023；Fu等，2021）。
温度场既反映瞬态传导，也反映水-冰转变过程中释放的潜热
不同冻结模式下温度场的演化
本节中的单管、双管和理想化12管案例是独立的通用机制案例。它们仅用于说明相变行为和管间热相互作用，不参与昆明28管质量基础处理、式（12）校准或第4节中的η评估。
项目背景
工程参考是中国昆明的一条地铁联络通道（Fan和Yang，2019；Liu等，2023），主要穿越粉质黏土，初始含水量为28%，天然密度为1.90 g/cm3，孔隙比为0.72。工程等效截面包含28根钢管冻结管。24根周边管——在x = ±4.5 m和y = ±4.5 m的每条线上各六根——通过角部连接形成倒角方形链。四根辅助管位于1.0 m
主要结论
1. 现有的总焓D2Q5框架被成功改编用于横截面AGF分析。它有效地捕获显热、潜热和相关的温度平台，同时保持二维、以传导为主的近似，排除渗流、水分输送、残余未冻水演化和冻胀变形。
2. 工程等效截面包含24根周边管、四根内底部辅助管和16个现场监测
CRediT作者贡献声明
Chaofu Liu：写作 – 初稿。Yan Zhao：写作 – 审阅与编辑。Cong Shen：形式分析，数据管理。Huihui Zhou：资源，调查。Lina Wan：调查，概念化。Hen Yan：数据管理。
利益冲突声明
作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
Elsevier对此声明不要求作者签名；如果系统要求，作者也可以在在线提交过程中完成Elsevier声明工具。
致谢
这项工作得到了云南省科技特派员基金（项目号 ）和云南省教育厅基金（项目号 2024J0464）的支持。
Chaofu Liu|Yan Zhao|Cong Shen|Huihui Zhou|Lina Wan|Hen Yan
