盾构隧道端头井垂直冻结加固不同冻结管间距温度场数值分析

当采用垂直冻结工法作为盾构隧道端头地层加固方式时,确定冻结管间距及加固所需范围与工艺、掌握冻土帷幕温度场发展与分布规律等是需要解决的关键问题。结合南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程,运用有限元分析软件,在其他影响因素不变的情况下,研究不同冻结管间距对垂直冻结壁温度场发展的影响。数值分析表明： 1）用所建数值模型来模拟垂直冻结壁温度场的变化过程是可行的; 2）间距减小对温度场影响较为显著,冻结管间距每增大0.1 m,冻结壁交圈时间增加约1 d; 3）随着冻结管间距的增大,冻结壁交圈时间线性增大; 4）冻结管间距越小,垂直冻结帷幕温度越低,形成的垂直冻结壁强度越均匀。     

异型冻结管单管冻结温度场数值分析

为解决现有冻结管单管冻结能力不强致使增加循环冷媒介质用量和施工机械能耗的问题,可将传统圆形截面设计成异形截面。对X形冻结管截面形式和施工工艺作一简单介绍,运用有限元软件对X形冻结管与传统圆形冻结管单管冻结时的温度场进行对比分析,主要得出:X形冻结管可在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力;虽然X形冻结管为非圆形截面,但其冻土帷幕温度也是以冻结管为圆心呈同心圆分布;在靠近冻结管200 mm范围内,X形冻结管比圆形冻结管降温快,制冷效果更好;在与水平夹角45°的方向,两种冻结管降温过程完全一致。     

人工冻土冻结过程分析及冻结管布置间距的计算

为确定在冻土冻结过程中冻结影响范围与冻结时间的关系,将人工冻土冻结过程拆分为土体表面的热散失和冻结管的冻结2个过程,并以热势能及热势能耗散过程中的平衡方程分析上述关系。为确定冻结管间距的合理取值,引入热势能理论并计算当量热阻,建立在多个冻结管影响下微元体的冻结时间方程,提出一种在多个冻结管作用下冻结影响范围与冻结时间的关系的计算方法及冻结管布置间距的确定方法。通过实例分析了人工冻土厚度的计算方法,以数值模拟方法比较了不同冻结管布置对冻结时间的影响。上述研究成果深化了人工冻土理论研究与实际应用之间的关系。     

加热限位管与自然解冻对冻土温度场影响的对比分析

为解决人工冻结技术产生冻胀融沉所引发不良后果的问题,可设置加热限位管来达到控制冻胀融沉的目的。运用有限元软件研究了设置加热限位管与自然解冻对冻土温度场发展的影响规律,主要结论:无需加热时,间距800 mm单排冻结管在冻结50天时冻土厚度可达2.4 m;当限位管循环5 ℃热盐水之后,各点温度都有明显上升,离限位管越近温度受影响越大,随着时间的推移,各点温度趋于稳定,最终冻土厚度约1.4 m;而自然解冻工况下冻土帷幕最终厚度约1.2 m,整个冻土帷幕温度趋于一致、强度变得均匀,单从最终形成的冻土帷幕来看,自然     

水平冻结法温度场数值模拟

以天河客运站折返线暗挖隧道为背景,分析三维温度场同二维温度场区别及冻结壁厚度的发展趋势,通过ANSYS对冻结区域的温度场进行数值模拟,对冻结区域进行温度的定量评价,并分析了各个冻结时间段的温度场分布、冻结壁厚度。对数值模拟模型的建立进行了优化设计,对数值模拟计算的单元点划分粗细部位也进行了优化,从而建立贴近实际的模型,提高计算精度,给实际的设计和施工提供可靠的温度数据。     

人工冻结壁温度场数值分析

冻结壁的热学分析是人工冻结法的关键技术理论。对人工冻结工程中冻结壁 温度场进行数值模拟表明：冻结管两侧冻结壁发展具有非对称性，冻结壁厚度可用函数y=ax^b近似表示；最佳冻结期限为3—5个月。     

管幕冻结特殊布管形式稳态温度场解析解

为了给管幕冻结这一新型地下工程施工方法的设计与施工提供参考,针对港珠澳大桥拱北隧道口岸暗挖段的管幕冻结工法,考虑积极冻结过程中所使用的"圆形主力冻结管"和"异形加强冻结管"2种类型冻结管的特殊布置形式,通过对实际问题进行适当简化,提出单圈冻结管错位布置的冻结模型。在此基础上,首先利用保角变换将单圈管不等距模型转化为单排管不等距模型,然后结合Laplace方程边界条件可分离的特性,利用2个单排管等间距模型叠加求解单排管不等距模型,最后得到管幕冻结法单圈管错位布置的温度场解析解。结合该解析解,选取管幕冻结法布管形式1个周期单元上3个特征位置的截面进行温度分析,并利用ANSYS数值软件对特征面上的理论温度分布进行对比验证,最后根据拱北隧道实际施工参数对其管幕冻结效果进行求解分析和直观的温度场云图展示。研究结果表明：在管幕冻结法冻结管单圈错位布置形式下,各特征面的温度均能降至较低的负温,远低于土体冻结温度,"管间封水"的效果能够得到保证;对比而言主面上温度最低,较近两冻结管之间的界面1温度略低于主面温度,在冻结管布置圈径上,各组参数下界面1的温度均能达到-15℃以下,且温度随着冻结管错位角度减小而降低;各特征面上,温差最大位置出现在冻结管布置轴面上,温度差异随着冻结过程的进行逐渐减小,冻土帷幕内的温度分布趋于稳定。     

中空圆环形冻结管温度场发展敏感性分析

为研究中空圆环形冻结管在冻结过程中对周围环境因素的敏感性，运用有限元分析软件进行建模，分别讨论当土体的潜热、导热系数、比热改变时，中空圆环形冻结管的温度场发展规律。结果显示:导热系数的变化可以显著影响温度场的发展，随着导热系数的增加，土体达到冻结温度的时间逐渐缩短；随着比热的增大，土体降温速度减缓，最终的冻结温度也有所升高；相变潜热对温度场的发展没有显著的影响。在实际工程中，使用相应的施工方法改善冻结土体的参数，可以有效地改变冻结效率。     

广州地铁天河站水平冻结施工数值分析

结合国内外水平冻结规模最大的广州地铁天河客运站折返线隧道冻结施工,采用数值仿真对冻结壁的温度场分布进行分析得出:冻结壁的交圈时间为17.5天,形成平均温度-10℃的冻结壁所需的时间为86.7天,形成平均温度-8℃的冻结壁所需的时间为68.3天;冻结壁主面冰峰面的扩展速度拱部冻结比仰拱快。文中还首次研究了冻结管偏斜对冻结温度场的影响:冻结壁冰峰面的扩展速度有所降低,交圈时间和达到设计温度的时间有所延长。     

盾构隧道端头杯型冻结壁加固温度场数值分析

当采用杯型水平冻结工法作为盾构隧道端头地层加固方式时,确定冻结加固所需范围及加固工艺、掌握冻结帷幕温度场发展与分布规律等是需要解决的关键问题。结合南京地铁2号线逸仙桥站西端头盾构始发工程,对杯型冻结壁加固温度场发展与分布规律进行了研究。数值模拟结果表明:在设计冻结方案下,杯型冻结帷幕厚度满足加固范围要求,开始交圈时间由早到晚依次为外圈管中圈管内圈管,形成闭合的杯型冻结帷幕的时间为15天。     

液氮冻结技术在隧道工作井二次封堵水中的应用

为封堵工作井异常涌水涌砂缝隙,以某隧道新工作井液氮二次冻结封堵水工程为背景,基于液氮气化时剧烈吸热的原理,提出采用液氮土层冻结技术快速冻结封堵涌水的解决思路。研究在初期盐水冻结壁有缺陷存在条件下运用原有冻结管和新增冻结管液氮封水冻结,冻结帷幕形成和冻结孔布置参数的设计、施工流程以及冻结效果。得到以下结论:1)通过温度数据监测得出测温孔最低温度达-30℃;2)C4测温孔数据表明总体冻结壁发展半径超过原设计的0.54 m;3)C5测温孔数据表明,在距地面9.6m处土层温度已达到-10℃,冻结壁发展半径超过0.70 m;4)裂缝处冻结壁有效厚度达到0.85 m,槽壁内侧温度低于-4℃,且随着深度的加大接缝位置处平均冻结温度降低。     

冻土帷幕设置加热限位管时温度场数值分析

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发的不良后果问题,设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制。运用有限元软件分析在冻土帷幕主面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出： 随着加热限位管盐水温度的升高,冻土帷幕厚度呈线性减小趋势;限位管循环盐水温度越高,最终形成的冻土帷幕边界平整性就越好,从而具有较好的限位效果;限位管应与冻结管对齐设置在冻土帷幕主面上;限位管与冻结管距离由最终控制冻土帷幕的厚度决定;循环热盐水的温度不宜过高,宜为5~10 ℃。     

基于 Matlab PDE 工具箱的土体冻结温度场模拟研究

分析并运用Matlab PDE tool模拟模型槽土体冻结的温度场并验证模拟值的准确性。首先,通过合理的边界假设,使三维的模型槽土体冻结热传导问题转化为二维空间;然后,运用Matlab PDE tool进行模拟并对比测温点的模拟温度和实测温度。结果表明：土体冻结中温度场导热可以通过Matlab PDE tool模拟,且操作简单易于掌握;测温点模拟值的准确性与测温点距边界距离和冻结时间有关。     

冻结加固技术在长地铁联络通道施工中的应用

南京地铁二号线油坊桥—中和村站盾构区间联络通道线间距为20m,通过方案比选,最终确定采用双侧冻结加固方案,就冻结壁厚度、冻结孔布置、冻结系统设计和冻结孔施工、冻结站安装及运转等几个问题重点论述,然后从去回路盐水温度、冻结帷幕温度、地表变形3个方面总结工程监测的变化规律,并对冻结效果、风险评估进行分析。     

拱北隧道管幕冻结施工中限位管的冻结效果控制研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道采用管幕冻结法施工。为了获取合适的冻结施工参数,采用原型试验研究限位管的冻结效果控制作用。试验结果表明:当管幕冻结施工过程中实顶管正上方冻土发展较快时,可通过在限位管循环热盐水来控制冻土发展,其中,限位管温度为8℃比2℃时能更好地控制冻土厚度;但是,若实顶管与空顶管之间的冻土及空顶管上方的冻土仍需要发展时,可采用2℃盐水,此时,冻土帷幕厚度继续增加,但幅度减小。因此,采用限位管控制冻土帷幕发展是可行的。     

不同冻胀模式下冻结隧道施工引起的地表竖向位移时空解

为了更加科学地预测水平冻结法隧道施工引起的地表竖向位移，从冻结管周围土体与地层冻胀相互作用机理和试验现象出发，提出了冻结管周围冻结土体在地层约束作用下的2种不同冻胀模式；基于热传导理论得到了冻结锋面随时间变化的移动规律，进一步联合镜像法和叠加原理，推导了均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式下水平冻结法隧道施工时多个冻结管共同引起的地表竖向位移时空预测计算公式，并依托MATLAB软件编制了求解程序。结合工程实例，将理论解与实测数据进行了对比，此外，还针对隧道埋深、冻结壁厚度、不均匀冻胀性进行了参数影响分析。研究结果表明：不同冻胀模式计算得到的位移分布规律与实测值在整体趋势上基本相似，且实测值介于均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式所得理论值之间，证明了所提理论模型的合理性；均匀冻胀模式与非均匀冻胀模式计算得到的地表最大竖向位移均出现在隧道中心正上方地表位置处，但不同冻胀模式下的隧道中心正上方地表竖向位移峰值有明显差异；当其他参数相同时，隧道埋深越浅，地表冻胀位移分布越窄而高，土体冻胀模式对地表位移分布影响越大；冻结壁越厚，地表竖向位移越大；不均匀冻胀程度常数越大，地表竖向最大位移也越大。建议根据工程具体情况，选用所提出的不同冻胀模式来预测水平冻结隧道施工引起的地表变形，以确保工程安全稳定。     

盾构进出洞洞门环形冻结加固温度场数值分析

盾构进出洞时洞门间隙的密封止水问题是盾构隧道施工中的一个关键问题。文中提出了一种洞门环形冻结密封止水装置及其施工方法,并采用数值建模分析该环形冻土帷幕温度场的发展规律。研究结果表明:盾构进出洞洞门环形冻结密封止水装置封堵能力强且见效快,特别适于具有承压水的含水地层中;工程中宜布设1根环形冻结管,其最终形成的冻土帷幕可有效封堵洞门间隙,满足密封止水加固要求;从冻结30d开始,冻结时间每增加10d,其冻土帷幕厚度增加约0.1m;最终盐水温度每降低10℃,其冻土帷幕厚度增加约0.2m;采用降低最终盐水温度的方法比延长积极冻结时间的方法好,其加固密封止水效果前者比后者提高一倍。所得结果可为今后类似工程设计提供技术参考依据。     

上海长江隧道联络通道冻结优化设计研究

上海长江隧道共设置8条联络通道,全部采用冻结法施工。为了优化联络通道的冻结设计参数,通过对1#联络通道冻结过程的现场实测,分析冻土帷幕厚度、冻土平均温度、开挖面温度等参数的演化规律;以冻结效率为考察指标指出了原冻结方案的不足之处,并提出联络通道冻结设计的优化方案;运用数值计算方法模拟了采用优化方案时联络通道的冻结温度场发展过程,并以采用优化方案的5#联络通道的冻结实测数据为例,对比分析了优化方案的冻结效果。实践表明,优化方案下形成的冻土帷幕有效厚度大、平均温度低、冻结效率更高。对冻结方案的优化设计为后续7个联络通道冻结施工的安全性、经济性提供了重要保障。     

异形加强冻结管在管幕冻结法中的冻结效果及使用方法研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段的超前预支护体系采用管幕冻结法,该工法将3种功能不同的特殊冻结管内置在顶管内进行冻结封水。其中异形加强冻结管主要起到减少或是抵消由于开挖和施作衬砌引起的热扰动以抵御冻土弱化的作用。结合管幕冻结法大型物理模型试验,重点分析异形加强冻结管的冻结效果及其使用方法。结果表明:1)异形加强冻结管降温效果明显,能抵御开挖和施作衬砌带来的热扰动;2)提前开启异形加强冻结管,形成良好的冻土帷幕后开挖更安全。     

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验；采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征；利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式；据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明：围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律；含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征；围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。