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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

液氮冻结二次加固在富水软弱地层小盾构接收中的应用与实测

为研究富水软弱地层盾构工程单独使用水泥土加固难以解决涌水涌砂的问题,以秦淮-滨南220 kV线路盾构隧道“K4”井盾构接收工程为背景,对已有化学加固的盾构端头采用液氮垂直局部冻结进行二次加固封水,提出盾构接收时冻结实测应满足的条件,进行冻结实测及温度发展规律分析。实测表明： 1）水化热影响下,冻结壁平均发展速度为81.9 mm/d,为正常液氮冻结速度的55%~68%,为常规盐水冻结速度的3.2倍; 2）液氮冻结的冻结壁平均温度为常规盐水冻结的3倍; 3）液氮冻结工期为常规盐水冻结的1/3~1/2; 4）维护冻结期间液氮消耗量为积极冻结期间的1/3便可维持冻结壁温度。利用液氮快速冻结进行二次加固封堵涌水能有效保证工期,避免事故的发生。     

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。     

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。     

水平冻结法温度场数值模拟

利用ANSYS有限元软件,选取合适的物理参数对冻结壁的温度场进行数值模拟,得到冻结壁的温度分布再与实测的测温孔的温度比较,从而论证模拟的数据与实测温度的吻合度。     

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     

大直径公路隧道圆形联络通道的冻结加固设计与实践

人工冻结技术是软土地层中联络通道加固的常用方法,而联络通道结构形式是影响冻结加固设计和施工的重要因素。依托上海沿江通道工程,针对江底大直径隧道的工程特点和地质条件,介绍了圆形冻结加固体的设计方法和施工过程,分析了地层温度和隧道变形的变化规律。获得以下结论:水土压力作用下,圆形冻结壁内部不会出现拉应力,可以充分发挥冻结壁抗压强度高的优势;沿联络通道轴线平行布置的双圈冻结孔布置形式,使形成的冻结壁更均匀,而管片内表面敷设的冷排管的加强冻结方式,也可以避免冻结壁内部出现薄弱环节。圆形冻结壁结构形成过程中产生的冻胀作用,对两侧大直径隧道影响较小,可以保证隧道的安全和稳定。研究结果表明,圆形联络通道冻结加固形式较传统直墙拱形断面具有明显的优势,研究成果可供类似地层的联络通道冻结设计和施工时参考。     

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。     

拱北隧道管幕冷冻施工中的冻胀控制技术研究

以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道为工程实例,研究管幕冷冻法工艺中地层的冻胀控制原理和技术。基于热力耦合原理,采用有限元预测人工冷冻过程中的土体温度变化及地表冻胀位移,比较和分析管幕周围土体预注浆和采用限位管模式对地表冻胀的控制效果。结果表明： 管幕周围土体的预注浆降低了土体的渗透系数及冻胀率,抑制了土中水分迁移,是冻胀控制技术的主体;限位管有效地降低了冻土的发展速率,加强了冻胀控制效果,是冻胀控制技术的有效补充。通过对现场地表冻胀实测数据与有限元模拟结果的比较分析,从地层温度和地表位移分布规律说明了冻胀控制技术的工作原理。研究结果为拱北隧道的顺利实施提供了技术保障,提高了我国复杂条件下超大断面隧道建造的总体技术,还可为类似人工冷冻法隧道施工提供技术参考。     

城市富水地层大型地下空间管幕冻结规律模型试验研究

为解决管幕+冻土复合结构在大体量冻结工程应用时冻胀规律不明确、控制效果不稳定等难题，基于上海轨道交通18号线江浦路车站管幕冻结暗挖工程进行了开放系统下的模型试验。通过对不同影响因素下的管幕冻结冻胀特性和管幕受力规律进行试验研究，得出以下结论： 1）管幕可以对冻胀产生较好的约束作用，管幕+错峰冻结可以有效避免上覆土体及结构抬升； 2）间歇冻结后管幕受力曲线根据间歇时间呈现规律性锯齿波动，停冻3、5、7 d后，管幕所受冻胀压力分别可以减少约40、50、60 MPa，表明采用间歇冻结可以有效降低冻胀压力； 3）上覆地层压力越大，管幕受冻胀压力越小，较大的上覆压力可以约束冻胀的发展。     

平面斜交联络通道水平冻结及实测分析

为解决常州地铁1号线翠竹站-常州火车站区间隧道联络通道因预留钢管片错环造成联络通道平面斜交的问题,采用Z字 型联络通道结构方案及平面斜交联络通道冻结加固方案,对冻结全过程进行温度与变形实测,分析其冻结温度场发展规律以及因 冻胀引起的地表位移变化规律。 得出以下结论: 1)因加强冻结孔的加强作用,其变化规律与常规直交联络通道有所区别; 2)下行 线左侧外侧测温孔外部测点降温速率比内部测点快,而内侧测温孔内部测点降温速率比外部测点快,下行线右侧恰好相反; 3)下 行线左、右侧测温孔开挖时温度回升的测点分别为外部测点与内部测点; 4)联络通道地表隆起最大值分布线亦倾斜,其最大倾角 约为36.2°,与联络通道倾角相近。     

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。     

管幕冻结法现场试验研究

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。该工法独创运用内置在顶管里面的冻结管、加强管以及限位管3种管路的冻结系统,以便实现“冻起来、抗弱化、控冻胀”这一独特的管幕冻结法理念。通过现场试验,对该工法在现场条件下的冻结效果以及控制冻结方案进行研究。试验结果表明： 管幕冻结法在现场环境下具有优良的封水效果; 通过限位管实施的“热控”限位效果局限于限位管区域而调控盐水温度的“冷控”限位则对整个冻结帷幕都能产生影响。