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。     

饱和软土地区束合管幕结构受力性能足尺试验研究

为降低地下工程建设对城市地面道路、管线、建（构）筑物的影响，改善管幕法修建的地下通道结构受力，提出一种依托横向预应力的新型地下结构形式——地下束合管幕结构。基于工程需求，针对该束合管幕结构开展1/4结构的足尺试验研究，以探究束合管幕结构在设计工况、超载工况下的变形响应。结果表明： 1）结构变形发展可以分为弹性受力阶段与非线性阶段2个阶段； 2）束合管幕结构的薄弱位置在结构顶部1/4跨的结合缝处，结合缝脱开是关键点，脱开应力为2.106 MPa； 3）束合管幕结构能够承受2倍的设计埋深对应荷载而不出现任何脱开，当结合缝脱开后结构刚度降低60%，同时，在4倍设计埋深对应荷载下，结构未破坏且仍具备承载能力； 4）在超载工况时，预应力应变增量与结构竖向挠度之间几乎呈线性比例关系。     

冻结法在强扰动地层地铁联络通道施工中的应用

结合广州地铁二、八线延长线工程南浦站-洛溪站区间联络通道冻结法施工,简述了冻结施工中关键节点--冻结施工前准备、开挖及后期融沉控制等的注意事项,并对冻结全过程的冻结盐水温度、冻土温度、卸压孔压力、冻胀压力等进行跟踪监测。通过对监测结果进行分析,获得冻结盐水温度、冻土温度、卸压孔压力、冻胀压力等变化规律,据此为联络通道冻结施工提出建议,并将本工程与常规冻结法施工进行对比,指出了卸压孔压力、冻胀压力及冻胀融沉变形等变化规律与常规地层的冻结不同。本工程的成功经验可供其他相似工程参考。     

土压平衡箱涵掘进机的设计研究

为解决管幕箱涵工程中，大断面箱涵推进阶段正面土压力平衡失稳导致的管幕体系失效的问题，依托上海市田林路下穿中环线地道工程，设计1台土压平衡箱涵掘进机用于箱涵推进施工，并介绍箱涵掘进机的设计条件、主要参数选择，壳体结构受力分析和应用情况及效果。研究结果表明： 1）土压平衡箱涵掘进机通过正面土压力的平衡有利于地面沉降控制； 2）通过SolidWorks三维平台对箱涵掘进机的壳体进行建模受力分析，得出结构设计完全能够满足施工荷载条件； 3）箱涵掘进机的姿态控制主要依靠已完成的管幕作为导向，并通过同步推进系统调整箱涵左右行程偏差； 4）刀盘配置存在切削盲区，在加固区施工过程中会造成推力过大。     

冻结法几个关键问题及在地下空间近接工程中最新应用

地层冻结法在我国应用已超过60年。作为地下工程和隧道工程治水最有效方法之一,既有它的优势也存在一定的风险。给出冻结工程的全过程流程,并从冻土结构在施工过程中受力机制分为“隔水”（水压）和“既隔水又承受岩土压”（土水压）之间的差异,详尽说明需要考虑的影响设计的主要因素,特别对地层冻胀和融沉机制和预防做出详细阐述,最后给出在隧道工程的地层冻结方面的最新进展。     

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。     

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。     

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。     

冻结法联络通道工程前期阶段风险管控——以福州市轨道交通2号线紫阳站—五里亭站区间超长联络通道及泵站冻结工程为例

冻结法联络通道工程是自身风险工程，为弥补联络通道冻结法工程施工之前（前期阶段）风险管控方面的缺失，以风险管控为主线，从工程技术角度对联络通道冻结工程的风险源识别与风险等级评价进行分析，提出减小或规避联络通道冻结工程风险的技术措施，包括： 1）合理选择联络通道的位置，尽量避开重大环境风险和工程地质风险； 2）适当增加联络通道处钢管片的数量，增强隧道结构整体强度和抵御风险的能力； 3）对联络通道前后一定范围的隧道管片背后进行二次注浆，适当加固地层； 4）优化联络通道及泵站的结构尺寸，以利于冻结施工； 5）合理进行冻结法加固专项设计，避免出现冻结薄弱面。     

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。     

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。     

季节冻土区高铁路基保温层稳定作用研究

针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程，基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型，对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明：保温层有效降低路基的冻胀量，同时减小左右路肩的冻胀量差；保温路基与普通路基的总含水量分布相似，由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内，其冻深远小于普通路基。     

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。     

联络通道冻结法施工三维力学分析

应用人工冻结土体技术开挖隧道的联络通道,涉及到土体冻结的热力学作用以及冰冻土体与隧道结构相互影响等一系列复杂的物理力学过程。采用FLAC3D建立主隧道、联络通道及冻结管的三维数值模型,综合考虑了温度计算、冻土与非冻土的转变及土体的冻胀作用,研究了人工冻结法对隧道管片及周围土体的力学响应。通过对冻胀率参数敏感度分析,研究土体冻结变形、冻胀力及隧道管片内力的变化,所得到的初步结果对冻结法施工有着实际的工程意义。     

冻胀状态下盾构隧道匝道非开挖连接最优曲线探究

基于采用主线与匝道盾构间设置横向管幕与冻结法相结合，构筑新的结构来建造两者间分合流段。为了寻求较为合理的曲线连接，首先假定在无弯矩的理想状态下推导出相应的平衡方程，并考察在冻胀情况下判断出最优曲线的轨迹应为圆弧。最后依托上海市北横通道工程实际，选择上下匝道出主线的方案建立最优曲线方程，为结构整体受力分析打下基础。     

寒区隧道冻胀力计算方法研究进展与思考

近年来，随着中国西部及青藏高原地区交通网的建设，修建了越来越多的寒区隧道，然而寒区隧道冻害也频繁发生。隧道冻胀力计算是寒区隧道防抗冻设计亟待解决的难题之一。首先将现有的冻胀力计算方法分为基于含水风化层冻胀模型、衬砌背后积水冻胀模型、冻融圈整体冻胀模型3类。含水风化层冻胀模型利用侧压力代替冻胀力作用，衬砌背后积水冻胀模型将冻胀力归结于衬砌与围岩之间的局部积水冻结膨胀，冻融圈整体冻胀模型则认为冻胀力系冻融圈围岩含水冻结后整体膨胀所致。然后对这些方法及其基于的假定与适用性进行了系统的分析和总结。最后重点分析了基于冻融圈整体冻胀模型的冻胀力计算方法，并归纳出3种考虑冻融圈冻胀变形的方式：①假定冻结圈冻胀位移模式；②假定冻结圈围岩各向均匀冻胀；③考虑冻结圈围岩非各向均匀冻胀。剖析了不同冻融圈冻胀变形处理方法的区别和联系，并通过工程案例对比分析了不同冻融圈冻胀变形处理方法对冻胀力计算结果的影响，分析了考虑围岩非各向均匀冻胀时冻胀力解的适用性。研究结论可为寒区隧道工程设计提供借鉴。