地铁联络横通道水平冻结施工的热固耦合分析

基于考虑相变的热固耦合理论,采用GEO-SLOPE软件模拟地铁联络横通道水平冻结和开挖施工过程,分析地层温度场和位移场的变化规律。结果表明:隧道冻结帷幕交圈的时间约为26d,但需积极冻结到40d,冻结帷幕平均厚度达到120cm,再经过36d的维护冻结期才可实施开挖;在维护冻结期采用比积极冻结期略高的盐水温度,防止了冻土范围继续扩大,避免了隧道开挖过程中遭遇强度较高的冻土;在进行具体的冻结设计时,应结合地层和隧道轮廓线的特点,设定冻结盐水温度、冻结时间、冻结管间距和冻结管数量等参数;对比分析不同冻结帷幕保护下隧道开挖的地层位移场,结果证明冻结对抑制地层变形具有良好的效果,但需要足够的冻结时间方可将地表变形限制在可接受的范围内。     

地铁隧道穿越承压水砂土层冻结帷幕设计与施工

以南京地铁2号线集庆门站区间隧道施工为例,介绍冻结帷幕设计与施工技术在流砂地层、地下水丰富、地质状况不好、开挖支护困难地质条件下的地铁隧道施工中的应用,并对冻结帷幕设计及施工技术进行了论述。     

冻结法在富水砂层暗挖施工中的应用

以采用冻结法作为联络通道暗挖辅助工法的西安地区某地铁联络通道工程为研究对象,基于实测数据及数值模拟,进行湿陷性黄土地区富水砂层冻结法暗挖施工的土体温度场、应力场及冻胀融沉规律研究。结果表明:积极冻结期,越靠近冻土帷幕内侧、周围布置冻结管越多,冻结壁的发展速率越快;积极冻结期土体降温梯度随径向深度增加而增大;泄压孔对冻土帷幕的冻胀力释放及冻胀位移控制具有显著作用,其压力突变可作为冻土帷幕交圈闭合的判别依据;以冻土最慢发展速率计算得出的积极冻结期偏于保守,同时"成冰公式法"可用于湿陷性黄土地区富水砂层冻结法施工中冻土帷幕平均温度的估算;土体开挖后,冻土帷幕在联络通道内壁上会发生向联络通道内侧的位移;土体开挖后联络通道内壁冻胀位移的有限元计算结果存在3类误差,即度量范围误差、地应力平衡误差和开挖尺寸误差,前2类误差可通过调整有限元计算结果的度量范围进行减小。     

北京地铁区间联络通道冻结法施工技术

北京地铁一区间联络通道兼泵房采取冻结法施工,冻土帷幕是冻结法施工的关键所在。施工前对盐水温度、冻土温度、泄压孔压力进行现场监测,分析冻土帷幕发展规律,判定冻土帷幕各参数是否达到施工指标。通道开挖时获得冻土帷幕信息,以此来验证监测数据的准确性。结果表明:温度随着时间的变化先是急剧下降,之后缓慢下降趋于稳定;冻结壁交圈发生在泄压孔压力开始增大时,泄压孔压力稳定表明冻土帷幕基本形成。开挖施工获得的冻土帷幕信息证实了监测数据的准确性。     

地下水渗流对砾石地层人工冻结过程的影响

采用室内模型试验,研究地下工程中水渗流对砾石地层人工冻结过程的影响,分析砾石地层的温度场分布特征及冻结壁的形成过程、交圈时间和厚度演化机制。结果表明:人工冻结管的冷量扩散与地下水渗流之间存在显著的耦合效应;无渗流时,人工冻结过程中砾石地层上下游温度场呈现对称分布特征,且冻土圆柱和冻结壁厚度均匀一致;地下水渗流导致砾石地层上下游温度场呈现显著的不对称性,且渗流速率越大,不对称性越明显;冻结壁交圈时间随地下水渗流速率的增加而近似线性增长,渗流速率达到5.00 m·d^-1时为无渗流时的3.2倍;由于地下水渗流的"冲蚀"作用,上游冻结壁厚度随渗流速度线性减小,下游冻结壁厚度则线性增大,冻结壁呈现"马鞍"形状。     

地铁联络通道冻结暗挖施工三维数值模拟

建立包括双线盾构隧道、冻土帷幕、联络通道以及泵房在内的三维数值模型,模拟了地层冻结、联络通道开挖和支护的整个过程。分析了联络通道以及泵房开挖对冻土帷幕、初支护和主隧道的影响。从而,确定了初支护及冻土帷幕的受力最不利位置和发生最大变形的位置,并提出相应的控制指标。     

冻结法在城市地铁矿山法隧道中的应用

冻结法在作为矿山法隧道的一种辅助施工方法,代替了当矿山法隧道浅埋且位于富水的软弱地层时传统的地面注浆、大管棚、小导管、洞内注浆等辅助施工措施。其原理是在隧道周围布置水平冻结孔,并在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高、封闭性好的冻结壁(冻土帷幕),然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖与构筑施工。     

管幕冻结法冻结过程温度场数值模拟

对港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道管幕冻结过程进行了有限元数值模拟,分析了冻结管布置圈整体温度场及冻结帷幕厚度随时间的变化规律。结果表明:冻结过程中形成了以冻结管布置圈为中心的环形温度场,冻结管布置圈内的土体温度下降速度快于布置圈外,其最终温度也要低于布置圈外;在冻结30 d左右相邻冻结管的冻结范围开始重叠,形成了0℃以下的冻结圈;冻结48 d左右基本形成了连续的、具有一定厚度的冻结帷幕;冻土壁厚度达到顶管间止水要求的1.45 m的时间点在冻结72~84 d之间。     

联络通道冻结法施工对盾构隧道影响研究

冻结法加固目前已大量使用于富水地层隧道加固,如盾构始发接收、联络通道开挖。本文依托地铁盾构隧道联络通道工程实例,探究宁波地区冻结法施工过程中黏土冻胀和融沉机理,并通过冻结区温度、位移监测数据分析来讨论联络通道冻结法施工对隧道的影响,得出宁波地层易出现融沉及跟踪注浆的必要性,并得出了冷冻交圈时间及冷冻交圈形成后隧道影响变小,以及联络通道开挖易造成附近隧道结构上浮等结论,为盾构隧道联络通道冻结法施工工程提供借鉴和参考。     

盾构横通道冻结法施工数值模拟及现场应用研究

以珠机城际横琴隧道3#工作井～金融岛车站区间4#横通道为工程背景,采用冻结加固设计方案进行施工,并取得了良好的加固效果。针对横通道冻结法施工形成的形状复杂的冻土帷幕结构,利用FLAC3D对冻结法施工进行了数值模拟研究,通过对比现场监测数据,得到冻结帷幕的变形特性、应力分布特性以及开挖造成隧道周围管片应力的重新分布情况等。研究表明:拱顶沉降的数值模拟结果与现场监测值基本相同,说明数值模拟具有一定的科学性和合理性;横通道开挖前对通道内土体预加固能有效改善横通道拱顶和拱底的受力状态;喇叭口处作为整个冻土帷幕的最薄弱处,施工中需特别注意;横通道开挖容易使主隧道管片处于受拉状态,且拉应力多分布在开口环的对侧。     

联络通道冻结施工近隧道端土体温度场分布及管片保温措施优化

为了研究人工冻结法施工联络通道中近隧道端土体温度场的分布规律以及管片散热对土体温度场的影响,采用现场实测和数值计算的方法,对土体温度场分布、冻结壁厚度和管片保温措施进行分析。结果表明:土体温度、冻结壁扩展厚度均随深度的增加呈指数型变化,当深度大于2.2 m时冻结壁厚度和冻土温度场基本稳定;联络通道的冻结壁沿长度方向可划分为2侧交界面段与正常冻结段;冻结管间距是影响交界面段冻结壁厚度的重要因素之一,因此辅助冻结面冻结壁是联络通道施工中的主要风险点之一;管片散热对土体影响范围与冻结时间呈对数关系,随着冻结时间的延长,影响范围将逐步扩大;为保证交界面区域的冻结效果,可在钢管片内部靠近土体一侧增设5 cm夹心保温层或改良管片壁后注浆材料2种管片保温,优化后交界面靠近管片位置冻结壁厚度可提升约24%。     

季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律研究

对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地区铁路路基最大冻结深度约0.3 m;路基冻结深度主要取决于浅层土体的热通量及持续冻结时间;当表层热通量降低至某一临界值后,土体冻结深度不再发展,冻土厚度开始逐步减少;冻结深度与热通量、持续冻结时间呈线性关系,随着冻结状态时间的延长,热通量的敏感性下降,持续冻结时间敏感性上升。     

季节性冻土区铁路路基含水率变化特征研究

季节性冻土区路基冻害一直是困扰铁路工程建设和运营的核心问题。针对兰新铁路西段路基冻害严重的问题,探讨不同工程措施对路基冻融循环过程中含水率变化的影响,以及含水率对路基冻结深度及冻胀变形的影响规律。研究结果表明,季节性冻结对兰新铁路西段路基含水率影响的范围在0.4~0.8m,影响深度有限;“隔一挖一”、“隔三挖一”等工程措施能够有效降低路基含水率和冻胀量:含水率降低2%~5%,冻胀变形减少50%~70%。     

盾构进洞盐水冻结加固施工技术

介绍了天津地铁2号线东南角站—建国道站区间盾构进洞采用的盐水冻结法加固技术,该加固技术取得了非常理想的效果。结合工程实际对冻土帷幕和冻结效果进行的验算分析表明,采用盐水冻结加固技术降低了盾构进洞过程中出现漏水、涌沙的可能性。施工中在破洞门钢筋混凝土时要精细施工,注意防止破坏冻结管,减少盾构机在冷冻体的停留时间,并做好保温措施。     

兰新高速铁路高寒地段路基温度场数值模拟分析

兰新高铁浩门至大梁区间所处地区海拔高,气温低,冻结期长,属于深季节性冻土区。为解决该区间路基冻害问题,依据当地气候条件,运用ANSYS有限元分析软件,对低路堤、零断面换填路基及不同深度处铺设保温材料的路基温度场进行数值模拟,分析路基冻结深度的变化规律和最大冻结深度,为高寒区高速铁路路基冻害防治措施设计提供参考。研究表明:(1)由于兰新高铁浩门至大梁区间海拔高、冬季冻结时间长、气温低等原因,导致路基冻结深度大;(2)零断面换填路基实测地温和数值模拟计算结果基本相符,所选计算模型、参数等可以为其他相同条件断面数值模拟分析采用;(3)铺设保温板路基温度场较未铺设保温板的0℃线上移,冻结深度增加速率变小,最大冻结深度明显减小,路基保温效果较好;(4)由于路基边坡、基床以下部位土层性质、厚度、热物理参数等影响,低路堤最大冻结深度比零断面换填路基大。     

人工冻结砾石土三轴剪切强度试验研究

为分析冷冻温度和含水量对于砾石土抗剪强度参数的影响,通过室内试验对南宁地铁联络通道砾石土层进行冻结状态下的三轴剪切强度分析,研究围压、冷冻温度以及含水量对于其强度演变的影响,分别得到几个特征围压下的砾石土冻结强度与冷冻温度及含水量的关系。试验结果表明:砾石土的三轴剪切强度随着冷冻温度的降低而升高,温度效应明显;同时,含水量变化对于其剪切强度影响也十分显著,在试验研究范围内冻结砾石土偏应力峰值与含水量成一定的正相关性,随着含水量增加,冻结冰晶体含量随之升高进而引起土体胶结能力增大,相应的强度有所提升。该三轴剪切强度符合Mohr-Column准则,黏聚力与内摩擦角随着冷冻温度的降低而增大,随着含水量的增加而增加。同时,冷冻温度对于砾石土三轴剪切强度参数的影响受土体含水量变化影响显著。     

青藏铁路旱桥冻胀力的弹塑性分析

假设土体在冻结前已固结完毕,冻结过程中土体为具有弹塑性本构特征的各向同性体,土中的水分迁移符合达西定律,且土颗粒不可压缩。在给出冻土温度场、水分场基本方程及冻土弹塑性本构方程后,应用弹塑性有限元法,模拟旱桥施工过程。依次求出旱桥在围岩自重作用下的初始应力场、当前应力水平下围岩的温度场和体积膨胀引起的等效节点荷载,再求出上述荷载增量对应的应力增量和当前的围岩应力场,重复上述计算步骤直到规定年限。本文对青藏铁路旱桥单桩冻胀过程中在未来20年的应力场进行模拟计算,结果表明旱桥仅在靠近桥桩底部产生塑性应变,且塑性应变区很小,该旱桥是安全的。另外,本文提供分析寒区旱桥冻胀的理论与数值计算方法,可为类似工程设计提供参考。     

地铁区间冷冻法联络通道融沉注浆施工技术探讨

在富水砂层中,地铁隧道的联络通道施工一般采用冷冻法对开挖土体进行加固,但联络通道结构完成且土层停止冻结后,冻土会逐步融化,土体体积缩小,从而引起路面沉降,影响行车安全,采用融沉注浆方法可及时有效填充冻土融化后的空隙,将路面沉降控制在可控范围内。文章从注浆原则、注浆孔布置、注浆材料、施工工艺等方面对冷冻法联络通道融沉注浆施工技术进行系统阐述。