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。     

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。     

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。     

基于力法的含砂淤泥质土层冻结壁厚度计算

高含水软弱地层多采用人工冻结法施工,冻结壁厚的设计是关键。通过理论推导及模型简化,提出含砂淤泥质土层冻结壁厚的设计方法。以苏州地铁联络通道为依托,在室内还原现场条件,得到某一温度下人工冻土的物理力学试验参数,并对其进行综合分析,以强度控制法与力法为计算基础,考虑所涉及的相关安全系数,确定含砂淤泥质土层冻结壁厚为2 m。     

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。     

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     

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。     

考虑冻结管影响范围的多管冻结温度场研究

冻结法施工中,冻结管的布置间距往往大于单管冻结锋面半径,且考虑到冻结管影响范围有限,为增强冻结温度场计算的准确性,基于势函数叠加原理,推导双管冻结叠加稳态温度场的计算公式,并将其周期化得到单排等距多管稳态温度场。结合依托工程的地层参数,通过数值模拟对推导公式进行验证。研究表明:1)考虑相邻冻结管叠加影响范围有限性的双管稳态温度场计算公式能较准确地预测出一般冻结期内的温度分布规律; 2)在双管温度叠加区内,冻结管连线中点为中垂线温度的最低点,且随着冻结管间距的减小,该点温度不断下降,但中垂线上冻结壁厚度并不改变; 3)随着冻结壁厚度的增加,双管稳态温度场接近加强单管稳态温度场。     

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。     

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。     

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。     

人工地层冻结的环境效应及其工程对策

以应用较广泛的人工地层冻结法为例,从人工冻土环境效应的角度,分析冻土的重要物理力学特性如冻胀、冻胀力和融沉的作用机理,探讨适当的工程对策以控制或减少这些因素对环境的影响,最后通过地铁工程实例进一步说明这些因素与环境相互作用的规律,为拓宽人工地层冻结法在复杂环境中的应用提供参考。     

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。     

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。     

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 ℃。     

天津地铁隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

通过对天津地铁二号线13标联络通道地铁隧道联络通道冻结法施工进行力学模拟分析,研究了冻土帷幕的变形及应力分布情况,科学地对冻结法施工进行了详细的力学模拟。通过运用大型有限差分软件FLAC3D,对联络通道的开挖过程进行了数值模拟,对冻土帷幕的应力与变形进行了分析和安全评价,全面剖析了冻土帷幕中应力与位移的分布情况,最终科学地计算了冻土帷幕的厚度设计值,明确了容易产生应力集中的位置,需要特别注意冻土帷幕与隧道接触部位的应力变化,该部位在冻结过程中散热快,容易影响冻结效果,在施工过程中应该重点关注,对今后地铁联络通道或相关类似工程都具有一定的参考价值。     

基于pF Meter的土体冻结特征曲线研究

为解决冻土中土体冻结特征曲线(SFCC)长期以来只能通过经验模型间接推测获得,且土体冻结特征曲线(SFCC)与土水特征曲线(SWCC)间关系的相关研究也因技术手段制约而仅停留在理论假设阶段的问题,采用可直接用于极端负温条件下的pFMeter基质势传感器,得到青藏红黏土、兰州粉土、细砂这3种不同粒径土体的冻结特征曲线,获得三者在冻结过程中未冻水数量与能量变化之间的规律;对过去冻土学研究中利用Clapeyron方程间接转换获得土体冻结特征曲线方法的可靠性进行试验验证;此外,针对不同粒径大小土体冻结特征曲线及土水特征曲线进行比较,并对以往冻土冻胀研究中将饱和冻土中冰晶等划为非饱和融土中气体的方法进行验证。结果表明:Clapeyron方程得到的冻结特征曲线与实际测定的冻结特征曲线基本一致,Clapeyron方程可用于土体冻结特征曲线的预测;冻结特征曲线与土水特征曲线虽在形态上具有一定的相似性,但由于冻结过程与脱湿过程土中相的不同所致的各相间界面力不同,导致其在数值上存在一定差异,且差值大小与土体平均粒径成反比,进而证明了被广泛用于冻土研究中的将冻土中冰晶体视作融土中气体来简化冻结过程中冰晶-液态水-土颗粒关系的方法并不合理,并从理论上阐述了其机理;相关研究成果可为后续研究冻胀过程中水分迁移机制与水分迁移驱动力提供相应的基础理论支撑。     

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。     

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。     

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。