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。     

考虑相变作用的冻土路基变形场的数值分析

多年冻土活动层中每年都发生着季节的融化和冻结,并伴生有各种冻土现象。由此产生了多年冻土路基冻胀、融沉、纵向裂缝、反拱及波浪等一系列病害。冻土的冻胀融沉特性是导致道路工程冻害的直接原因,为了进一步定量描述其特性,本文建立了冻土路基变形场的二维数值计算模型,并应用有限元的方法求解路基土体冻结时变形场的分布规律。通过对土基范围内冻胀带对路基土体变形场作用的研究,进一步分析了冻土路基破坏的机理。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

多年冻土地区路基冻胀变形分析

首先模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化,然后考虑土体体积力和土体冻结相变产生的冻胀力,采用考虑拉破坏的热弹性力学方法,分析得到多年冻土地区路基变形分布和演变规律;在此基础上,对冻土路基纵向裂缝的成因进行研究,揭示出冻土路基纵向裂缝主要出现于路面中部及路面靠近路肩部位,这与实际情况是相符合的。进一步的分析表明:采用低冻胀性的土填筑路基,如采用碎石土填筑,对于降低冻土路基冻胀变形及防治纵向裂缝病害是有效的。     

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。     

浅埋大直径盾构隧道施工期衬砌上浮及地表隆起的模型研究

为解决大直径盾构隧道施工过程中出现的浅覆土段隧道衬砌上浮与地表隆起问题，以上海虹梅南路越江隧道工程为背景，对该问题开展理论研究。将引起隧道上浮的上浮力作用分解为基于浆液时变性的静态上浮力和由注浆压力产生的动态上浮力；分别定义上浮力分布段及浆液凝固段的等效地层弹簧刚度系数，基于Winkler地基梁理论建立衬砌上浮模型；由衬砌上浮位移量计算开挖面上部土体的挤压宽度，土体经挤压隆起引起地层“反向损失”，继而求解隧道轴线上方地表横断面隆起曲线及沿隧道长度方向地表位移曲线。结果表明： 1)模型计算所得地表横断面的隆起曲线呈正态分布，与实测数据吻合较好；2)沿隧道长度方向地表位移计算值能够较准确地预测地表最大上浮位移，且在地表上浮位移隆起量减少前与实测数据吻合较好；3)地表隆起位移只在盾尾离开后一段时间内存在，其值先增大后减小，最终趋于0。     

管幕冻结法浅埋大断面隧道开挖方案对衬砌性态及地层位移的影响

经验表明,在软土、浅埋大断面隧道开挖方案中,加固方式对衬砌结构受力、隧道收敛变形和地层位移影响显著。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道具有隧道埋深浅、结构断面尺寸大、地质条件差、地理位置政治敏感性强等特点。以该隧道为背景,利用数值模拟方法,分析大直径钢管管幕冻结法施工和隧道开挖方案对衬砌结构受力和地层变形的影响。经分析发现:不同开挖方案对衬砌受力、变形和地层位移的影响显著;在分台阶开挖过程中,台阶越小,引起的衬砌受力、隧道收敛变形和地层位移越小;管幕冻结对改善衬砌受力和地层位移效果显著,根据管幕冻土受力特性对其关键受力部位提出建议。     

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。     

土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。     

扩挖支护对软弱围岩公路隧道初期支护结构影响分析

由于山子顶软弱围岩公路隧道施工现场所采用的环形开挖留核心土法并不能保证隧道施工的顺利进行,提出扩挖支护施工方案。首先论述扩挖支护施工工序,然后采用ANSYS有限元方法构建扩挖支护厚度为0、20、30、40、50、60 cm 6种三维计算模型,系统分析扩挖支护与初期支护的力学行为。研究得出:扩挖支护是软弱围岩隧道一种相对优越的施工方案,且当扩挖支护厚度达到60 cm时初期支护的主压应力为16.4 MPa,主拉应力为0.486 03 MPa,满足其材料强度要求。     

不同桩基长度对隧道开挖地层变形影响试验研究

为了研究城市隧道沿线邻近既有桩基的情况下，不同桩基长度对隧道开挖导致地层变形规律，通过一个透明土物理模型试验并采用基于PIV技术的土体内部断层三维变形量测系统监测变形，得到了在不同桩基长度下，隧道施工过程中的地层变形规律。研究结果表明:随着桩基长度的增加，隧道开挖引起的隧道周围土体的变形区域先增大，然后减小，中长桩基的存在对隧道顶部土体竖向变形和水平变形均有遏制作用。     

风积沙地层大跨公路隧道施工过程力学行为分析

采用三维数值模拟和现场监测的手段,对风积沙地层大跨公路隧道超前支护效果、工法参数优化、围岩压力释放和沉降发展规律进行分析。通过计算结果与监测数据的对比分析,得出了风积沙地层隧道开挖过程中围岩压力的变化形态、二次衬砌施作时机和最终形变荷载大小以及沉降发展等规律。分析结果表明：旋喷桩超前支护将掌子面潜在失稳区域控制在旋喷壳下部掌子面前方D/2范围（D为单洞开挖跨度14m）;三台阶法施工台阶长度宜取（1/3～1/2）D;二次衬砌落后下台阶掌子面的距离宜取D/2;二次衬砌分担荷载较大,分担比例约为50%。     

岩溶富水区铁路隧道加厚底板结构施工力学行为研究

为研究岩溶富水区加厚底板+隧底大水沟的新型衬砌结构在开挖过程中的力学行为,利用大型商业有限元软件对中心水沟的开挖工况进行分析计算。结果表明： 1）拱脚以上设置初期支护但底板不封闭时,中心管沟距离掌子面下台阶15 m情况下, Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段开挖过程中隧道混凝土接近正常使用极限状态,隧道收敛及沉降值均在规范允许范围内,但隧道基底隆起量及塑性区较大; 2）中心管沟每循环开挖长度对隧道变形、基底隆起量及塑性区分布影响较小,隧道封闭时间滞后是主要影响因素; 3）中心水沟与掌子面下台阶距离最大取15 m, 2种衬砌段中心水沟每循环开挖长度取5 m; 4）Ⅴa型衬砌段采用临时支撑约束拱脚水平变形或者对隧底地基进行锚索+注浆加固。