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。     

基于 Matlab PDE 工具箱的土体冻结温度场模拟研究

分析并运用Matlab PDE tool模拟模型槽土体冻结的温度场并验证模拟值的准确性。首先,通过合理的边界假设,使三维的模型槽土体冻结热传导问题转化为二维空间;然后,运用Matlab PDE tool进行模拟并对比测温点的模拟温度和实测温度。结果表明：土体冻结中温度场导热可以通过Matlab PDE tool模拟,且操作简单易于掌握;测温点模拟值的准确性与测温点距边界距离和冻结时间有关。     

水平冻结法温度场数值模拟

以天河客运站折返线暗挖隧道为背景,分析三维温度场同二维温度场区别及冻结壁厚度的发展趋势,通过ANSYS对冻结区域的温度场进行数值模拟,对冻结区域进行温度的定量评价,并分析了各个冻结时间段的温度场分布、冻结壁厚度。对数值模拟模型的建立进行了优化设计,对数值模拟计算的单元点划分粗细部位也进行了优化,从而建立贴近实际的模型,提高计算精度,给实际的设计和施工提供可靠的温度数据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

RJP高压旋喷法及冻结法在盾构接收端头的组合运用

为解决复杂周边环境及软弱富水地质条件下的盾构接收难题,以天津地铁5号线某车站盾构接收端头加固工程为例,提出RJP高压旋喷法+冻结法组合加固方法。结合理论计算和工程实际,给出RJP工法及冻结法的加固方案和工艺参数,并对冻土温度、地表及管线位移进行实测分析,得到如下结论： 1）同一测温孔中间位置温度低于两端,同一深度处内圈测温孔温度低于外圈,冻结壁由中间向两端、由内圈向外圈发展; 2）管线在土体冻结及解冻过程中均未发生明显位移,说明RJP工法改良土体可有效抑制冻结引起的冻胀融沉; 3）地表最大沉降17.4 mm,管线最大沉降6.2 mm,均满足位移控制要求,证明RJP工法及冻结法组合加固方案合理可行。     

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。     

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。     

MJS加固试验桩水化热对温度场影响研究

为确定MJS+水平冻结法联合加固的冻结开冻时机,对MJS加固水泥土试验桩水化放热规律进行研究。采用直接法测定水泥水化热获得不同水泥质量掺量（40%、45%、50%、60%、70%）的水化热和水化放热速率,利用水化热室内试验所得数据进行数值模拟预测MJS加固体温度场变化规律,并结合现场MJS试验桩温度实测数据进行对比分析。结果表明： 1）MJS水泥土试验桩的中心温度随水泥质量掺入比增大而提高; 2）试验桩温度模拟值与实测值变化趋势相近,验证了数值模拟的正确性; 3）MJS水泥土试验桩的中心温度先升高后缓慢降低,5 d左右水化放热量达到峰值,温度为56.1~69.2 ℃,水泥土水化放热随水泥质量掺入比的增大而升高; 4）大体积水泥土因水化作用中心温度上升较大,单桩MJS水泥水化热在施工后30 d基本释放完成,故宜在30 d后进行人工冻结加固。     

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。     

考虑隔热层的寒区隧道围岩温度径向传播规律及相关参数研究

寒区隧道围岩径向温度传播规律对隧道保温设计具有重要的指导意义。目前寒区温度场的研究多为现场实测与理论分析2个方面。为得到寒区隧道支护结构与围岩温度沿径向变化的规律,自行研制了温度模拟足尺试验仪器,并在此基础上开展了无隔热层与有隔热层2种条件下的模拟试验,分析了隧道围岩径向温度场变化规律。结果表明： 模拟环境温度为-12.5 ℃条件下,无隔热层时,90 h时环境温度降到-9 ℃,初喷混凝土层与围岩的交界面处的温度降低至0 ℃,当温度进一步降低时,围岩出现冻结状态,且随着时间的推移,冻结范围逐步扩大,192 h时环境温度降低到-12.5 ℃,各界面温度基本达到稳定; 设置4.5 cm隔热层时,由于隔热层作用,450 h时支护结构混凝土及围岩内的温度均大于0 ℃。结合试验最后确定了隔热层、隧道支护混凝土与围岩的导热系数与导温系数,结果可为寒区隧道保温设计提供依据。     

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。     

桥梁实测频率的温度影响分析

基于桥梁健康监测系统的实测数据,研究了桥梁实测频率的温度影响规律,结果表明桥面实测频率在一天内呈周期变化,且总体趋势随温度升高而降低,但桥面频率时程曲线与温度时程曲线有时存在相位差。利用有限元模型分析了桥梁温度变化与频率变化的内在影响机理,结果表明温度导致的弹性模量的改变对频率的影响占主导地位,温度变化量与频率变化量近似成线性关系,并且有限元模拟的频率的温度影响趋势与实测数据的温度影响趋势一致。     

地铁联络通道人工冻结粉质粘土变形与温度特性试验研究

为研究温度对粉质粘土变形特性的影响,以冻结粉质粘土为研究对象,通过三轴剪切试验,研究了不同温度条件下粉质粘土变形特性.试验结果表明:温度对土体的变形和强度存在显著影响.同一偏应力作用下,温度越低,变形越小.温度与冻结粉质粘土强度大致呈反余切函数关系.冻结粉质粘土应力-应变关系呈硬化型,无峰值强度.未冻粉质粘土应力-应变关系呈软化型,有峰值强度.依据Duncan-Chang模型建模思路建立了以温度为影响因子的冻结粉质粘土本构模型.偏应力和应变呈幂次函数关系.温度则主要通过幂次函数的系数A和B影响冻结粉质粘土的应变.最后,将建立的本构模型导入有限元分析软件MIDAS中,并以沈阳地铁DK11+ 395联络通道处工程为例,对冻结法施工过程中的土体变形进行了数值模拟.数值计算结果与现场监测结果吻合程度较好,验证了所建立本构关系模型的有效性.     

考虑非线性时变相关特性的支座纵向位移精细模拟方法

为准确模拟支座纵向位移、实现支座纵向伸缩性能的精准评估,以铜陵长江大桥为背景进行研究。基于该桥主梁温度和支座纵向位移的健康监测数据,分析主梁温度对支座纵向位移的非线性时变影响规律,提出基于非线性时变系数回归模型的支座纵向位移精细模拟方法;利用该方法计算支座纵向位移,并与实测数据及多元线性回归模型的模拟值进行对比。结果表明:在1 d内支座纵向位移与主梁温度之间具有较明显的非线性时变相关特性,相关特性曲线呈现出扁圆形的时滞特征;非线性时变系数回归模型的模拟结果与实测结果的变化趋势更为接近,其模拟结果与实测结果之间的绝对误差为10.5%,多元线性回归模型的模拟结果与实测结果之间的绝对误差为30.79%,非线性时变系数回归模型比多元线性回归模型具有更高的拟合精度。     

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。