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。     

管幕冻结工法补充定额测定与应用

管幕冻结工法是一种在复杂建设条件下开挖隧道或地下空间的创新工法,缺少相应的预算定额。依托港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道项目建设,在分析该工法工艺流程、对典型工作进行定额测定和分析的基础上,确定工料机消耗定额,编制了预算定额。该补充定额可为类似项目造价管理提供参考。     

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。     

拱北隧道管幕工程顶管间距计算分析

为使管幕相邻顶管之间能够形成稳定土拱,防止管幕周围土体发生局部坍塌,需要合理控制管幕顶管间距。针对全断面支护管幕工程,结合管幕支护机制,运用土拱效应理论,对管幕顶部、中部、底部3个特殊位置形成的管间土拱进行分析,建立相应的管间土拱模型,分析土拱的受力情况; 运用土体的极限平衡条件对拱顶和拱脚进行稳定性验算,得出顶管间距的控制式。针对港珠澳大桥拱北隧道管幕工程,结合管幕所在地层的土体参数,对隧道顶管间距进行计算分析,得出拱北隧道顶管间距为0.47 m。与工程顶管间距实际取值（0.35 m）相比,计算值略微偏大,符合工程实际情况,说明建立的管间土拱模型是合理的。     

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。     

拱北隧道超大管幕顶进横向地面沉降及管间作用分析

为研究小间距圆周群管顶进时的地面沉降规律及顶管间的相互作用,结合港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道管幕工程,对群管顶进引起的地面沉降进行分析,确定小间距圆周群管顶进时地层损失率的取值,提出沉降槽宽度系数的经验公式,并通过数值模拟分析先顶管群对后顶管引起地层损失及最大沉降的影响。研究结果表明： 拱北隧道管幕工程群管顶进引起的地表沉降满足控制标准要求。随着顶管埋深的增加,单根顶管引起的沉降槽宽度系数随之增大,地表最大沉降量随之减小,顶管顶进时的初始地层损失率为1.5%。由于顶管顶进技术熟练程度的提高以及先顶管群对土体的加固作用,地表沉降得到有效控制,管幕所有37根顶管顶进结束后的平均地层损失率减小至0.8%。     

拱北隧道5台阶14部开挖施工组织方案分析

港珠澳大桥拱北隧道口岸暗挖段采用255 m曲线管幕+冻结法施工,采用5台阶14部开挖方法穿越富水软弱地层及拱北口岸敏感区域。为解决该工法下大断面开挖及多工序交叉作业施工的施工组织及安全问题,从现场管理角度出发介绍5台阶14部开挖法的施工方案,通过现场施工验证方案的可行性,并分析施工中存在的部分台阶断面划分、导洞施工顺序安排、工作面设置等方面存在的问题。据此,提出开挖方案和施工组织优化思路以及增设斜坡道的比选方案,监测结果表明： 施工组织调整及优化是切实可行的,能够确保拱北隧道按期顺利贯通。     

管幕冻结法钢管-冻土接触面剪切试验研究

为研究“管幕冻结法”这一新型工法中 “钢管-冻土”复合结构接触面剪切强度的影响因素及规律,基于港珠澳大桥拱北隧道工程,通过变角剪切试验方法设计不同剪切角度的试验,对温度和粗糙度2个维度进行探究,试验结果拟合出-5、-10、-15、-20、-25 ℃ 5种温度条件以及R=0.0、0.3、0.5 mm 3种粗糙度条件下的剪切面剪切强度包络线。试验结果表明： 温度对钢管-冻土接触面内摩擦角影响不大; 对接触面黏聚力,在-15 ℃之前,黏聚力近似呈线性增长,在-15 ℃达到峰值,在-20 ℃达到波谷,继而随温度的降低而增加。钢管-冻土接触面粗糙度的增加对结构面剪切强度的提高具有正向促进作用,但粗糙度过大会对接触面处的冻土体结构（如冰颗粒和土颗粒间隙等）造成一定的内部损伤,导致剪切强度下降。试验给出最优剪切强度下的温度及粗糙度取值区间。     

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。     

拱北隧道暗挖段曲线管幕顶管施工精度控制技术

针对曲线顶管相对直线顶管精度控制难度更大,管幕形成难的问题,以拱北隧道暗挖段曲线管幕顶管施工为例,从顶管轨迹控制测量、顶管始发、顶管顶进、顶管接收等方面进行了研究,分析了在敏感的周边环境、复杂的地质条件下、长距离、曲线管幕顶管施工的精度及沉降控制技术。经分析,采用UNS导向系统并在合理的顶进参数及有效的控制措施条件下,通过纠偏手段和精度控制,可以有效降低后行管对先行管影响,确保管幕形成。     

隧道超前支护管棚工法设计与计算研究

上世纪80年代以来,随着新奥法在我国的推广应用,在不少隧道和地下工程中采用了管棚支护。但是有关管棚支护受力情况和设计参数,国内普遍以经验为主,缺乏系统的理论探讨,故对管棚做适当简化进行计算来检验根据经验所选参数是否合理是很有必要的。结合坨家山隧道塌方处理方案,总结了超前支护管棚工法应用时的围岩荷载确定方法,给出了管棚结构的简化计算模型和管棚参数的选定方法。     

浅埋偏压膨胀土隧道大管棚预加固效果分析

针对小河沟膨胀性黄土铁路隧道浅埋偏压段大管棚施工工艺,分析了大管棚的受力状态和对围岩的加固效果。利用快速拉格朗日限差分软件FLAC3D模拟隧道管棚施工,得到各工况下管棚与管棚注浆壳体的受力变形情况和掌子面前方围岩变形位移,将所得结果与无管棚支护时的围岩变形位移比较,分析研究管棚预支护效果。试验分析表明,管棚有效抑制了掌子面前方软弱围岩的塑性流动,增强了围岩稳定性。     

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。     

城市富水地层大型地下空间管幕冻结规律模型试验研究

为解决管幕+冻土复合结构在大体量冻结工程应用时冻胀规律不明确、控制效果不稳定等难题,基于上海轨道交通18号线江浦路车站管幕冻结暗挖工程进行了开放系统下的模型试验。通过对不同影响因素下的管幕冻结冻胀特性和管幕受力规律进行试验研究,得出以下结论： 1）管幕可以对冻胀产生较好的约束作用,管幕+错峰冻结可以有效避免上覆土体及结构抬升; 2）间歇冻结后管幕受力曲线根据间歇时间呈现规律性锯齿波动,停冻3、5、7 d后,管幕所受冻胀压力分别可以减少约40、50、60 MPa,表明采用间歇冻结可以有效降低冻胀压力; 3）上覆地层压力越大,管幕受冻胀压力越小,较大的上覆压力可以约束冻胀的发展。     

富溪双连拱隧道偏压段管棚效应分析

采用三维弹塑性有限差分法\[1\]对富溪双连拱隧道进口偏压段管棚的预支护作用进行了分析，得出了软岩中管棚支护作用明显，偏压双连拱隧道管棚不均衡设计等结论，对同类工程的设计与施工具有一定的指导意义。