交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明:在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18 ℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。     

复杂条件下隧道联络通道冻结施工设计与实践

介绍了我国首个江底隧道联络通道冻结工程的设计、施工监测等情况。对冻结系统盐水温度、冻结帷幕土体温度、冻胀压力、隧道变形等方面的监测结果进行分析研究,获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻胀压力、隧道变形的变化规律,保证了工程的信息化施工。冻结法在该类工程中应用效果良好。     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

暗挖换乘通道对既有车站和区间影响分析

北京草桥地铁站为既有10号线与新建19号线、新机场线的换乘车站,新建车站与既有车站的换乘通过长距离换乘通道方式实现,换乘通道采用暗挖法施工,且紧邻区间隧道和地铁车站,施工影响较大.提出了双导洞台阶法+施工控制+深孔注浆联合保护措施,依据规范要求提出了相应的位移控制指标,建立了包含换乘通道与既有地铁结构的三维计算模型,分析了车站、隧道的竖向和水平位移的变化规律.结果表明:换乘通道临近区间隧道和地铁车站施工,除施工控制措施外,需要辅助以深孔注浆措施;区间隧道和车站的最大位移值分别为4.04和4.50mm,小于变形控制允许值,地铁结构位移余量足够;最大位移发生在区间隧道与地铁车站连接处和地铁车站端头位置,需在现场监测中重点关注,加密该位置测点;南侧换乘通道施工引起的竖向位移和横向水平位移占位移总量66%以上,是地铁结构安全保护的关键步骤.     

兰州地区黄土冻胀特性和水平冻胀力试验研究

为研究不同含水率黄土在一维冻结条件下温度场、冻胀量和水平冻胀力的变化特征规律及冻胀力与冻结温度之间的动态关系,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻胀试验。研究结果表明:土体的降温过程分为3个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速率曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。冻胀量变化曲线按照变化趋势分为3个阶段: 轻微冻缩阶段,快速发展阶段,拟稳定阶段,不同含水率的土体经历各阶段的时间有所不同。冻胀量随着土体含水率的增加而增大,本试验中含水率14%和20%的土体最终冻胀量分别为3.52 mm和 8.23 mm。在相同土质和温度条件下冻胀力发展的起始温度相同,约为0.60 ℃,含水率不同的土体出现最大水平冻胀力的温度不同。最大水平冻胀力沿土体深度先增大后减小,最大值出现在相对深度0.6~0.8处。     

南通地铁典型土层冻胀特性试验研究

冻土的冻胀特性是地铁隧道的重要资料,在-5℃,-10℃,-15℃下,针对南通地铁典型土层冻结黏土进行冻胀力和冻胀率的试验,获得冻胀程度随时间的变化规律,基于此,利用试验数据对传统冻胀率公式进行优化,改进后的公式运用在具体工程中的计算值能很好的拟合试验值,故能更有效表征南通地区地铁典型土层冻土的冻胀特性,可为南通地铁建设中冻结法隧道建井提供可靠资料。     

地铁联络通道冻结加固对既有线冻胀控制

以武汉地铁机场线盘龙城站—宏图大道站间6#联络通道施工为工程背景,针对地铁机场线隧道与既有线地铁3号线隧道距离短,相隔仅6 m的情况,采用仿真分析,考虑地层未加固和地层搅拌桩加固两种情况下,研究冻胀对地铁机场线隧道和上部地铁3号线隧道的影响。计算了机场线和3号线隧道的等效应力、三种主应力,分析应力最大值的位置。通过分析结果得知,3号线隧道拉、压应力均较大,管片承载力非常不利,必须采取泄压孔泄压和控制冻土体积等防冻胀措施;提出设置泄压孔控制冻胀和改变封闭式冻结为开放冻结控制措施;针对减少机场线隧道和6#联络通道施工引起其周围地层变形的问题,提出减少对3号线隧道影响的控制措施。     

人工冻结作用下淤泥质黏土冻胀特性试验研究

冻结法施工在上海软土地区隧道附属设施建设中(如隧道旁通道、地下泵房等)得到较多地应用。上海地铁隧道一般位于第④层饱和淤泥质黏土层中,饱和淤泥质黏土层冻胀变形使地铁隧道管片破裂、渗水或漏泥,严重影响隧道管片质量与地铁安全运营。以上海第④层饱和淤泥质黏土为研究对象,通过室内冻胀试验,研究冷端温度对土体的冻胀力以及冻胀率的影响规律,结果显示土样冻胀率以及冻胀力与冷端温度具有较好的线性关系。通过冻结温度试验测出了土体的冻结温度,同时建立了第④层饱和淤泥质黏土的冻结温度场,进一步揭示了冻结锋面的发展与时间的关系。研究成果为上海地铁隧道冻结法设计、施工与地铁安全运营提供了有价值的参考。     

寒区裂隙冻岩隧道岩-水-冰力原位测试及冻胀力模型

为了研究寒区裂隙冻岩隧道冻胀力并建立合理的计算模型,以川藏公路雀儿山隧道为工程依托,组合利用水压力计、土压力盒和多点铂电阻温度传感器进行冻胀力原位测试,考虑静水压力,提出了裂隙成环贯通原位冻胀时的隧道宏观冻胀力理论模型,并将计算结果与原位测试结果进行了比较分析。研究结果表明：现场原位测试方法考虑了岩-水-冰在冻结过程中随时间和温度的变化特征,避免了对裂隙岩石细观结构模型的讨论,方案合理且易于实施;裂隙岩石冻结前水压力随径向深度增加而线性减小,径向1.5～2m围岩内裂隙水挤出形成急剧增压区间,靠近结构处水压力降到最低;原位测试得到冻胀压力0.615～3.355MPa,空间分布以拱顶处最小,拱腰处最大,冻胀力模型计算得到的冻胀压力约0.46MPa,去除水压力,裂隙成环贯通宏观冻胀力理论模型计算结果接近于工程实际。     

富水粉质黏土中地铁联络通道冻结法试验研究

基于现场试验,对富水粉质黏土地层条件中联络通道在冻结法施工中温度场变化及地表变形规律进行研究。结果表明:在冻结期间,各测温孔的温度下降趋势大致相同,但冻结壁向冻结管外侧发展的速率是向内侧发展的1.35倍;受开挖施工的影响,远离开挖边界的测温孔各测点温度比靠近开挖边界测点温度下降得快,且冻结主面土体受开挖升温的影响比冻结辅面大;冻结施工期间的地表竖向位移变化可分为小幅隆起、冻胀加快、冻融起伏、地表下沉和融沉注浆5个阶段;冻结初期,冻结管交圈后竖向位移抬升加快,联络通道开挖导致竖向位移起伏震荡,但整体呈抬升趋势,完全解冻需要3个月左右;开挖期间,最大冻胀量、最大沉降量曲线分别呈倒"V"型、"W"型,联络通道中轴线上方测点冻胀量较大,距离中轴线越远,冻胀量越小,联络通道上方沉降量较小;建议粉质黏土地层冻结施工交圈时间不少于40 d,冻结壁平均温度为-10℃。     

单向冻结条件下饱和粉质黏土的冻胀试验研究

在单向冻结条件下对饱和粉质黏土试件进行了6种工况下的室内冻胀试验研究.结果表明:冷端温度、压实度、温度梯度、上覆压力和补水条件是影响土体冻胀变形的关键因素;温度梯度、冷端温度和上覆压力与土体冻胀变形呈反比,压实度与土体冻胀变形呈正比;冻胀率是表征土体冻胀敏感性的关键指标,与材料参数和冻结条件有关.最后,基于试验研究提出了用于指导工程应用的路基冻胀病害防治措施.     

冻融循环下隧道非冻土段底部融沉变形规律

为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响。利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算。计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变化,底部围岩出现周期性的冻融,最大融沉位移逐年增加,第8年开始冻融变形达到稳定,最大融沉位移可达20.0 mm,冻胀位移则稳定在5 mm左右。总体来说,随着围岩温度周期性变化趋于稳定,其冻融位移的周期性变化也趋于稳定。在不同气温影响下,随着隧道进深的增加,隧道底部的最大冻胀位移和融沉位移均减小。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

寒区隧道衬砌结构设计方法

在寒区冬冻夏融周期变化的环境下,冻害问题常影响到隧道结构及运营安全。为提高寒区隧道设计水平,节约工程建设成本,同时保证隧道安全正常运营,本文提出了新的寒区隧道衬砌结构设计思路:在提出寒区隧道衬砌设计流程的基础上,给出了不同冻土段衬砌结构选型的建议:冻岩隧道可采用三层复合式衬砌结构,工程冻土段隧道可采用柔性支护体系的复合式衬砌;系统总结了多年冻土段和工程冻土段的冻胀力控制措施;从结构设计角度,分析了铺设保温层的必要性取决于:冻胀力的量值和衬砌结构的耐久性;最后将提出的寒区隧道衬砌结构设计方法应用于实际工程,定量评估了姜路岭隧道围岩冻胀力控制措施的效果,且目前隧道现场科研监测未测到冻胀力;根据本文研究成果,优化了白茫雪山1号隧道衬砌结构的设计,考虑到保温层铺设成本较高且延缓了施工速度,调整了衬砌保温结构设计,减少保温层铺设长度3 810 m。     

水泥土加固法冻胀抑制效应数值模拟

水泥土与人工冻结联合加固法在盾构隧道端头加固中效果明显。本文以南京地铁十号线过江隧道端头联合加固工程为背景,分别进行了水泥土及原状土体冻结温度场和冻胀位移场耦合数值模拟研究,并通过对比实测与数值模拟结果,验证了计算方法的正确性。研究结果表明:冻结管间、冻结管与围护结构间区域降温速度较快,后排冻结管后方受加固体影响,是冻结壁发展最不利部位;冻结管和围护结构的约束作用会抑制周围土体的冻胀,两排冻结管间冻胀位移最大;水泥加固后地层冻胀敏感性明显减弱,地表最大冻胀量为对应原状土的14.3%,1 mm以上冻胀量地层在深度方向上为对应原状土的30.6%。研究结果对进一步探索水泥土与人工冻结联合加固工法有指导作用。     

变温幅度和间歇时间对土体冻胀影响的试验研究

选取冻胀敏感性粉质黏土,利用人工冻土一维冻胀试验系统进行不同变温幅度和间歇时间作用下的后间歇冻结试验,以试样冻深达到稳定阶段为初始时刻分析冻结锋面、冻胀量及温度梯度变化曲线,得到冷端变温幅度和间歇时间对土体冻胀的影响规律.结果表明:不同变温幅度作用下的冻结锋面、冻胀量曲线呈周期性变化,变化周期为240 min,与间歇时...     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

复杂工况下超长联络通道冻结法设计与施工

不同于常规联络通道冻结工程,超长联络通道的设计与施工存在巨大差异。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工程为例(两隧道中心距65.8 m),系统介绍了复杂工况条件下超长联络设计与施工中的关键技术,包括:区间隧道与联络通道结构优化与调整、长距离水平钻孔试验与质量控制、冻结加固设计理念与主要技术参数、开挖前冻结效果评价、开挖构筑分段与过程管控、冻胀压力释放与后期融沉控制等方面。该工程已安全、顺利完成,开创了国内超长联络通道冻结工程的全新记录。其成功经验表明:超长联络通道采用双泵站结构、双向冻结加固的方案是可行的,整体风险可控;采取分区冻结、错时冻结,对控制冻土体量、减小冻胀量具有重要作用;长距离水平钻孔过程中,应加强过程控制,以最大终孔间距作为控制指标,及时修正下一冻结孔钻孔参数;双向开挖和分段浇筑二次结构,兼顾了效率与风险管控,值得肯定。另外,施工中也存在一些需进一步深入研究问题,如:长距离水平钻孔偏斜控制、长距离泄压、融沉控制等。