超长联络通道冻结温度场发展规律及其对隧道变形的影响

为获得超长联络通道冻结过程对盾构隧道及周边地层的影响,以福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间冻结联络通道为工程背景,采用ANSYS有限元软件对长65.8 m的超长联络通道、盾构隧道及周边土层在双侧冻结过程中的温度场及位移场进行分析。结果表明:在积极冻结期前21 d,冻结管交叉区域的冻结壁扩散平均速率快,达到57 mm/d,后29 d平均速率只有27.6 mm/d;积极冻结期喇叭口附近区域存在宽10 m、高2.5 m的变形集中区,对地面产生变形影响最大;冻结对盾构隧道拱肩水平位移和拱脚竖向变形具有显著的影响,积极冻结期结束,拱肩的水平位移比盾构隧道右侧墙大85%,拱脚竖向位移比拱顶大45%。同时,结构变形及变形增长速率随冻结时间增加而增加。因此,建议应合理控制积极冻结时间及冻结方式,以确保建(构)筑物的安全。     

基于温度场分析的新型水下清淤装置数值研究

为了解新型水下清淤取样冻结装置在施工过程中的温度场发展变化规律,以及最终冻结效果的可靠性,采用有限元分析软件建立温度场数值模型,模拟水下清淤装置在冻结过程中的温度场发展动态变化过程,得到最终数值计算的温度场云图及等温线图。主要得到以下结论:积极冻结10 d可使-1℃等温线基本完成交圈,积极冻结20 d可使-10℃等温线完成交圈,此后冻土帷幕的发展速度减缓,冻土区域趋于平滑。通过分析设置在冻结装置上的5条观测路径及测温点,得到结论如下:积极冻结30 d后即可达到清淤所需强度,此时,各路径上的观测点温度均已达到-10℃以下,可以保证冻结效果的可靠性。清淤装置的冻结管排布方式对温度场发展会有较大的影响,顶部冻结板会影响温度场垂直方向的发展,其影响范围约为1.5 m。以上研究结果有助于对日后的工程实践提供相应的指导和帮助。     

渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场影响的数值模拟

地下水含盐量不同会影响土体的热力学性质,探究渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响,可为市政地下工程、矿井工程、海底隧道建设等提供科学依据。运用COMSOL水热耦合模块对含盐量不同的地下水基坑坑底冻结温度场发展规律进行研究,通过对比冻结壁的厚度和路径分析得到渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响规律。研究结果表明：当地下水含盐量>3%时,渗流对基坑坑底冻结帷幕的形成影响较大,相较于上游,下游区域受到的影响更明显;随着地下水含盐量的增加,积极冻结40 d后冻结帷幕温度逐渐升高,降温速率逐渐减慢,形成的冻结帷幕厚度也逐渐变薄,含盐量越高,冻结效果越差,降温速率越慢。     

用局部冻结法修复损坏的地铁隧道

京沪高铁桩基施工中造成上海某地铁隧道管片破损,大量淤泥流入隧道内部,工程采用台阶式封堵墙对隧道内部土体进行封堵,并对破损隧道内部进行注浆充填。隧道上部土体采用地面充填加固注浆的方法加固扰动土层;修复段采用“地面垂直冻结加固土体, 结合隧道内水平冻结加固土体,隧道内开挖构筑”的施工方案;在破损隧道上部及四周3 m范围内进行局部冻结,形成强度高,封闭性好的冻土帷幕。冻土帷幕形成后采用暗挖矿山法进行修复段隧道的开挖构筑施工,对破损管片采用原位修复方案,施工取得圆满成功。通过介绍隧道修复设计方案,并对现场监测数据进行分析,为类似工程提供借鉴。     

软弱粉质黏土层隧道工程冻结实验设计与仿真分析

针对软弱粉质黏土层中修建隧道工程,一般可考虑冻结法施工,我国隧道冻结法施工通常基于经验公式开展设计,对冻结帷幕扩展过程、最终冻结效果缺乏有效的检验和验证。本文依附深圳地铁某通道冻结法施工为工程案例,开展了软弱粉质黏土层中冻结试验工程的冻结施工设计、设计冻结效果的预测与检验、冻结水热耦合数值模拟,以及数值模拟冻结效应等研究工作,以期更好地揭示冻结帷幕的形成过程。研究结论对软弱粉质黏土层隧道工程冻结实验设计和与其数值模拟具有一定的指导意义。     

引洮7~#隧洞含水疏松砂岩地层冻结法施工数值模拟

为探究含水疏松砂岩地层引水隧洞冻结施工中冻土帷幕的形成过程及力学特性,对引水隧洞的冻结施工及开挖过程进行三维数值模拟。研究了冻土帷幕的温度场、应力及位移的分布,计算出冻土帷幕完全形成所需的时间及其压、拉、剪应力极值并确定极值发生的位置。结合现场监测数据,分析了冻结过程中冻土的温度变化规律及冻土帷幕的形成机理,最后提出了相应的措施及建议。     

考虑多地层相变的地铁联络通道三维冻结温度场数值模拟

地铁联络通道冻结法施工地层一般为多地层,各地层相变潜热具有差异性,尤其是富水卵砾石层差异较大,目前分析普遍考虑单一地层或极少数地层相变潜热,难以反映真实情况。依托南宁地铁联络通道冻结法施工工程,建立三维瞬态导热模型,并考虑多地层相变潜热,对联络通道的冻结温度场进行探究。结果表明,积极冻结约20 d,冻结圆柱逐渐增加并开始交圈;冻结43.22 d后,冻结帷幕的平均温度下降至-10℃以下。现场温度实测值与数值模拟结果温降趋势基本一致,与模型试验相差较远。     

越江隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

为直观了解冻土帷幕的力学特性,掌握隧道联络通道开挖过程对冻土帷幕的影响,保证开挖过程的安全,采用大型有限差分软件 FLAC ^3D ,对联络通道的开挖过程进行了数值模拟。从数值分析的角度对冻土帷幕的应力与变形进行了分析和安全评价,详细研究了冻土帷幕中应力与位移的分布情况,确定了冻土帷幕厚度设计安全值为 2.5 m （可以满足施工要求）,并指出了容易产生应力集中的位置为冻土帷幕与隧道接触部位。由于该部位在冻结过程中散热快,冻结效果差,所以施工中应该值得注意,同时也为今后的联络通道数值模拟与人工冻结法施工提供了参考。     

深埋水工隧洞水平冻结施工关键技术研究

引洮供水一期工程总干渠7号隧洞中下游两段总长78.65 m、埋深135.0～206.0 m洞段穿越新近系含水疏松粉(细)砂极软岩地层,采用"洞内水平冻结法"掘进。为掌握深埋地层冻结设计与施工技术,结合工程实践,对极软岩工程地质特性,以及"水平冻结法"设计、温度场、制冷系统与施工等关键技术进行了研究。冻结壁厚不小于2.0 m,均温-10℃,冻结孔35～40 d交圈,积极冻结时间40～50 d,循环盐水温度-28℃。圆形断面双圈发散布设冻结孔,类马蹄形断面洞段三循环冻结,掌子面及后方加强2个冻结孔布孔断面,掌子面双圈孔,内圈类马蹄形水平布孔,外圈及单圈加强断面发散布孔,圆形开孔,前方远端类马蹄形,总孔数229个,冻结管总长5.02 km。"水平冻结法"掘进全面成功,安全通过极软岩地层,取得重大技术突破与创新,填补了国内200.0 m以上深埋隧洞(隧道与巷道)洞内"水平冻结"工法技术的空白,开创了国内深埋水工隧洞"冻结法"施工技术的先导开端,标志着我国地下工程建设"冻结法"设计与施工技术全面跃上新台阶。     

软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明：(1)该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;(2)在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;(3)岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;(4)预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。     

苗尾水电站大坝基础帷幕灌浆特殊情况处理工艺

通过对苗尾水电站大坝基础河床段水平廊道内帷幕灌浆两个试验区施工过程及成果进行分析和总结,探讨倾倒变形发育地质条件下帷幕灌浆涌水孔段及回浆变浓孔段特殊情况处理工艺的有效性和可行性,为相似地质条件下帷幕灌浆特殊情况处理工艺提供参考和借鉴。     

局部超低温制冷治理多年冻土路基融沉的数值模拟研究

青藏铁路路基在全球升温和人为施工热扰动等不利因素的影响下会出现融沉现象,针对多年冻土地区升温引发的路基融沉问题,提出了采用超低温短时制冷进行工程抢险和维护冻土路基稳定的方法。主要分析短时超低温制冷方法在不同的布管位置(路基和坡脚地层)、布管角度(水平管和倾斜管)、管长度(5 m、7 m)和制冷时间等因素影响下路基温度场、冻土上限和融化盘的变化。研究表明:超低温制冷方法是一种高效治理融沉灾害的抢险施工工法;管长越长冻土交圈时间越短,因为超低温的制冷效率高,可以在短时间内使路基处于负温状态,显著提高承载力;路基水平管的冻结效果好,坡脚处的冻结效果差;冻土上限可以在短时间内最高提升5 m,融化盘面积大大减少甚至可以被消除;路基内最高温度可以降低2℃,路基的最大融化深度可以降低4 m。综上所述,只要施工采取适宜的布管方式就可以在短时间内使整个路基处于负温状态,同时提高路基的承载力,达到很好的工程抢险效果。研究成果对治理多年冻土地区路基病害具有参考价值。     

热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。     

单向冻结冻融循环三轴仪的研制及其应用

季节性冻土冻结时地下水通过毛细作用向冻结锋面迁移,在海拔较高或昼夜温差较大的地区,这种冻结过程可能在很短时间经历若干个循环过程。针对以上工况研制单向冻结冻融循环三轴仪,该装置能实现补水条件下的单向冻结试验,同时测试冻融循环条件下三轴强度试验。在此基础上,进行粉质黏土的单向冻结试验。试验表明,试样各断面的CT数随着冻结时间的增加不断降低,同时证明冻结锋面在冻结过程中不断由低温断面向高温断面拓展,再现了单向冻结过程中冻结锋面迁移过程。     

冻结管引起的周围土体温度场演变规律及参数化分析

针对稳定线性冷源热传导问题,为研究人工冻结法冻结管周围土体温度场的瞬态变化,基于冻结锋面将土体分为冻结区及降温区,构建相应人工冻结相变温度场模型,并采用变量替换法得到冻结温度场解析解,利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布。将理论解析计算结果与冻结槽试验结果进行比对,验证了理论封闭解的有效可靠性,并进一步通过参数化分析了与土体传热介质冻结温度场演变规律有关的初始温度、冻结温度、冻结温差、结冰潜热、盐水温度和冻结管吸热系数等影响因素的敏感性。结果表明:冻结锋面半径与冻结时间存在着平方根关系,冻结温度场呈对数型函数分布,且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小;土体初始温度、冻结温度、结冰潜能和盐水温度与冻结锋面半径均呈负相关,冻结管吸热系数与冻结锋面半径呈正相关;土体冻结温差、土体结冰潜能和冻结管吸热系数与土体冻结锋面半径的发展均呈现近似线性关系,传热介质初始温度和盐水温度对冻结锋面半径随冻结时间变化的对数型曲线曲率影响最大,结冰潜热和冻结管吸热系数次之,冻结温度最小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和进一步形成规范及指导冻结法施工技术具有重要意义。     

地铁联络通道冻结帷幕力学性能研究

为研究地铁联络通道施工安全性,结合地铁联络通道的实际受力特点,采用结构力学和ANSYS有限元软件对冻结帷幕进行计算,得到2种冻结帷幕的安全系数.结果表明,通道弯拉应力最大值为0.721 MPa,压应力最大值为0.779 MPa,剪应力最大值为0.617 MPa,最大位移为31.1 mm;泵站弯拉应力最大值为0.07 M...