呼和浩特市地铁联络通道冻结施工监测与分析

内蒙古呼和浩特市地铁2号线1号联络通道采用冻结法施工,冻土帷幕的发展情况是确保联络通道顺利开挖的关键.基于现场监测数据,对该地区的温度场、泄压孔压力进行数据分析研究,研究表明：冻结场的温度在冻结前期变化较大,在冻结后期逐渐平缓,且温度均低于-10℃;通过对比,C2测温孔的降温速度大于C1测温孔的降温速度,因此土体所在位置冻结管排布密度越大且越靠近冻土帷幕内侧,土体温度降温速率越快;泄压孔可以及时监测土体内冻土帷幕是否交圈,泄压孔压力在冻结16 d后恒定在0.23 MPa,此时冻土帷幕开始交圈;通过公式计算得到冻土帷幕最小厚度2.358 m,平均温度-11.04℃,均符合设计开挖要求.通过分析得出该地区的冻结管设计方案安全可靠,以期对往后类似工程提供参考依据.     

越江隧道联络通道冻结法施工力学模拟

采用大型有限差分软件FLAC^3D,对上海越江隧道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,确定了冻土帷幕的厚度设计值,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．     

基于MATLAB PDE工具箱的土体冻结温度场模拟

为提高冻土温度场的计算效率,实现土体冻结过程中温度场的快捷求解,基于MATLAB PDE工具箱进行了土体冻结瞬态温度场的模拟。通过对模型边界及热传导条件的合理假设,基于模型槽中冻结管的法平面建立平面坐标系,在平面均匀传热的基础上实现了将三维的热源导问题转化为依据冻结管法平面建立的二维平面问题。对比分析了模型槽中各测温点的实测值与模拟值,结果表明:测温点的模拟温度曲线与实测温度曲线变化趋势基本一致,模拟降温速度大于实测降温速度,且靠近模型槽边界的测温点模拟值与实测值误差较大。研究结果可为人工冻结法施工过程中土体冻结瞬态温度场的预测提供参考。     

盾构隧道修复工程中的垂直冻结加固应用

在盾构隧道的修复工程中,为了隔离损坏段和完好段的联系,防止进一步的坍塌破坏,便于进行完好隧道内的清淤排水和隧道修复工作,在隧道损坏段和完好段分界处进行垂直冻结形成冻土帷幕,并布置温度监测系统进行实时监测,通过监测数据计算和分析冻土帷幕各种参数指导隧道修复工作的进行,并同时考察隧道修复工作对冻土帷幕温度的影响.计算分析表明,该冻结系统运转稳定,监测系统布置合理,冻土帷幕强度达到了设计与施工的要求.受管片切割和连续墙施工的影响冻土帷幕温度有一定升高,但是并没有高于设计冻土帷幕温度,这些工序结束后冻土温度继续下降.     

南京地铁集庆门盾构隧道进洞端头人工冻结加固温度实测

在人工冻结法施工过程中,及时掌握冻土温度场的发展情况是控制和指导施工的重要手段.以南京地铁集庆门站左线盾构到达冻结工程为依托,运用数字测温系统对人工冻结法加固盾构进洞端头的地层温度进行了原位监测,获得了在地层初始温度高、土层含水量大的情况下进行人工地层冻结施工的温度实测数据.在后期停止冻结后对人工冻土的自然解冻温度进行了监测分析.监测结果表明:土质对冻结温度场的影响胜于含水率对其的影响;地下水流速过快和土体中的空气能够阻碍冻结壁的有效形成;在洞口加固工程中注浆水化热不会对土体的冻结产生明显影响;冻土壁轴面上的自然解冻速率快于其他位置,但轴面处冻土的解冻周期性相对较长.     

浅埋暗挖隧道管幕冻结法温度场数值模拟

随着城市隧道和地下工程建设环境的日趋复杂,为了不影响城市地面交通正常运行秩序,地下隧道多采用暗挖工法。以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段为工程背景,根据现场冻结实测数据,通过有限元软件对积极冻结期隧道全断面进行冻结壁温度场数值模拟。结果表明:数值模拟温度变化结果与实测温度数据基本一致,冻结壁在50d时形成交圈,冻结90d时冻土帷幕平均厚度达到2.32m,交圈前20d积极冻结期,冻结管之间土体温度变化速率为-0.58℃/d,交圈后维护冻结期,该点温度变化速率为-0.22℃/d,说明冻结壁交圈前土体变化速率更快,研究结果可为类似的采用管幕冻结法施工隧道提供了参考依据。     

盾构始发端垂直冻结温度场数值分析与现场实测

太原地铁双塔西街站-大南门站区间盾构始发端采用垂直冻结法加固技术。由于盾构始发的特殊性,冻结帷幕的有效厚度能不能保证,是关系到土体加固是否安全的前提。通过建立三维数值模型对该工程冻结帷幕温度场随时间的发展规律展开研究,动态模拟冻结帷幕的演化过程,并且现场实时监测记录了冻结帷幕的温度变化和盐水温度随时间的变化情况,分析了在同一深度处各测温孔测点温度随时间的变化规律,计算了冻结帷幕厚度与冻结帷幕平均温度,验证了盾构是否具备始发的条件。结果表明:实测温度值和数值计算温度值总体趋势基本一致;采用垂直冻结方式、三排冻结管冻结施工的方案是合理的;用数值模型来模拟冻结帷幕温度场的变化过程是可行的。     

人工冻土温度场模型试验及冻土导热系数反分析

掌握人工冻土温度场的相关物理力学性质对冻结法施工意义重大,导热系数是计算人工冻土温度场的关键参数。采用人工冻土冻结试验平台进行人工冻土温度场试验,在模型土体的不同深度、不同平面位置布置热电耦测量温度的实时发展规律。通过数值法模拟人工冻土冻结温度场模型试验,对比分析不同点温度监测值和模拟值的关系,再以反分析方法为基础,利用最小二乘法准则将数值计算得到的测温点计算温度与实测温度进行对比分析,然后在准则函数计算范围内,用数值逼近原理,得到最优导热系数。最后,将最优导热系数的模拟温度和实测温度进行对比,验证得到的等效导热系数具有准确性。     

冻结技术在地铁及隧道工程中的应用

冻结技术是利用人工制冷技术原理来加固软弱地层的技术。介绍了冻结技术的主要工艺过程及基本原理，列举了冻结技术在地铁和隧道工程中的主要应用领域。对影响冻结加固土体强度和稳定性的冻土温度场进行了分析，对冻土的抗压强度和抗剪强度进行了试验研究。结合实际工程阐述了冻结技术加固隧道计算模型，并对地铁和隧道工程中应用冻结技术所带来的环境岩土工程问题进行了探讨。     

绝热边界作用下人工冻结温度场解析解

隧道地下工程采用冻结法施工时经常遇到地连墙等构筑物影响冻土帷幕发展的问题,给冻结方案设计和封水效果评估带来困难,危及后续开挖作业安全。为探明地连墙等绝热边界作用下冻结温度场的分布状态,掌握冻结壁局部受限时的发展规律,建立了半无限平面内包含直线绝热边界的温度场数学模型。通过热势函数叠加结合镜像法求解了单根、2根以及3根冻结管的温度场解析解,并采用数值模拟验证了其准确性和适用性。结果表明：解析解与稳态数值解吻合较好,与瞬态数值解的误差随冻结时间延长而减小,冻结第50天3种模型的误差分别为0.39℃、0.17℃和0.06℃,均能控制在0.5℃以内;等温线在绝热边界处与边界垂直,只存在平行于边界的热流而没有法向热流,绝热边界对于其与冻结管之间区域的温度降低更加有利;随着绝热边界与冻结管距离d的增加,对冷量传递的阻断作用降低,冻结模型逐渐向无限大平面模型转化,实际工程应根据冻结壁设计厚度,合理匹配管间距l和边界距离d的取值。     

基于三角形剖分的复杂GPR模型有限元法正演模拟

针对基于矩形网格剖分的时域有限差分法(FDTD)和有限单元法(FEM),对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的模型适应性差的问题,从雷达波所满足的Maxwell方程出发,推导探地雷达(GPR)有限元波动方程,通过采用三角形网格剖分和线性插值基函数,在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,应用Galerkin有限单元法求解GPR波波动方程;同时为消除FEM进行GPR正演模拟时来自截断边界处的超强反射,采用透射边界条件把GPR波在截断边界处的反射波透射出去,进而压制来自截断边界处的反射波。然后,编制GPR有限元正演模拟的Matlab程序。应用该程序分别对起伏分界面、"V"字形2个复杂地电模型进行FEM正演模拟,得到基于三角形网格剖分的FEM正演模拟GPR剖面图,并把该正演模拟剖面图与常规的基于矩形剖分的FEM正演模拟剖面图进行对比,结果表明:基于三角形剖分的FEM对于复杂GPR模型的物性参数分界面拟合更好,其模拟所得的正演剖面与实际模型更相符,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译。     

基于雷达信号特征点提取的结构物埋深估算方法

为了克服经验法推算结构物埋深的缺陷,基于检测对象的雷达反射波形特征,通过提取反射波形上的少量特征点,提出一种估算结构物埋深的新方法,并考虑实际检测中结构物反射波形的畸变,对估算精度进行分析评价.结果表明:对于理想的无畸变检测数据,该方法对结构物埋深、水平位置及电磁波速的估算结果较为精确;当反射波形存在畸变时,该方法对埋深的直接估算结果误差较大,平均误差达到55.202％,但对于电磁波速的估算结果较为精确;对于实测的有畸变检测数据,可通过电磁波速估算结果及测得的目标体双程旅时对埋深进行间接估算,估算精度满足雷达法检测对埋深估算的要求.相比经验法,该方法在估算精度、误差控制方面具有显著优势.     

联络通道冻结法施工风险评估与识别

联络通道施工有较高的风险性,要正确地评估和识别联络通道冻结法施工风险,并针对可能风险点提出相应的应对措施.根据联络通道工程的结构特征、所处的水文地质条件、周边环境、拟采用的施工工艺、施工能力和季节性的施工影响等因素,建立了联络通道施工风险等级评估标准,对联络通道风险划分等级,并结合工程实例进行了分析.归纳联络通道施工中风险事件产生的原因、后果,并提出相应的应对措施,有效对施工风险进行识别,防患于未然.     

应用低频微波波段GPR测量土壤结构

结合在内蒙古包头地区和上海崇明岛地区的实验站点开展的实验工作,尝试性地提出了探地雷达用于刻画农田土壤剖面层位结构的方法.按照该方法在对探地雷达数据进行处理和分析之后,得到了沿测线的土壤结构细化剖面图,并与开挖剖面对比,结果吻合良好,表明采用探地雷达可以有效地探测土壤层位结构.     

基于GPR反射波信号多维分析的隧道病害智能辨识

随着我国隧道工程建设的快速发展,由隧道病害引发的隧道质量和安全问题越发常见.通过地质雷达探测隧道病害对于减少隧道质量和安全问题具有十分重要的意义,为了提高病害探测的效率及可靠性,基于雷达反射波信号多维度分析,提出一种隧道病害智能辨识的新方法.根据反射波信号时域、频域及时频域分析结果提取病害信号辨识的6个典型特征,利用支持向量机算法对典型特征的训练构建病害信号的二分类模型,实现了病害水平分布范围的自动辨识;再依据病害信号的第一本征模态函数分量振幅包络计算病害深度分布范围,最终实现隧道病害的智能辨识.结合某隧道回填层雷达实测数据对智能辨识算法的性能进行评价,与人工辨识结果的对比表明,该智能算法对于病害的辨识能力较强,病害的识别率高达100%,但辨识结果中同时存在少量误判,准确率达78.6%,满足工程应用的需求.该算法可用于隧道工程各类地质雷达探测数据中病害的智能辨识,而对于其他领域的地质雷达探测数据,本文研究成果亦可为不同类型探测目标智能辨识算法的设计提供可行思路.     

石英砂岩体的地质雷达波频谱特征

经过岩土体介质反射回的地质雷达波特征携带了所穿透的岩土体内部的相关信息,其中地质雷达波频谱主频值可以作为判断岩土体结构特征的一个定量指标. 以围岩为石英砂岩的公路隧道工程为依托,采用MALA地质雷达配100 MHz屏蔽天线,对隧道掌子面前方的石英砂岩体进行超前地质探测试验,分析典型的Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级石英砂岩围岩的雷达波形图图像特征和雷达波在岩体介质中传播的傅里叶频谱特征. 通过分析现场试验数据,得出岩体介质的雷达波主频值因自身结构特征和周边环境变化而在一定的敏感频率区间内的规律. 对比分析研究结果与工程开挖实际,表明通过分析超前地质探测获得的雷达波傅里叶频谱主频值特征来反演识别围岩结构特征是切实可行的.     

Curvelet域GPR数据噪声压制与高频补偿方法

提出GPR数据Curvelet域随机噪声压制与高频补偿同步处理方法.首先，将GPR数据变换到Curvelet域，结合其多角度、多尺度的稀疏性，给出随尺度和角度变化的自适应阈值函数进行随机噪声的压制;其次，根据电磁波在完全弹性介质中的传播规律，结合Curvelet的多尺度多角度特性，求取时变补偿因子，倒数加权对应的尺度、角度，补偿高频损失;最后，进行Curvelet反变换，获得随机噪声压制与高频补偿以后的GPR数据.该方法属于完全数据驱动，克服了传统方法人为因素的影响.     

井筒开挖下非线性冻结壁的应力场和位移场计算

基于冻土力学性能试验获得的冻土应力一应变关系曲线所确定的冻土本构方程,分析人工冻结壁在井筒开挖过程中的力学特性;利用解除应力的概念,考虑冻结壁为非线性材料,推导出冻结壁的应力场和位移场的计算公式．通过对实际工程的计算分析表明,该计算方法可应用于深井冻结壁的设计计算．     

多层介质中路面雷达电磁波传播数值模拟

针对高效、快速、连续、无损的路面雷达应用技术存在的问题,研究了路面雷达电磁波在多层介质中的传播规律,基于电磁波理论的基本原理,从Maxwell方程着手,建立了雷达电磁波在路面结构体系中的传播模型,该模型考虑了介质介电常数虚部的贡献,理论上更加严谨,并更接近于道路工程实际,应用该模型,模拟合成了多层路面结构体系中雷达电磁波的反射信号,将其与实测信号对比,验证了所建立模拟方法的正确性和适用性。