冻结法盾构直接破除孤石过程中土层温度场变化的规律

为研究盾构机在对孤石施工时的温度场发展规律,尝试了一种基于盾构机直接推进并通过孤石的施工方法,同时运用有限元软件,采用单因素分析法对数值进行了分析.在模型中选取2条路径,并在路径上布置分析点,观察和分析了不同温度的热水在解冻盾构刀盘时的温度变化规律.数值结果表明:在240 h之前的冻结速度较快,之后的冻结速度变慢;在960 h时,在水平方向上形成了1.5 m的冻土帷幕,在盾构刀盘上方形成了0.6 m的冻土帷幕;解冻盾构刀盘的热水温度对温度场变化的影响较大,热水解冻的温度越高,解冻的速度越快,最终盾构刀盘附近的温度也越高;在984 h时,路径2上的2号分析点只有50℃热水解冻盾构刀盘,使其温度达到0℃以上,此温度下土体解冻.在工程实际中,建议热水解冻温度为20℃,解冻时间为4 h,水平有效冻结区域分0.6～0.9 m,此研究结果可为今后相关的实际工程提供参考依据.     

人工地层冻结有限厚度冻土帷幕自然解冻规律

采用数值方法分析单排和多排冻结管形成的冻土帷幕自然解冻规律,以及冻土帷幕完成解冻所需的时间及平均解冻速度随厚度的变化.研究结果表明,对于有限厚度冻土帷幕自然解冻,相变所需的时间占主要部分.单排冻结管形成的冻土帷幕,相变所需的时间占整个解冻时间的90%左右;多排冻结管形成的冻土帷幕,相变所需的时间占整个解冻时间的随排间厚度的增加,从80%下降至60%.此外,单排管冻结形成的冻土帷幕自然解冻,其解冻时间和平均解冻速度与厚度大致呈抛物线关系;而多排管冻结形成的冻土帷幕自然解冻,其解冻时间和平均解冻速度与厚度大致呈线性关系.     

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.     

耦合效应下联络通道解冻规律研究

结合上海长江隧道一号联络通道工程,在温度应力耦合控制方程的基础上,分别考虑自然解冻和人工强制解冻条件下对流散热、混凝土初衬、二衬水化热等影响因素,分析了土体内部温度场、冻土厚度的发展变化以及由于冻土的解冻产生的融沉效应.通过分析发现自然解冻条件下经过大约44 d冻土完全融化,衬砌混凝土的水化热对冻土的解冻影响较大;不考虑混凝土水化热的作用,至50 d冻土仅能解冻23%;由于冻土的融沉效应,联络通道区域整体沉降,通道中心竖向位移为-2 cm;采用强制解冻冻土解冻较快,仅需4.3d就可完全解冻,与冻结过程相反,双排管之间最先解冻,然后是内侧冻土,最后是外侧冻土.     

盾构出洞水平冻结解冻温度场三维有限元分析

为揭示人工冻土解冻规律,对某地铁区间隧道盾构出洞水平冻结工程融化温度场进行了三维数值模拟分析,并研究了土体导热系数、比热容、含水率和环境温度等因素变化对人工冻土融化温度场的影响.计算结果表明:冻结帷幕解冻所需热量主要来自于与隧道管片和混凝土槽壁接触的大气;解冻过程可为负温阶段、相变阶段和正温阶段,土体温度在负温阶段上升较快,相变阶段上升速度明显变缓,进入正温区后土体温度回升速度再次增大;负温阶段受比热容的影响比较显著,含水率增大引起相变阶段明显延长,导热系数和环境温度变化对三个阶段都有显著影响.为跟踪注浆控制融沉提供了理论依据.     

基于指数积分函数的人工冻土温度场解析研究

人工冻土温度场是与空间和时间相关的且含有相变的瞬态温度场.将指数积分函数作为人工冻土瞬态温度场的解析形式,通过指数积分函数的近似级数表达式和工程应用,说明瞬态冻土温度分布的近似解析解是可行的,且分别在时间和空间上服从对数规律分布.从冻结相变过程中,得出了冻土帷幕扩展厚度、速度与冻结时间关系的理论表达式,为冻结工程分析冻土温度分布、冻结帷幕的厚度、强度及冻结时间提供了一条新的途径.     

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。     

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.     

冻土墙墙体时空扩展过程中热能消耗的有限元分析

用于人工冻土墙形成过程相关计算的Sanger—Sayles经验公式是，Fourier热传导方程在单值热物理参数轴对称条件下的求解结果，对结构形成过程中冻结管吸热的计算采用了不合理的温度分布假设，计算结果不能令人满意。运用有限元分析程序，完成了对热物理参数非线性变化土体材料的人工冻结过程的计算分析，模拟了冻土墙时空扩展过程，研究了土体内的温度分布以及能量消耗等问题，在此基础上推导出的关于冻结过程的能量消耗计算的一般形式，对人工冻土墙的工程设计具有重要的指导意义。     

液氮冻结技术在盾构井二次封水中的应用

某地铁车站盾构始发井采取水泥搅拌桩和高压旋喷桩加固止水失效后,采用了液氮冻结快速修复加固技术。文章介绍了盾构始发井液氮冻结加固封水的冻结系统和监测系统,并对冻结效果进行了分析。冻结13d后形成了封闭的冻结壁,很好地封堵了涌水。经强制解冻,拔出洞门范围内的冻结管,盾构机安全始发,表明了液氮快速冻结技术可以作为盾构井原加固失效后的补救措施。     

地铁隧道水平冻结法施工冻结壁温度场影响参数分析

以地铁隧道水平冻结法施工中最常见的粉质粘土为例,应用大型数值分析软件ANSYS系统研究冻结管直径、冻结管间距、盐水温度、土层含水量4大因素对冻结法施工中温度场的影响,提出各因素对冻结壁厚度和冻结时间的灵敏度公式;在各影响因素下通过灵敏度对比分析,得出各因素对冻结壁厚度灵敏度影响规律,该影响规律由大到小依次为:盐水温度、冻结管间距、冻结管直径、土层含水量.     

水泥改良土融沉对地层位移场影响的数值分析

【目的】分析水泥改良土融沉对地层位移场的影响规律,为水泥土改良冻结法应用于城市地下工程提供理论基础。【方法】以南京地铁10号线盾构出洞水平冻结加固工程为研究对象,采用三维数值模拟方法对水泥改良土融沉引起的地层位移进行了分析,采用单因素分析法,分析了融沉系数、覆土厚度、冻土壁尺寸对融沉位移场的影响规律。【结果】冻结区土体未经水泥土改良时,地表最大融沉量为12.811 cm; 水泥掺入比为12%时,地表最大融沉量为1.521 cm,表明水泥的掺入可明显减小冻土融沉。【结论】水泥土融沉时,土层越深,融沉位移越大,融沉范围越小; 地表融沉位移呈盆状沉降面,最大沉降位于出洞口处,随融沉系数增加,地表最大融沉量逐渐增大,但地层沉降分布规律不变; 覆土厚度越大,地表融沉量越小; 冻土壁尺寸增加时,地表位移发展速度变缓,地表沉降时间延长,最终融沉量增大。     

海相人工冻土热物理特性试验研究

【目的】沿海城市轨道交通主要穿越海相深厚软土,需要大量使用冻结法施工,而该地区典型土层热物理特性是冻结法设计的关键依据。研究土质、冻融条件等因素对海相人工冻土冻结温度、热物理性质和冻融性质的影响可为该地质条件下的隧道施工提供基础资料。【方法】选取宁波地区3种典型土层,即淤泥质黏土、粉质黏土和砂质粉土,开展冻结温度和热物理参数测定,以及封闭与开放系统下冻胀融沉试验。【结果】3种土层冻结温度为-0.43～-0.23 ℃,且以砂质粉土的较高,粉质黏土的次之,淤泥质黏土的较低; 不同土层热物理性质不同,但其常温土的导热系数和容积热容量大小呈现一致性,表现为砂质粉土最大,粉质黏土次之,淤泥质黏土最小; 冻土的导热系数、容积热容量和导温系数均大于常温土,冻土导热系数为常温土导热系数的1.37～1.77倍,且颗粒越粗差异越大; 各土层冻胀率和融沉系数相差较大,冻胀率较大的土层其融沉系数也较大,表现为淤泥质黏土＞粉质黏土＞砂质粉土; 开放系统补水冻结过程下各土层冻胀率和融沉系数分别为封闭系统冻结过程不补水工况下冻胀率和融沉系数的1.23～1.88倍和1.21～1.84倍。不论是开放系统还是封闭系统,海相土体各土层的融沉过程相似,可分为缓慢融沉、快速融沉和稳定融沉3个阶段。【结论】海相土体的冻结温度、热物理性质和冻融性质与其土质、状态和冻融条件等因素密切相关,在进行海相土体冻结法设计与施工时,应充分考虑其物理特性的差异性。     

变管径冻结管对地铁联络通道冻结温度场的影响分析

在地铁联络通道的冻结法的设计与施工中,冻结管通常为倾斜放射布置。这导致联络通道不同横截面冻结管间距不同,最终引起冻结温度场的不均匀发展。以郑州地铁5号线联络通道为背景,在冻结管内盐水流量不变的情况下,对现行冻结管的尺寸做出调整,通过改变冻结管尺寸来改变管内的盐水在不同位置的流速,从而改变冻结管不同截面的对流换热系数,使联络通道的冻结温度场得到均匀发展。利用ADINA数值分析软件对联络通道冻结法设计建立三维模型,分析改变管径后,整个冻结过程中联络通道各个截面温度场的发展情况。结果表明,在同一冻结工程中,联络通道各个截面的冻结壁厚度及冻结平均温度趋于一致,且冻土交圈完成的时间得到了缩短,这表明通过改变冻结管的尺寸能够显著改善冻结温度场的不均匀发展问题。     

基于实测解冻温度的联络通道冻结法融沉注浆优化研究

【目的】冻结法施工中,为了工后跟踪注浆及控制融沉,必须了解地铁联络通道解冻温度发展规律。【方法】以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对解冻温度场、深层土体温度变化规律等进行了实测; 为更有效控制融沉,对其跟踪注浆时机及顺序、注浆工艺及材料进行了优化。【结果】联络通道解冻20 d内,部分土体温度开始达到0 ℃附近,冻土进入相变阶段; 入土深度越大,土体相变阶段持续时间越长; 软土融沉主要发生在解冻前2个月,侧墙及顶部完全解冻需要4个月,则跟踪注浆至少应持续的时间为3～4个月。【结论】控制融沉过程中,注浆应按照由底部→顶部→侧墙的顺序先后进行; 同时要根据实测温度和地面沉降量实行双控标准。合理安排施工顺序和注浆参数,加强监测,可以进一步使得联络通道周边土层受融沉影响范围缩小,降低联络通道顶部受融沉的影响程度。     

盾构出洞冻结法加固土体的稳定性分析

运用三维有限差分软件FLAC3D对上海轨道交通某区间隧道盾构出洞冻结法施工过程进行了模拟,对盾构出洞过程中施工稳定性进行评价。施工竖井为地下四层结构,围护结构采用地下连续墙。数值模拟冻结壁水平应力、最大主应力、沿隧道开挖方向位移的变化,将模拟得到的应力与冻结壁强度设计值进行对比,并对隧道轴线方向地表沉降位移进行预测,同时采用安全系数法对施工的安全性进行了评价。安全系数满足设计要求,进一步说明了冻结法在软土地区地下工程施工中的优越性。     

地铁隧道联络通道冻结法施工三维温度场及性状分析

人工冻结施工技术是软土中地铁隧道开挖的一种经济可靠的方法,在上海地区得到了多次成功应用.然而,由于计算理论的不完善,也出现过诸如“上海地铁四号线透水”的重大工程事故.在冻结法施工过程中,如何控制冻结壁的厚度是一个非常重要的环节.考虑了冻结管偏斜布置的情况,利用有限元方法对上海市复兴东路隧道联络通道进行了三维温度场模拟.此外,还分析了冷媒温度、冻结时间和冻结壁厚度的关系.论文的成果可供同类工程参考.