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.     

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。     

地下水流影响下含盐饱和粉砂地层中联络通道冻结温度场的特征分析

随着城市地下空间的快速发展,人工冻结法已经广泛应用于地铁联络通道的施工过程,但针对含盐粉砂层中的联络通道冻结法在地下水流作用下的机理尚不明确,导致原计划冻结时间的延长.以人工冻结法为研究背景,提出了冻结过程中水流-盐分共同作用下的耦合分析方法.首先,基于多孔介质传热、Darcy定律和Fick定律,建立了水-热-盐三场耦合的物理数学方程;然后,利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟含盐土体的冻结模型试验,并与模型试验结果进行对比分析,验证了本方法的有效性;最后,将本方法应用于南通地铁1号线永兴大道站—深南路站区间4#联络通道冻结法施工过程模拟,并相应开发了一套多物理场数据监测设备,将模拟结果与监测数据进行对比分析.结果表明,含盐土体比不含盐土体降温更慢,盐分浓度越大,降低同样温度所需时间越长;水头差导致冻结壁呈非对称状,上游冻结壁厚度小于下游冻结壁厚度;通过对冻结壁厚度和平均温度的计算,模拟冻结45 d达不到设计要求,需要冻结50 d.保证了南通地铁1号线联络通道人工冻结法施工的安全,并提供了一种在复杂环境条件下冻结施工的多场耦合分析方法.     

天津地铁联络通道冻结施工的数值分析

采用通用有限元程序ANSYS,建立联络通道三维模型,对冻结施工过程进行三维数值分析,研究了冻土墙在设计冻结温度和厚度情况下的受力性能以及分步开挖对冻土墙和地面沉降的影响.结果表明,冻结法施工所采用的设计参数是安全的;分步开挖对地面沉降影响较小,对冻土墙底板、冻土壁和拱顶变形影响较大,其中冻土墙底板为开挖施工中结构的最不利部位,施工时应加强支护.     

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．     

不同因素影响下联络通道温度场的规律

以内蒙古呼和浩特市地铁2号线1号联络通道为工程背景,利用有限元软件建立三维瞬态温度场模型,对联络通道的温度场变化进行了数值模拟分析,并对比了实际测量温度,分析了不同因素对冻结温度场的影响规律.结果显示:实际测量温度与数值模拟温度的变化趋势一致,数值模拟得到的瞬态温度场可以较为真实地反映工程实际情况;冻结管排布越密集,形成冻结壁的时间就越短,冻结壁的厚度也就越大;在冻结40 d时,联络通道两侧为危险部位,故在开挖时要注意联络通道两侧的土体温度;导热系数和盐水流量的变化对冻结温度场的变化有较大的影响,且两者越大,形成冻结帷幕的速度就越快;比热容和潜热对温度场的影响较小,在实际工程中应主要考虑导热系数和盐水流量对温度场的影响.     

合理冻结温度的探讨

在井巷工程中,当采用冻结法施工穿过松散的不稳定表土层时,随着表土层厚度的增加和冻结温度的降低,在井筒施工过程中不断发生井壁压裂,冻结管断裂等事故。因而大大影响了井筒的施工速度和安全。为了解决以上问题,本文从冻结壁的强度和厚度的要求、冻结管受力分析、管材在低温条件下力学性能的变化及井壁受力情况分析,並提出合理的冻结温度范围。     

富水砂卵石地层地铁联络通道冻结试验研究

联络通道是地铁区间的重要结构,冻结法凭借封水性好和适应性强等优势成为复杂环境条件下建造联络通道的核心工法。依托北京地铁19号线草桥站~右安门站区间3#联络通道冻结工程,通过现场实测研究地层温度场和泄压孔压力的发展规律,分析冻结帷幕的交圈情况,以保证联络通道冻结施工顺利推进。结果表明,盐水去回路温度和测温孔温度均经历快速降温、缓慢降温和持续降温三个阶段,冻结壁外侧温度高于内侧,迎水面侧温度高于背水面侧,应重点关注迎水面冻结壁外侧的交圈情况。泄压孔压力经历保持平稳、压力增长和压力释放三个阶段,冻结28d后,泄压孔压力增长趋缓,冻结壁交圈良好。冻结37d后,测温孔的平均温度均低于-10℃,泄压孔压力降为0MPa,冻结壁已基本不再发展。     

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.     

兰州地铁联络通道疏松砂岩地层工程地质特性及冻结法施工浅析

复杂的地质条件尤其是特殊的疏松砂岩地层是兰州地铁最主要施工难题之一。为进一步研究兰州地铁联络通道疏松砂岩地层冻结法施工的适用性及可行性，在已有文献及工程试验基础上，通过对兰州疏松砂岩地层分布情况梳理、工程地质特性及冻结特性对比，分析疏松砂岩联络通道冻结法施工风险及方法，并对不同工程、地铁不同类型施工点疏松砂岩冻结工程情景及特色等方面进行比较研究。结果显示，兰州地铁疏松砂岩地层分布范围大、是一套或多套富水且工程地质性质极差的弱胶结岩层；联络通道施工风险较大，但冻结法施工适应性强，加固效果良好。结果表明，冻结法施工可在兰州市区含水疏松砂岩等地层联络通道建设中优先推广应用，可为兰州其他复杂地层地下工程施工提供有益的参考。     

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。     

软土地区地铁不同结构间差异沉降特点分析

分析软土地区46个地铁车站与隧道连接处、34个联络通道两端线路处以及4个U型槽与隧道连接处运营约10年后线路的长期沉降观测数据.结果表明:约70％的地铁车站与隧道连接处车站沉降少,且出站一侧沉降槽的深度与宽度大于进站一侧;联络通道旁线路产生了不均匀沉降的约占80％,其中约90％为沉降槽;U型槽与隧道连接处的差异沉降很小.     

地铁联络通道冻结法施工研究现状

人工冻结法因其安全可靠性好、能够隔绝地下水、适用范围广等特点被应用于地下空间的施工之中。结合冻结法的特点,对目前冻结法在地铁联络通道中的应用与研究现状,施工对土体力学性质、周围环境的影响,以及近年来冻结法的优化设计几个方面展开介绍。总结了目前人工冻结法在研究中的不足与施工过程中出现的问题,并给出了自己的观点看法。     

上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度场动态演化机理分析

研究了上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度动态演化过程.运用ANSYS有限元软件建立了较为符合实际工程的三维实体模型,考虑了管片散热、冷排管等影响,用比焓值随温度的变化来反应相变潜热的动态变化过程.研究和总结了冻土帷幕温度动态演化机理,包括冻土帷幕发展规律、交圈规律、平均温度发展规律及冻土帷幕有效厚度发展规律.研究结果表明,冻土帷幕温度场的形成是一个有规律可循的连续性发展过程.有限元分析的冻土帷幕交圈时间、平均温度和冻土帷幕有效厚度与工程实测数据比较吻合.     

联络通道BIM 4D施工模拟与冻结温度场数值分析

为进一步加快冻结施工信息化应用,以北京地铁17号线区间联络通道冻结工程为背景,通过建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）技术对联络通道进行三维可视化设计,建立4D施工进度模型进行实时模拟施工与输出工艺动画;利用有限元软件ABAQUS对冻结温度场进行数值模拟,与现场实测温度对比分析温度场变化规律。结果表明：BIM 4D模拟可以对施工全过程进行动态控制,实现进度计划三维可视化;冻结壁厚度达到设计值以上,验证BIM技术冻结质量控制的可靠性;数值模拟计算温度结果与现场实测温度数据值基于一致,证明数值模拟分析冻结温度场的可行性。     

水-热-力耦合的单管冻结理论及其数值模拟

为研究考虑水-热-力耦合的人工冻结的环境效应,保证冻结施工安全,推导了水-热-力耦合的单管冻结理论公式,并将推导公式基于ANASYS软件进行了数值实现,对数值模拟成果进行了对比分析.结果表明:数值模拟冻结壁厚度达1.5 m,径向最大拉应力为0.39 MPa,最大压应力为0.2 MPa,与同条件下实际工程监测结果较为一致;冻结壁最大剪应力为0.36 MPa,最小剪应力为-0.27 MPa;冻胀最大位移达4.15 cm,比同条件下实际工程的监测结果大.数值模型验证了理论公式的有效性,相关结果可为类似工程参考.