液氮冻结盾尾密封加固温度场的数值分析

为解决在含水层跨江跨海盾构隧道施工中盾尾刷破坏后如何更换封水、更换盾尾刷等问题,结合杭州庆春路过江隧道盾尾刷更换工程,利用ADINA大型有限元软件建立三维数值模型,对液氮冻结盾尾密封加固温度场进行数值模拟,研究了温度空间分布及温度随时间变化规律,并对影响冻结温度场的因素进行敏感性分析。通过数值模拟和现场原位实测的对比分析,得出了液氮冻结温度场的变化规律:液氮冻结的时间随着土体导热系数的增大而呈衰减性缩短,随土体容积热容量的增大而呈线性减缓;到达冻结工作面的液氮温度越低,冻结完成的时间越呈衰减性缩短。     

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.     

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。     

砂卵石地层“盆形”冻结温度场扩展规律数值分析

"盆形"冻结技术能有效解决高富水地层大断面地铁车站基坑的地下水问题,冻结工程的可行性和经济性取决于温度场的发展规律,课题以北京典型卵石7地层为依托,通过Ansys软件建立三维模型,模拟北京某地铁车站冻结施工方案,重点分析"盆底"温度场的扩展规律,确定冻土柱的交圈时间及积极冻结期.模拟结果表明:帷幕冻土柱早于底板交圈,75 d后冻结体形成连续封水结构,100 d后底板冻结壁达到设计要求;冻结管管间土体温度下降最慢,控制底板冻结壁发展规模;开挖区域内冻土量较少,但边墙和底板交界处温度小于5℃,建议增大冻结底板埋深、缩小帷幕冻结器尺寸或延迟帷幕冻结开始时间,抑制开挖区内冻土的产生。研究成果为"盆形"冻结方案的工程化应用提供理论依据。     

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。     

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.     

盾尾刷更换时环形冻结加固结构温度场数值分析

盾构法修建城市地铁隧道时,盾尾刷更换过程中的防渗漏问题一直是盾构隧道施工的关注重点.针对传统冻结加固保护盾尾刷方法的弊端,提出了使用环形冻结管加固止水保护盾尾刷更换的施工方法,通过有限元软件建模,分析比较布置1根环形冻结管和2根环形冻结管的冻结效果,从而确定出最佳冻结方案.结果表明:布设1～2根环形冻结管方案下数值计算结果均满足冻结加固范围和设计要求;为提高封水性与安全性及增大冻结加固止水范围,延长积极冻结时间不如增加环形冻结管的根数,且适当增加环形冻结管的间距有利于增强冻结效果;增加环形冻结管的根数可极大地提高盾尾处的冻结效果且有很高的安全系数富裕,分析结果可为相关施工工程提供一定的参考依据.     

土壤冻结时间的数值模拟及实验

建立了土壤冻结过程数学模型及传热特性微分方程(温度模型),对土壤冻结时间进行数值模拟,采用有限差分法进行数值求解.用TDMA法上机计算并同实测值进行对比,论证了数学模型的正确性.认为用计算机数值分析方法进行冻结过程模拟,对实际工程的冻结工艺、冻结设施的优化设计具有实际意义.     

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。     

中空圆环形冻结管单管冻结温度场数值分析

为了解不同几何尺寸的中空圆环形冻结管在使用相同盐水降温计划时(通入相同体积的盐水)经过40 d积极冻结后其温度场的发展规律,使用有限元软件进行数值分析,采用单因素法进行模拟,数值模型选取瞬态温度场模型,得到最终的温度场发展变化规律.主要结论:在使用相同体积盐水的情况下,中空冻结管的冻结面面积较大,因此冻结效果较实心冻结管好;对空心冻结管来说,不同进水及出水口厚度对中空管的冻结效果有一定的影响,-1℃和-10℃的等温线相比较,几何尺寸对-1℃等温线的影响更大,每减小5mm进水管厚度,-1℃等温线半径增大0.199 mm,-10℃等温线半径增大0.112 mm;以冻结管轴心为中心,半径1.32 m及更远处的冻结效果不明显.     

无限大区域内四管冻结的稳态温度场解析解

采用势函数叠加理论推导了4根冻结管以任意形式排列冻结时的稳态温度场解析解,得出了4根冻结管以等间距直线、矩形和菱形等排列时的稳态温度场特定解,并用热学数值模拟方法对解析解进行验证.结果表明,解析解的计算结果与数值模拟结果较吻合.
     

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.     

X型与圆形冻结管单管冻结温度场数值对比分析

运用有限元软件分别建立X型冻结管和圆形冻结管单管数值模型,分析了 2种冻结管单管冻结40 d后冻土帷幕的基本状况,并设置3条观察路径,对比分析采用不同冻结管冻结各路径上观察点温度的变化规律,以此来比较2种冻结管冻结效果的优劣.实验结果表明:冻结40 d时,X型、圆形冻结管分别形成一个近似矩形、圆形的冻土帷幕;采用X型冻...     

混合工质成分对自复叠冷冻干燥装置降温速率的影响

首次对以精馏型自复叠制冷系统为冷源的冷冻干燥装置降温过程进行了准稳态数值模拟,发现在混合工质成分和循环压比给定时,循环单位容积制冷量随压力位变化有峰值存在,具有与纯工质循环不同的特征.通过定成分和变成分下循环制冷量的优化,深入分析了混合工质成分对降温过程中各温度位循环制冷量的影响规律,从而可以为各种不同降温速率要求的冻结工艺设计混合工质的成分,为冻结工艺所要求的降温速率控制提供便利.借助于总单位温降时间和单位温降时间两个新概念,对物品热容量与搁板蒸发器热容量相比很小时的特例进行了深入分析.设计和制作了一台以精馏型自复叠制冷系统为冷源的冷冻干燥装置,实现了-60～-80℃温区的稳定运行,实验结果初步验证了理论分析所得到的结论.     

隧道联络通道冻结法施工三维有限元温度场分析

人工冻结法是一种经济可靠的隧道联络通道开挖方法.在冻结法施工过程中,冻结壁厚度是否达到设计要求是安全施工的重要保证.该文考虑了实际施工过程中冻结管偏斜布置的情况,利用三维有限元方法对上海复兴东路越江隧道联络通道进行温度场模拟.针对单排冻结管和双排冻结管,分别在冻结壁底部、中部和顶部建立路径,绘制每条路径的温度分布曲线,查看不同路径处冻结壁厚度及其随时间发展变化情况,得出有意义的结论,对联络通道安全施工有重要参考价值.     

基于冻结壁地层相变环境下大体积混凝土温度场研究

介绍了中国矿山冻结法凿井井壁混凝土温度问题的现状和发展,研究了井筒冻结相变导热环境下大体积混凝土井壁温度场数学模型;介绍了营盘壕冻结副立井套内壁的工程概况、垂深704m壁座结构和温度监测方案,7个实测点数据,图形展示了混凝土浇筑72h内井壁及围岩的实测温度发展.有限元数值模型计算获得了对应实测点的温度数据,和实测结果相当接近,并预测了在停止冻结后直至全部融化的井壁及围岩温度分布发展情况.数值计算还原了井壁距内缘深682mm测点2的一段丢失数据,弥补了对测温量程考虑不足导致数据丢失的遗憾,并显示出在混凝土搅拌后37.5h时井壁测点最高温度可达到92.3℃,高温发生在内壁中间部位,井壁内外温差最高达到了65℃以上,如此高的内外温差值得设计和施工人员关注.模型还揭示了停冻120d后冻结壁全部融化,即围岩都上升到摄氏正温以上.     

虎豹湾矿井冻结温度场数值模拟与实测对比

内蒙古鄂尔多斯盆地已探明优质煤炭储量巨大,其表面覆盖地层主要包括侏罗系中统和白垩系.为深入研究侏罗系地层冻结规律,现场实测了内蒙古纳林河矿区虎豹湾煤矿主井冻结温度场.结合-330m层位粉砂岩热物理参数,通过ANSYS数值模拟的方法分析冻结壁温度场的发展规律,并得到了冻结壁发展速率等关键技术参数,数值模拟验证了实测的冻结壁发展规律,同时数值模拟应用在侏罗系冻结施工中冻结壁的发展规律的研究的可行性也得到了验证.此次研究对该地区的矿井冻结设计、优化及施工具有指导意义.     

寒区隧道围岩水热力耦合数值分析

利用“三区域”理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的寒区隧道水热耦合问题的联合求解微分方程,然后采用 COMSOL Multi-physics 软件实现温度场和水分场耦合数值模拟,进而将数值模拟结果与土柱冻结试验的结果进行对比,验证水热耦合数值模拟模型的有效性.根据冻胀理论,着重对寒区隧道的应力场控制方程进行推导,利用孔隙冰与冻胀率之间的关系建立寒区隧道水热力三场耦合计算模型.最后以牡丹江到绥芬河区间的牡绥隧道为例,对温度场、水分场以及应力场进行了模拟分析.结果表明:外界温度的变化对开挖后的隧道会有很大影响.随着时间的增加,隧道洞口冻结圈厚度逐渐增加,在1月份达到最大冻深2m左右.     

单向冻结条件下兰州地区黄土的温度场变化规律

为研究不同含水率黄土在单向冻结融化过程中温度场的变化规律,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的单向冻结融化试验。研究了在单向冻结过程中土体温度的变化规律,给出了土体温度的变化曲线。研究结果表明:土体的降温过程分为三个阶段,降温冻结初期各深度处土体温度的下降速率较快;土体温度下降至-0.4℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度处土体的温度下降速率相对较慢。对比分析了模型试验中不同深度处各点温度的实测值与数值模拟值,结果表明:数值模拟的各点温度曲线与实测温度曲线变化规律基本一致,冻结阶段模拟的降温速度稍大于实测降温速度,融化阶段则相反。研究结果可为冻土地区工程建设提供参考。     

查干淖尔矿副井冻结温度场有限元分析

针对内蒙古锡盟的查干淖尔煤矿冻土的热物理性质和影响冻结温度场的主要因素,利用ANSYS分析软件对查干淖尔煤矿副井的冻结温度场进行了有限元分析.在此基础上,研究了冻结温度场的扩展与分布规律.结果表明:冻结初期,冻结壁厚度增长较快,随冻结时间的延长,冻结时间达到120 d后,增速趋于缓慢.冻结壁厚度发展速度在前120 d约...