渗流作用下三亚河口通道管幕冻结法温度场数值模拟分析

为得到在渗流作用下管幕冻结法温度场的变化规律,以三亚河口通道海底隧道工程初步设计为例,运用有限元数值模拟软件建立水热耦合模型,假设模型中渗流流向自左向右,通过改变模型中平均渗流速度的大小对冻结帷幕的发展、封闭性、厚度变化等进行分析.结果表明：在冻结期间,随着平均渗流速度的增大,外圈冻土帷幕的形成时间延迟,其向渗流流向偏移的程度增大,且最终稳定的冻土帷幕平均厚度减小;在冻结约14 d后,不同水头差下的冻土帷幕内部渗流速度均降至0 m/d,冻土帷幕在形成的早期受渗流作用的影响较大.鉴于原冻结方案较为保守,提出优化冻结方案：将原冻结方案外圈冻结管减少一半至48根,且调整盐水降温计划实现二次优化.对二次优化结果分有渗流与无渗流两种情形进行讨论,结果得出：优化后在渗流作用下冻土帷幕厚度约5 m,比原方案减少了2 m,既满足冻结设计要求,又提高了经济性.     

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.     

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。     

液氮冻结温度场均匀性实验液氮冻结温度场均匀性实验

针对液氮冻结过程中存在温度场分布不均匀的现象,采取在供液铜管上分段打孔及改变打孔方式和位置的方法,设计了四种供液管改进方案,并对这四种方案进行了模拟实验,分别分析其冻结温度场的均匀性和冻土发展速度,同时将改进方案与传统供液方式进行对比。结果表明,改进方案优于传统方案;四种方案中尤以方案三的效果最好,其管壁温度分布最均匀,冻土发展均衡且发展速度较快,液氮消耗量较少。这一研究结果为进一步解决液氮冻结均匀性问题提供了新思路。     

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...     

液氮冻结温度场均匀性实验

针对液氮冻结过程中存在温度场分布不均匀的现象,采取在供液铜管上分段打孔及改变打孔方式和位置的方法,设计了四种供液管改进方案,并对这四种方案进行了模拟实验,分别分析其冻结温度场的均匀性和冻土发展速度,同时将改进方案与传统供液方式进行对比.结果表明,改进方案优于传统方案;四种方案中尤以方案三的效果最好,其管壁温度分布最均匀,冻土发展均衡且发展速度较快,液氮消耗量较少.这一研究结果为进一步解决液氮冻结均匀性问题提供了新思路.     

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.     

富水砂砾地层水平杯型冻结温度场变化规律分析

针对富水砂砾地层饱和度高、渗透性强和施工风险高等问题,盾构端头采用水平杯型冻结加固法,可有效防止涌水涌砂,保证施工安全.本文以昆明地铁5号线盾构始发端头的冻结作业为依托,对水平杯型多圈冻结帷幕各圈层的地层温度进行了现场监测,明确其温度场的变化规律、阶段特点及冻结效果.研究结果表明:温度场发展可划分为4个阶段,且与盐水降温的两期计划有很好的协调性.多圈冻结外圈与中圈之间冻结速度最快,外圈外侧最慢,发展速率之比可达1.00:0.53,符合实际工程需要.杯型冻结杯底加固区降温速率均高于杯身加固区,平均交圈时间快5 d左右,最终形成冻结帷幕的平均温度也更低.     

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.     

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.     

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。     

人工水平冻结冻土帷幕强制解冻温度场数值分析

结合某车站北端头盾构到达人工水平冻结加固工程,运用数值计算软件ADINA建立了人工强制解冻模型,研究了水平冻土帷幕在人工强制解冻条件下温度场的分布规律,分别对强制解冻过程中热水循环温度、热水循环时间,以及解冻管间距的敏感性进行了分析。结果表明：提高循环热水温度、延长热水循环时间以及尽量利用原有水平冻结管的最短间距均能够缩短冻土帷幕人工强制解冻的完成时间,进而提出了盾构到达水平冻结冻土帷幕人工强制解冻施工技术参数指标。     

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．     

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.     

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.     

万福矿井冻结壁稳定性分析

本文考虑了冻土的非线形特点,运用非线性弹塑性理论与有限元数值分析研究了万福井筒冻结壁的应力场位移场,得出了比较合理的结果,该方法可以作为深井冻结壁结构设计的参考.     

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。     

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.