地铁超长水平冻结法冻结壁形成特性研究

根据带相变瞬态温度场的传热控制微分方程,应用数值方法分析了地铁超长水平冻结法温度场分布规律,模拟冻结壁形成过程.应用准三维方法将三维问题转化为二维问题,通过对冻结管沿程水平方向盐水温度分布的计算,分析水平方向冻结壁发展的差异性规律.结果表明:对于地铁超长水平冻结法施工,冻结管沿程冻结壁发展存在较大差异,包括冻结壁交圈时间、冻结速率,冻结壁厚度等.为以后水平冻结法施工冻结壁形成过程的预测与评价提供了方法,同时该方法也可以用于竖井冻结施工中冻结壁形成的分析和研究.     

地铁联络通道冻结施工的热流固(THM)耦合分析

随着城市地铁规模的不断发展, 冻结法在地铁联络通道施工中得到了广泛应用.为了得到合适的地层冻结工艺参数和指标, 了解开挖隧道对地层稳定性的影响, 保证工程的安全性, 基于考虑相变及冻胀的热-流-固(THM)耦合理论, 采用COMSOL有限元分析软件模拟某地铁联络通道水平人工冻结及开挖施工过程.分析了冻结过程中地层温度场、渗流场及位移场的变化规律, 研究了开挖后地层位移场的分布规律.结果表明: 由于水渗流作用, 温度场和位移场的分布不再关于y轴对称;在人工冻结过程中, 地表处冻胀位移的最大值出现在y轴以右, 冻胀量变化表现为先线性增长, 而后趋于稳定.总体上, 实施人工冻结可以很好地增加周围土体的强度及稳定性, 对止水和抑制地层变形具有良好的效果.     

城市盾构隧道水平冻结地层加固的数值分析

冻结地层加固法是一种环境影响小、加固效果好的地层加固方法,人工冻结壁的形成是一个复杂的热-力耦合问题。依托实际盾构隧道始发施工中冻结加固工程,采用有限差分软件Flac3D建立数值模型分析了地铁隧道水平冻结施工中温度场随时间的发展和分布特征,同时采用准热-力耦合的方法,分析了冻结施工中地表冻胀隆起变形规律。分析结果表明：冻结壁模拟交圈时间和设计交圈时间基本一致;冻结壁交圈前,地表冻胀隆起位移速率快,冻结壁交圈之后,地表冻胀变形逐渐趋近稳定。计算结论可供设计和施工参考,提供了一种简便的人工冻结加固施工的数值模拟方法。     

多圈管冻结瞬态温度场有限元数值分析

人工冻结温度场是空间和时间相关且含有相变的不稳定瞬态传热问题。以淮南某煤矿冻结工程为研究背景,应用大型非线性有限元计算程序ADINA模拟冻结管偏斜条件下的冻结壁厚度、平均温度与冻结时间等,结果和现场实测十分接近。研究表明:应用有限元方法分析冻结温度场,能很好地预测冻结壁温度场发展,可为冻结工程信息化施工提供参考。      

多圈管分期冻结施工法温度场现场实测与分析

在深厚表土中进行冻结法施工常产生由于冻胀应力造成的冻结管断裂, 为减小深井冻结壁在形成过程中产生的内部冻胀应力, 采取外圈辅助冻结孔滞后于主圈孔冻结的施工方案, 能有效地防止冻结管断裂. 应用有限元方法对淮南某煤矿主井冻结井筒分期冻结过程进行了瞬态温度场数值模拟, 和现场实测十分接近. 分期冻结方案能减少冻结壁内部水分聚集, 以达到减少冻胀应力的目的, 并形成相对比较均匀的温度场. 相同冻结条件下采用分期冻结方案, 冻结壁有效厚度增大约15%. 数值模拟的系统分析可为深井冻结壁的设计与施工提供科学依据.     

白垩系地层深井冻结壁温度场分布规律

西部地区主要为白垩系软岩地层, 煤炭资源储量大, 成为我国重要产煤区. 白垩系软岩地层冻结壁温度场分布规律尚不清楚, 给白垩系地层冻结法凿井设计与施工带了一定的困难. 通过现场实测、室内试验和数值模拟等手段, 获得了白垩系地层冻结软岩热物理参数分布规律、力学特性及深井冻结壁冻融规律. 测点冻结温度场反演白垩系冻结软岩导热系数值一般介于3.328~3.465 W·m^-1·K^-1之间, 现场实测表明: 白垩系地层融冻时间比一般为1.0~1.2之间. 研究白垩系地层冻融规律, 对指导我国西部地区白垩系地层冻结法凿井设计与施工具有重要的理论参考价值.     

大直径杯型冻土壁温度场数值分析

结合南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程,运用有限元软件建立三维数值模型,对大直径杯型冻土壁温度场的发展与分布规律进行研究,分析不同因素对该温度场的影响规律,比较研究不同土层下该温度场的降温规律。数值计算表明:在设计冻结方案下,杯型冻土帷幕厚度满足加固范围要求,开始交圈时间由早到迟依次为外圈管中圈管内圈管,形成闭合大直径杯型冻结帷幕的时间为12 d;冻结壁交圈时间随导热系数的增大而线性减小,随容积热容量和原始地温的增大而线性增大,原始地温每升高5℃,冻结壁交圈时间增加约1 d;相变潜热变化对冻结初期和后期土体降温过程几乎没有影响;不同土层降温速度由快到慢分别为砂土水泥土黏土水泥土,砂土黏土;砂土水泥土与砂土、黏土水泥土与黏土几乎同时达到相变阶段;无论水泥改良与否,砂土总比黏土的开始交圈时间早4 d。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。     

复杂环境下浅埋暗挖隧道穿越薄富含水层冻结温度场研究

提出了南京地铁2号线新街口－上海路隧道穿越薄富含水层冻结法止水加固方案,利用ADINA有限元软件对该浅埋暗挖隧道涌水段建立冻结温度场数值模型,分析了冻结管间距、冻结盐水温度、冻结管直径对冻结壁发展速率、冻结壁厚度、平均温度的影响,以此为基础对冻结参数开展优化设计,并获得成功应用。研究结果表明：利用人工冻结技术能够有效解决这一特殊岩土工程难题。为了在支护段获得有效地止水冻土帷幕,冻结管间距应小于等于1 m;冻结工程中采取-30℃的盐水温度既能满足需冷量,又能符合经济性要求;采取大直径的冻结管对增加冻土墙厚度与降低冻土壁平均温度的影响并不显著。     

环形单圈管冻结稳态温度场解析解

人工地层冻结技术被广泛应用于地下工程施工中。冻结温度场的计算是人工冻结法理论研究的基础,也是冻结施工设计的重要依据。人工地层冻结施工常使用环形单圈冻结管冻结,而至今尚无关于其温度场的解析解。基于水-热异类相似原理,根据传热过程与地下水流动相似的特点,利用保角映射、汇源反映和势函数叠加原理,类比推导了环形单圈冻结管稳态温度场解析解,并用热学数值模拟方法加以验证,同时提出了简化的解析公式。结果表明,解析解计算结果与数值模拟结果较吻合,其简化公式得到的结果与原解析公式基本一致。在解析公式的基础上,经过简化,反推得到外部冻结壁厚度公式。解析解、简化公式以及厚度公式可为环形单圈冻结施工与设计提供理论的依据与指导。     

水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明:冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。      

四排局部冻结法在上海地铁修复工程中的应用

上海地铁某修复工程,在完好隧道与破坏隧道连接段采用冻结法施工垂直封水挡土止水墙,取得圆满成功。利用现场监测数据,判别了冻结管是否漏盐水以及隧道内是否充填密实,得出了冻土壁温度场形成规律,计算出积极冻结期结束时间。在浦东隧道清淤排水、浇筑混凝土止水墙阶段,分析了各施工工序对冻土墙温度影响。分析结果表明,冻结法施工质量的好坏可由温度反映出来。通过合理布置温度监测点,采用信息化施工,掌握温度变化规律,可确保复杂工程冻结施工安全。     

人工冻土温度场影响因素灵敏度分析

在冻结法凿井施工中,全面掌握诸因素对人工冻土温度场发展的影响程度,对于优化冻结方案、处理紧急情况有重要的意义.文章通过对两淮地区大量的冻结法施工井筒冻结时段的温度场实测数据样本分析,较全面地考虑影响人工冻土温度场发展的诸因素,利用人工智能方法构建一个大型的能预测温度场的动态网络结构,通过对网络结构隐含信息的分析,得出系统中各因素对冻土温度场影响的灵敏度.     

Studies on Construction Pre-control of a Connection Aisle Between Two Neighbouring Tunnels in Shanghai by Means of 3D FEM,Neural Networks and Fuzzy Logic

The ground freezing construction technique is one of the most effective and widely applied site construction methods in soft soil areas, like Shanghai. Some elevation-inclined refrigeration pipes are arranged for the artificial freezing excavation of the Pudong-side first-storey connection aisle, which is designed to connect two adjacent tunnel lanes of Shanghai East-Fuxing-Road tunnel project. No advanced research results could be found for computing the temperature field of tunnels and aisles frozen with inclined refrigeration pipes. Anyhow the computation of the relevant temperature field is of high importance for the safe and economical excavation of the above-mentioned aisle. In this paper, a method for computing the aisle temperature field using 3D FEM is given, and the computation accuracy is verified by contrasting the computed and site measured results. The back propagation neural networks are also applied to the temperature prediction using self-developed Neural Network-Expert System software, the predicted results are also very satisfactory. The mechanism during freezing and aisle excavation will be discussed on the basis of 3D FEM simulation. The authors believe that studying the parameter-sensitivity of temperature field is very important for the optimum selection of parameter values. So, in this paper, the parameter-sensitivity of temperature field is also discussed. In order to obtain the optimum frozen wall thickness, the relation between the frozen wall thickness and the initial freezing brine temperature is studied. At the end, an excavation pre-control plan is proposed by means of fuzzy logic theory for improving the excavation safety. The research result of the current paper is very helpful for projects that will be excavated by freezing construction technique.     

冻土地区水渠的温度场和应力场数值分析

建立了含损伤的冻土弹性本构模型,对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线相吻合.利用自行开发的程序进行数值模拟,通过对渠道冻结水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了比较准确且符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果,与前人计算结果相符合,规律一致.算例表明,此程序能够计算冻土材料的相关物理量,且能很好地描述它们之间的关系,可为工程设计和施工提供必要的参考.     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

浅覆土下矩形冻结加固的模型试验研究

为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。     

Numerical simulation of frost heave with coupled water freezing,temperature and stress fields in tunnel excavation

Artificial ground freezing is an effective ground improvement technique to deal with diverse geotechnical construction problems as it serves to cut off the water and also improves the ground soil strength. However, ground freezing may produce frost heave and thaw settlement at the ground surface. Predicting and controlling the frost heave is a challenge to engineering construction in a heavily populated city. This paper proposes an analysis model that couples the water freezing, temperature and stress fields. This model is first applied to an underground excavation problem of a corridor where ground freezing is used. The numerical predictions are compared with field measurements. It is then applied for a model tunnel problem to study the effect of the overlying soil thickness, frozen soil wall thickness, excavation radius and brine temperature on the frost heave. It is found that the vertical component of the frost heave follows a normal distribution with a maximum at the tunnel axis, while the horizontal component reaches a maximum at a distance from the tunnel axis. This distance is directly proportional to the thickness of the overlying soil. A critical brine temperature is also found at which the frost heave at the ground surface reaches a maximum.