基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求，针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题，基于流固耦合分析理论，利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究，通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究，实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明：相较无渗流模型，流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同，但整体量值增大明显，水的作用不可忽略；水的存在使冻结壁受力趋于“均匀”，应力集中现象缓解，但高剪应力区范围扩大，使其剪切破坏风险加大，且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势，对结构稳定不利；冻结壁在流固耦合作用下变形加剧，且随厚度减小而愈发显著，模型厚度达到2.0 m以上时变形基本稳定；流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域， 3.0 m和2.5 m模型整体完好，2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区，1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿，1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏；综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度，成果直接应用于4#联络通道冻结法施工，经现场监测表明该优化方案有效、可行，对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉规律及冻结壁厚度优化研究

浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热?力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明：（1）该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;（2）不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;（3）土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;（4）冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;（5）综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有较好的推广应用价值。     

基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究

建立了水下隧道流固耦合数值模型,通过正交试验优化计算方案,分析土岩复合地层和全断面岩层拱顶竖直方向上围岩压力拱的成拱规律,并据此提出以成拱临界板厚为判据求解水下隧道合理覆岩厚度的思路,建立水下隧道合理覆岩厚度回归模型,并通过BP神经网络模型对回归模型进行评价与校验,结合佛莞城际狮子洋隧道工程,进行了合理覆岩厚度回归模型的应用算例分析。研究表明：土岩复合地层上覆岩层岩性较好时,压力拱高度主要受覆岩厚度影响,上覆岩层岩性较差时,压力拱高度主要受上覆软土厚度影响;压力拱高度随覆岩厚度增加线性增加,达到成拱临界板厚时,逐渐减小随后趋于稳定,上覆岩层岩性越差,成拱临界板厚越大;全断面岩层压力拱高度随覆岩厚度的变化比土岩复合地层平稳。算例分析表明,以成拱临界板厚为判据建立的合理覆岩厚度模型能给出较优的覆岩厚度预测值,可为土岩复合地层水下盾构隧道的设计和施工提供参考。     

越江隧道水平冻结法冻结壁设计计算

为了更深入的研究穿越江河的隧道工程软土地基处理,结合上海地区近些年来大量穿越黄浦江和长江的隧道旁通道设计和施工的工程实践,介绍了埋深、开挖断面大、含水丰富的粘土地层水平冻结加固设计技术.通过有限元分析和工程实践,越江隧道旁通道加固采用通道两边对打水平双排冻结孔冻结,冻结壁厚度和强度能够满足设计要求.对沿江沿海地区隧道工程的设计和施工具有一定的指导作用.     

基于围岩相互作用的冻结壁弹塑性分析对比研究

冻结壁弹塑性分析的目的并不是为了减薄冻结壁厚度,而是为可靠性设计提供参考。综述了冻结壁弹塑性分析的发展,基于"包神"公式弹性分析,开展了冻结壁弹塑性力学模型的研究,推导出了应力场和位移场解析表达式,并与不同力学模型进行了对比;分析了采用不同屈服准则时的冻结壁塑性区半径计算公式和进入临塑状态时的水平初始应力判别式。利用工程算例对比分析了不同水平初始应力下,采用不同屈服准则时冻结壁的临塑地压值、塑性区外半径和弹性区外荷载;结果表明,冻结壁临塑地压值增大32%,塑性区半径减小14.5%,冻结壁外载荷减小23.3%,为冻结壁厚度设计的可靠性分析提供了数据支持。     

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。     

大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析

从数值方法的角度对大连路隧道联络通道冻结法施工冻结帷幕的变形与应力进行了分析与安全评价,详细讨论了帷幕中位移及应力的分布情况,并指出了帷幕最不利状态的分布位置在帷幕与已建隧道接触处,由于该处的冻结效果最差,所以施工中必须特别注意;对于上海地区类似工程来说,1.8 m厚的冻土帷幕是可以满足施工要求的,从而为今后联络通道数值分析及冻结法施工提供了一定的经验。     

洞桩法大断面群洞交叉隧道初衬数值模拟

针对采用洞桩法施工的北京地铁10号线工体北路站大断面群洞交叉隧道,介绍了洞桩法大断面群洞交叉隧道施工步序,分析了交叉口衬砌工作的力学机理,采用三维有限元数值模拟方法对其初衬结构力学行为进行研究。结果表明：洞桩法交叉隧道交叉口区域两个方向的衬砌受力存在相互影响,但影响的范围不大,衬砌拱顶沉降总体上表现出中间大,两端小的特征;主线隧道拱部受后期联络通道扣拱的影响,在与联络通道的相交部位出现了受拉状态,产生了与主线其他部位不同的受力特征;交叉口变高部位设置折梁能有效扩散联络通道扣拱时产生的压力,减轻了应力集中程度。研究结论可供洞桩交叉隧道的施工与设计参考。     

泥石流堆积体隧道支护体系优化效果模拟分析

以国道318线林芝—拉萨段娘盖村隧道为工程背景,针对钢架锚喷网支护在泥石流堆积体隧道施工中存在的不足,提出了三条优化措施并建立完全对应的数值模型,对比分析各项优化措施的作用效果。结果表明:(1)三条优化措施对于控制拱顶沉降和周边收敛均是有效的,其作用效果由大到小依次为壁后注浆、锚杆优化和加密双层钢筋网;(2)壁后注浆容易导致仰拱部位隆起变形,应严格控制注浆量和注浆压力;(3)取消系统锚杆后锁脚锚杆轴力增大为原设计的110.3%,初期支护正、负弯矩分布更加均匀,结构受力更加有利;(4)采取双层加密钢筋网后支护弯矩增大为原设计的1.63倍;(5)壁后注浆使得洞室周边更大范围的围岩参与共同承载,支护弯矩和锚杆轴力减小为原设计的67.6%和79%。研究结果可为隧道穿越泥石流堆积区支护方法的选择提供借鉴。     

偏压隧道的稳定性研究

地表倾角不同是隧道形成偏压的一种原因。由于地表不对称,隧道两侧受力状况不同,从而容易对隧道衬砌产生破坏。采用有限元分析方法研究了不同地表倾角、隧道周围变形过程及隧道锚杆和塑性区分布特征,得出了以下结论：隧道围岩变形随着地表倾角增大而增大,隧道深埋侧变形大和锚杆轴力大;隧道在地表倾角＞30°时,受地形偏压影响明显,深埋侧塑性区扩大。这些研究可为受地形偏压的隧道设计提供一定的理论依据及施工建议。     

正断层黏滑错动对地铁隧道结构影响的模型试验研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线地铁区间隧道穿越九家湾断层为工程依托,开展地铁隧道分段式衬砌结构穿越倾角60°正断层的大型剪切错动模型试验,对断层错动模拟过程中的隧道结构变形、应变分布特征、围岩压力、开裂形态等关键力学特征进行监测分析,获得了正断层黏滑错动下的隧道结构响应规律。研究结果表明:(1)正断层黏滑错动影响下,断层面处的隧道拱脚处于压剪状态,断层面附近的上盘仰拱及下盘拱顶处于纵断面内的受拉状态,断层面两侧较大范围内的隧道仰拱内侧及墙脚外侧处于横断面内的大偏心受力状态;(2)断层错动后,隧道开裂破坏形态主要包括斜裂缝、纵向裂缝及环向裂缝;(3)正断层黏滑错动达到7.0cm(相当于实际错动量1.75m)后,上盘隧道结构的破坏范围为4.2D(D为隧道跨度),下盘破坏范围为2.4D,上盘破坏范围明显大于下盘。     

砖-土结构劣化及入侵建筑物拆除对榆林卫城稳定性影响

研究古城墙在环境和人为破坏因素下的稳定性对于古城墙保护和修复工程具有重要科学意义。以陕西榆林卫城为研究背景,对其保存现状进行大量调研,对砖墙砌体及夯土材料力学特性进行原位测试和室内试验,再基于数值方法来综合评判砖-土结构劣化及入侵建筑物在拆除过程中古城墙的整体稳定性和受力性态。结果表明:(1)城墙夯土受水分入渗后平均含水率w≥11.5%或顶部剥蚀长度L≥2.5m时,安全系数低于设计值[Fs]=1.3,而外墙砌体劣化对城墙整体稳定性影响不大,表明夯土的强度对城墙整体稳定性起着决定性作用;(2)拆除2层以上、入侵深度超过3.0m的民居或拆除1层的入侵深度超过2.5m的邻近建筑物时,城墙顶部夯土塑性区几乎贯通至城墙顶部;(3)拆除高2.0m宽超过4.0m的贯通城墙的门洞或层高4.0m宽超过2.5m的贯通城墙的民居时,建筑物顶部以上夯土塑性区贯通至城墙顶部,可能会出现坍塌危险,而拆除断面尺寸低于2.0m×2.0m的贯通城墙的建筑物时,对其城墙稳定性影响不大。     

公路隧道V级围岩初支型钢支架受力分布及动态变化研究

随着隧道施工地层条件的复杂化,型钢支架与锚喷网联合支护体系已被广泛应用于围岩较差的隧道初期支护。型钢支架是初支的主要受力结构,其受力分布及其动态变化是支护体系稳定的关键控制因素之一,隧道顶部、拱腰及仰拱连接处型钢支架受力变化能有效地反应围岩压力的变化情况。针对Ⅴ级围岩隧道开挖后复杂的应力状况,采用围岩变形控制理论作为隧道施工的安全控制标准。通过对河北省道京承线滦平过境路棒槌沟隧道初支型钢支架受力的监测与分析,基于大量监测数据对监测断面型钢支架受力分布动态变化状况展开研究。结果表明:(1)隧道偏压现象严重,应根据受力分布规律,及时优化支护参数; (2)隧道掌子面与监测断面距离为0~4m时,型钢支架压力增加显著,是隧道施工中加强支架控制的关键时段; (3)型钢支架连接处及拱脚位置受力较大,设计时应合理调整各段型钢支架的长度及连接位置,确保连接处的刚度。研究结果对指导施工及反馈隧道设计具有重要理论与实际意义,也为类似研究提供参考。     

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.     

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。     

穿越地裂缝带地铁隧道结构分段长度优化研究

目前西安地铁建设中过地裂缝带隧道均采取分段设缝的结构措施,而隧道结构分段长度的优化问题是地铁隧道穿越地裂缝带设防的关键。本文以西安地铁斜交穿越地裂缝带为工程背景,通过分段设缝的地铁隧道斜交跨地裂缝带的有限元数值模拟,研究了斜交跨地裂缝带地铁隧道分段设缝的合理模式及分段隧道的合理长度。计算结果表明:对缝设置模式下分段设缝隧道结构塑性区范围较小,集中在隧道拱底、拱脚;而悬臂设置模式下塑性区分布范围大且较为复杂,不利于进行衬砌加强。地铁隧道穿越地裂缝带衬砌结构宜采取分段设缝的对缝设置模式,跨地裂缝带的分段隧道合理长度为15 m,位于地裂缝主变形区内的分段隧道长度可按10～15 m考虑,而穿越地裂缝主变形区之外的地铁隧道分段长度可根据轨道调坡及隧道防水等其他要求适当增加。研究成果可为地裂缝发育的城市地铁隧道结构设计及其他地下空间开发提供重要的理论依据和技术参考。     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

构造应力场中的软岩客运专线双线隧道稳定性研究

以铁道部250 km/h客运专线标准断面双线隧道为对象,依托木寨岭高地应力软岩隧道工程,研究构造应力场条件下隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律。水平大主应力平行隧道轴线时,高能集中区和塑性区主要集中于边墙,掌子面前方围岩能量密度较小,掌子面挤出变形较大;水平大主应力垂直轴线时,高能集中区和塑性区主要分布在拱顶、仰拱及掌子面,掌子面前方围岩能量密度较大,挤压变形较小。研究表明：掌子面前方待开挖核心土体表现能量-位移正交性,而目前采用简单的挤出变形来判别掌子面稳定性,其合理性值得进一步商榷;规范给出“最大水平主应力与隧道轴线平行或小角度相交设计原则”,并不是对所有高地应力场都适用;锚杆在开挖初期有效促进临时“承载拱”的形成,使“压力拱”偏移至隧道轮廓附近,成为施工初期稳定的关键;锚杆降低边墙深部岩体切向应力峰值,随着掌子面推进,拱效应不断向深部岩体移动,形成动态压力拱。     

考虑时空效应的软弱围岩隧道施工稳定性研究

以达(州)成(都)高速铁路家乡沟隧道为背景,利用有限差分软件FLAC3D并采用伯格斯流变本构模型对软弱围岩隧道施工稳定性进行研究,得出了隧道某一目标横断面上围岩位移、围岩压力和支护结构受力及内力随时间和空间的变化规律和数值大小,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明:在开挖面前方1.5~2.0倍洞径和开挖面后方2倍洞径范围内,围岩变形主要由空间效应所引起;在上述范围之外,围岩变形主要由围岩的流变属性所引起。由于围岩的流变效应,围岩压力、初支与二衬的接触压力和支护结构受力及内力均随时间而发生变化。在围岩刚开挖时,结构受力及内力增长较快,达到某一值后逐渐变缓;二衬施筑以后,在围岩的流变作用下,结构受力及内力逐渐增加,但速度较慢,最终有可能造成拱脚、拱腰、仰拱等应力较大部位首先破坏。     

渗流作用下粗粒土冻结壁交圈规律及预测模型探索

由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因,部分冻结法施工工程依靠人工经验,缺乏科学的预测模型,与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律,本文首先建立冻结法施工数值模型,并通过室内模型试验反演验证所建立模型的有效性和适用性。之后,考虑渗流速度、冻结管间距、环境温度、含水率和导热系数等五个因素,开展冻结壁形成正交数值试验,确定冻结壁交圈时间和厚度的主控因素。最后,通过数值模拟研究主控因素作用下冻结壁的发育和演化规律。基于结果建立临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间的预测模型,给出冻结法施工参数的选择方案。结果表明,建立的冻土水热相变耦合模型可有效模拟渗流条件下土体冻结过程,能够满足冻结壁发育过程计算分析的需要。基于正交数值试验结果发现,渗流速度对冻结壁厚度和交圈时间的贡献百分比分别为78%和52%,是影响冻结壁能否交圈和最终厚度的主控因素。当渗流速度超过一定阈值时,冻结壁无法交圈。本文将这一阈值定义为冻结法施工中的临界流速。当冻结壁能够交圈,其最终形成的冻结壁厚度也主要由渗流速度决定,二者呈负指数函数关系。冻结管间距对冻结壁最终厚度影响不大,但...